新型冷板對服務器CPU散熱的研究及能耗分析

張振亞， 王 芳， 屈 巖， 王宏杰， 黃園園

（上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093）

新型冷板對服務器CPU散熱的研究及能耗分析

張振亞， 王 芳， 屈 巖， 王宏杰， 黃園園

（上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093）

設計了一種新型服務器散熱的冷卻裝置，以一臺服務器CPU及機箱為研究對象，建立熱分析數學模型.通過比較空氣冷卻與液體蒸發冷卻的模擬散熱效果，分析施行強制對流協同冷板蒸發冷卻方案的可行性.實驗驗證了模擬的可行性，結果表明：強制對流蒸發冷卻對服務器CPU及機箱散熱效果明顯，120 W高功耗下CPU的工作溫度仍較為穩定，且機箱內的溫度分布更為均勻.該方式不僅有利于單臺服務器機箱的散熱，并且在小型服務器工作站能耗分析中，相對風冷散熱其空調機房能耗要減少40%左右.

新型冷板；CPU散熱；蒸發冷卻；模擬；能耗分析

自20世紀80年代以來，針對高熱流密度微電子器件的散熱問題，發展了微尺度換熱器、微型熱管、微型記憶合金百葉窗、納米流體等微細尺度熱控技術，推進了新型電子元器件、電子薄膜材料以及相關產業工藝的發展，拓展和更新了傳統的傳熱理論和制冷技術.

對于微電子元器件的散熱，國內外近年來從不同方面進行了研究.Yu等［1］采用CFD數值模擬的方法，對臺式電腦的熱設計進行了分析和實驗，采用一個箱體風機和電源風機來實現冷卻，并加裝一組80 mm×60 mm導流散熱片對CPU散熱.陳國強等［2］針對電子設備發熱所引起的可靠性下降問題，對機箱內部PCB板進行了強迫風冷的散熱特性熱測試實驗.曹紅等［3］進一步驗證電子設備結構優化設計軟件熱分析模塊的分析精度.方志強等［4］應用熱分析技術展示了熱分析的全過程，對熱分析軟件應用中的難點提出了解決方案.翁建華等［5］對一筆記本電腦中的散熱模組進行了實驗研究，散熱模組的實驗與熱計算表明，采用節點數不多的節點網絡方程，并通過一定的工程積累獲得合理的參數（如熱阻）取值，可對散熱模組進行初步計算，從而在電腦設計之初確定散熱模組能否滿足設計要求或對其進行必要的修改.

目前針對高速計算機和服務器核心器件CPU的冷卻研究主要是空氣冷卻、半導體冷卻、熱管冷卻等方式，對于蒸氣壓縮式制冷用于CPU冷卻方面的研究卻相對較少.香港中文大學的鄔志輝等［6］利用冷板式蒸發器冷卻發熱芯片實驗使發熱量為200 W的芯片在冷板的作用下長時間維持在60℃左右.美國普渡大學的Nnanna［7］通過對蒸氣壓縮系統冷卻電子元件的研究，指出蒸發器入口應靠近熱流密度較高處.瑞士洛桑理工學院的Marcinichen等［8］通過液體蒸發冷卻系統用于電子元件散熱這一領域的研究，指出制冷劑選用HFC245fa比較合適.

本文將從應用的角度出發，對高熱流密度電子器件的散熱進行模擬及實驗研究.以一臺服務器為例，對其CPU及機箱進行熱分析，分別模擬強制風冷和液體蒸發冷卻時服務器內主要元件的溫度場分布，最后討論用蒸發冷卻方式對服務器芯片進行局部降溫，在探討小型服務器基站能耗基礎上，分析目前用于電子信息系統機房空調節能的可行性.

1 冷卻方式對CPU及機箱散熱的模擬分析

1.1 冷卻模型的建立

傳統風冷翅片（空氣強制對流）散熱板結構如圖1所示，翅片材料為紫銅.新型液體蒸發冷板內部結構如圖2所示，其作用于CPU的結構模型見圖3.

圖1 風冷翅片散熱板模型Fig.1 Model of air-cooled finned heat plate

圖2 新型液體蒸發冷板內部結構Fig.2 Internal structure of new liquid evaporation cold plate

圖3 新型冷板作用于CPU的結構圖Fig.3 Structure of new cold plate acting on the CPU

設定系統熱邊界條件：芯片上施加功耗為120 W，模型外部通過與空氣進行對流和輻射散熱，選取周圍空氣的溫度為35℃；強制對流情況下，空氣流速為3.5 m／s，對流換熱系數為40 W／（m2·K），PCB板的黑度為0.9；液體蒸發冷卻情況下模型外部通過與空氣進行對流散熱，對流換熱系數為25 W／（m2·K），空氣流速為2 m／s，PCB板的黑度為0.9，冷板冷卻器的設計溫度為20℃，冷媒的流速為2 m／s；此處忽略其它元件的散熱量對CPU的影響.

