水是Asetek液體循環系統中的主要冷卻液。該系統直接“鎖定”服務器中熱流最高的區域。這樣的區域主要是CPU、GPU和存儲器模塊,其工作溫度范圍介于70℃至95℃(158 F至203 F)之間。每個機架冷卻設備的重要部件包括:金屬冷卻板、泵、防漏水快速連接器、液體入口管和出口管。冷卻板安裝在目標區域的上面,負責將熱量從芯片傳遞給冷卻液,冷卻液隨后被泵抽出服務器機架,再流入機架的冷卻劑分配裝置。熱的冷卻劑流過液–液熱交換器,被設備中的涼水冷卻,然后重新流回服務器機架。

這種直接冷卻熱點區域的過程需要最大限度地提高系統的熱交換效率,才能冷卻特定的處理器或其他模塊。對于Asetek工程師來說,這意味著需要優化冷卻板的表面積,冷卻板在該過程中負責將熱量傳遞給液體。冷卻板包含一系列微通道,冷卻液從這些微通道中流過。借助Icepak,Asetek團隊可實現微通道的設計與配置,以便分析不同芯片的冷卻需求。

圖1 CPU冷卻板的Icepak模型,其中固體區域為棕色,液體區域為藍色

Asetek開始設計冷卻板之前,芯片制造商首先提供需要進行冷卻的特定板卡或模塊的相關幾何數據和散熱要求。然后,Asetek工程師根據組件的復雜程度,導入3-D CAD幾何結構或直接在Icepak中構建板卡或模塊的幾何結構。此外,工程師團隊還需要在使用Icepak執行整體熱分析之前,構建冷卻板的幾何結構。流體區域常用的網格尺寸介于100萬到300萬個單元之間。利用四個處理器進行這種規模的仿真需要10到30分鐘。

這套系統可處理極端情況,即持續超頻、處于服務器指定的最高液體供應溫度的芯片向冷卻液傳遞最大的熱量。此外,工程師必須創建更緊湊的設計,以增大服務器機架內的處理器密度。與此同時,系統的總熱阻必須將冷 卻劑的溫度保持在最大值60℃(140 F)以下。有些芯片設計 需要更高的冷卻劑流速,才能耗散更多熱量。

通常情況下,Asetek團隊會對新的冷卻板設計運行30到40次的仿真,以此作為參數研究的一部分。他們會改變許多參數,例如微通道翅片的寬度、高度和間距、板厚度,以及冷卻液的流速和入口溫度。經過實踐驗證,Icepak是快速完成此類參數研究的最佳工具。通常在兩周之內即可完成從芯片幾何結構到最終冷卻板設計的整個過程。

圖2 銅冷卻板和液體流線上的溫度等高線顯示,液體在流經冷卻單元的過程中溫度上升

利用Icepak優化冷卻板設計,不僅可加快設計周期,還能讓Asetek工程師根據具體冷卻需求將材料從銅轉變成鋁。盡管銅具有出色的導熱性,但是采用鋁板制作的微通道設計在一些特定應用環境中卻能遠超原有的銅制散熱片,例如具有較低散熱密度的應用環境就是其中之一。用鋁替代銅可將冷卻板的原材料成本銳減大約40%,從而實現更低成本的冷卻解決方案。

在數據中心安裝液體冷卻系統后,可以減少對成本高昂的排風機和空調系統的需求,并將冷卻所需的總電量減少50%。能耗方面的顯著節省使公司在一年內就能收回液體冷卻系統的投資成本。

利用系統熱交換器,可回收利用服務器機架中流出的60℃(140 F)冷卻液,用于為水、民用與商業建筑提供熱量。事實表明,回收利用這些本將排到大氣中的熱量大有裨益,特別是在寒冷氣候中尤為如此。Tromso大學地處挪威的北極圈,而該校容納12,000名學生和教職員工的教學設施長年溫暖如春,依靠的正是Asetek液體循環系統從大學數據中心中采集的熱量。

圖3 顯卡冷卻板上的溫度等高線

正如在Tromso大學以及全世界的數據中心所表現的那樣,Asetek的產品在實現大規模節能方面始終遙遙領先。利用Icepak進行熱分析使得Asetek能夠不斷提供市場領先的冷卻功能,從而為那些開發物聯網解決方案、讓數以億計的人和機器保持互聯的公司提供更優質的服務。不僅如此,設計團隊也正在研究使用仿真來優化冷卻液驅動泵以及經過整個服務器機架的空氣流動過程,從而確保所有組件都能得到充分的冷卻。所有這些工作只有一個偉大的目標,那就是讓數據中心“冷酷到底”。

圖4 冷卻板和微通道的溫度等高線(左)以及圖形卡和熱間隙襯墊條上的溫度等高線(右)