1.2 作用于CPU的冷板溫度分布與模擬分析

圖4是傳統風冷（強制對流）翅片散熱板作用于底層CPU功耗為120 W時的溫度分布云圖.圖中顯示CPU處于強制對流冷卻狀態，其最高結點溫度為104.1℃，且最高溫度值覆蓋的區域比較大.這是由于芯片功耗較大時，傳導于翅片的熱量不能及時擴散，CPU之間的溫度就相差較大.同時看出環境溫度為35℃時風冷情況下，芯片在120 W運行時的最大溫度值超出了CPU安全工作溫度的許可范圍（一般情況下認為CPU在75℃以下都可以安全工作）.

圖5給出CPU功耗為120 W時的溫度分布.由圖中看出，CPU處于液體蒸發冷卻時，當功耗為120 W，其最高結點溫度為64.8℃.同時，從圖中看出熱沉與熱擴展面之間的溫度介于50～55℃，相對于風冷冷卻，溫度分布更加均勻.

圖4 風冷翅片作用于CPU的溫度分布云圖Fig.4 CPU temperature distribution under air-cooling

圖5 新型冷板作用于CPU的溫度分布圖Fig.5 CPU temperature distribution under evaporative cooling

1.3 服務器機箱內的模擬與數據分析

對服務器機箱模型進行不同邊界條件的設定（主要條件與上述模擬邊界條件相同）.不同CPU功耗對其它電子元件的影響不同，但主要溫度分布趨勢一致.圖6和圖7分別為風冷翅片和新型冷板作用于CPU（120 W）及機箱內溫度分布云圖.

圖6 風冷翅片散熱時機箱內部溫度分布云圖Fig.6 Case temperature distribution under air-cooling

由圖6機箱內部溫度分布云圖看出，采用強迫空氣對流冷卻時，隨著CPU功耗的增加，其它元件的溫度相應有所升高，散熱效果有所下降.機箱內部主板的最低溫度為68.8℃，核心元件在這種高溫狀況下運行不但影響使用壽命，同時計算速度也會受到嚴重影響.從圖7機箱內溫度分布云圖看，當外界環境溫度為35℃，CPU功耗為120 W時，機箱內主板最高溫度為74.86℃，主要元件位置處基本沒有比較突出的溫度結點.這種散熱方式不但能夠維持CPU

圖7 強制對流蒸發冷卻機箱內溫度分布云圖Fig.7 Case temperature distribution under evaporative cooling

在較穩定的溫度下工作，還能減少風扇的數量，降低噪音.同時，空氣流經冷卻器時由于溫差較大，空氣溫度快速降低，能夠有效增加對其它元件的散熱.

2 兩種冷卻方式降溫性能試驗與數據分析

從以上分析可知，隨著現代電子產品功耗和熱流密度的不斷增加，傳統的風冷散熱形式已經滿足不了電子元件在較高環境時散熱的需求.目前，對電子器件用相變蒸發冷卻方式散熱雖因其空氣中可能帶來的表面凝露問題而有些復雜，但卻是散熱效果顯著的一種換熱形式，它能有效維持CPU的溫度穩定甚至保持在室溫狀態.對于處理數據量大的高功耗服務器CPU來說，利用新型結構冷板協同對流換熱及有效的控制系統，將是一種可行的散熱方式.

2.1 服務器CPU降溫實驗數據分析

參照電子信息系統機房設計規范《GB50174-2008》對環境的要求，實驗工況為：干球溫度35℃，相對濕度（50±5）%.

經由實驗測得傳統風冷翅片冷卻時CPU在不同功耗下溫度隨時間的變化關系如圖8所示（見下頁）；由實驗測得新型冷板直接冷卻CPU在不同功耗下溫度隨時間的變化關系如圖9所示（見下頁）.

由圖8可以看出，強制空氣對流翅片冷卻時CPU在低功耗時溫度能夠很快達到穩定；功耗95 W時雖然也能夠達到穩定，但處于較高的溫度點；滿負荷時溫度持續上升，甚至超過警戒溫度.所以在外部環境溫度較高時強制對流空氣翅片冷卻的方式不能滿足CPU的散熱需要.

由圖9可以看出，CPU在液體冷板直接冷卻時能保持穩定運行，并且在高功耗時溫度的穩定速度比低功耗時快，這是由于在高功耗時冷卻器的冷量主要用于CPU的冷卻.環境溫度較高時，CPU在低功耗下運行產生的熱量相對環境熱量較少，冷卻器主要吸收空氣中的熱量.同時也可看出，CPU功耗為120 W時穩定運行溫度為47℃左右，所以導致在低功耗運行時溫度穩定速度較慢.這說明這種冷卻方式有利于CPU在高功耗時的散熱；同時也說明液體蒸發冷卻方式能夠滿足CPU在較高環境溫度時的散熱.

圖8 風冷翅片散熱CPU溫度隨時間的變化曲線Fig.8 CPU temperature versus time curve under air-cooled

圖9 新型冷板散熱CPU溫度隨時間的變化曲線Fig.9 CPU temperature versus time curve under evaporative cooling

2.2 不同冷板對服務器機箱散熱的對比分析

實驗測得風冷翅片作用下，不同CPU功耗下風冷翅片冷卻時機箱內主要元件如主板溫度隨時間的變化由圖10所示.

從主板溫度變化曲線可以看出，一段時間內主板的運行溫度比較穩定，并且CPU功耗升高時主板的溫度也有所提升.這主要由于CPU在不同功耗下運行時，其它電子元件的散熱也同時增加，瞬時熱量不能及時散失，使機箱內部環境溫度上升，致使主板的散熱條件惡化，導致主板在環境溫度較高時CPU處于高功耗運行，溫度逐漸上升.

圖10 翅片散熱時主板溫度隨時間的變化曲線Fig.10 Mainboard temperature versus time curve under air-cooling

實驗測得新型冷板作用下，機箱主板溫度隨時間的變化關系，如圖11所示.從圖中看出主板在相同試驗工況下運行一段時間后溫度達到穩定.對比翅片散熱方式時的溫度曲線可以發現，主板溫度有所降低，且主板溫度降低的幅度較大.這是由于冷卻器的冷量一部分用于冷卻機箱內部空氣，使空氣溫度降低，從而增強了主板的散熱.在兩種工況運行時主板的溫度都需要經過一段時間的上升之后才能達到穩定，因為冷卻器開始時吸收空氣中的熱量多，空氣的溫度降低，有利于主板的散熱；隨著CPU發熱量的增多，冷卻器吸收CPU熱量增加，導致空氣溫度降低幅度減小，最后隨著時間的推移逐步達到平衡.

圖11 新型冷板散熱時主板溫度隨時間的變化曲線Fig.11 Mainboard temperature versus time curve under evaporative cooling

3 新型冷板對服務器散熱的能耗分析

目前針對小型服務器工作站的運行維護，通常由空調系統對服務器負荷進行間接換熱.采用這種散熱方式先要恒定機房內的空氣溫度，即用冷卻空氣來平衡機箱的散熱.由于機房空間與全面送風量較大，制冷機組與風機的能耗相對較大，而新型液體蒸發冷板則直接作用于高發熱量元件上，同時微型冷卻器的冷量還有利于周圍其它元件的散熱.下面通過計算兩種冷卻方式的冷量利用率，對冷板直接蒸發冷卻進行能耗分析.

3.1 冷卻方式對服務器機房用能比較

算例模型參數如下：空間尺寸為4 m×4 m× 3 m，內有20臺主機，環境溫度和房間溫度均為35℃，房間內相對濕度為50%，墻體厚度為24 mm，其導熱系數λ取0.79 W／（m·K），密度ρ取1 930 kg／m3，外墻面溫度分別取35，26，26，26℃.

換熱條件：依據電子信息系統機房設計規范《GB50174-2008》對環境溫度的要求，空調系統散熱時設定房間內的溫度保持（23±1）℃，忽略26℃時墻面與房間的熱傳遞，房間內相對濕度保持不變，不計空氣潛熱.根據以上設定條件對兩種冷卻方式進行能耗分析.

3.1.1 蒸發冷卻散熱冷量計算

前述CPU的最高功耗為120 W，且冗余熱負荷為79 W，環境溫度為35℃時，散熱完全滿足需要.所以一臺機箱所需冷量Q記為200 W.20臺機器所需的制冷量為

由于采用這種冷卻方式時房間內的溫度為35℃，為了避免環境擾動，引入安全系數η=1.2.算例模型中所需總的制冷量為

3.1.2 空調機組冷卻散熱冷量計算

空調散熱的冷量可采用“功率及面積法”計算機房冷負荷，即

式中，Qk為總機房冷負荷；Qh為環境冷負荷（0.12～0.18 kW／m2×機房面積）；Qj為室內設備負荷（設備功率×0.8）

根據上述計算方式可得到機房冷負荷為

上述計算可知同等設備下Qk＞Qy，并且采用液體直接冷卻時冷量同比減少了41.4%.

3.2 蒸發冷卻及新型冷板應用可行性

根據以上風冷和蒸發冷卻散熱結果對比，有以下特點可總結：

a.液體蒸發冷卻因為有制冷劑的相變過程，其熱容量大.由文中模擬圖5和圖7可知，當CPU在大功耗下運行時風冷散熱會在短時間內出現熱尖峰，甚至有可能超過CPU運行警戒溫度，而直接蒸發冷卻散熱因換熱量大，僅會出現短期熱波動.

b.液體蒸發冷卻系統的熱負載能力大，可以有較大的環境溫度擴展，這樣就會使CPU在較小的溫度波動范圍內工作，工作溫度曲線非常平緩，可以避免整個機箱內局部溫度過高或溫度差異過大的現象.

c.一套液體蒸發冷卻裝置（壓縮機、冷凝器、節流閥、分液控制閥、微型冷板蒸發器）能夠同時滿足多臺服務器的散熱需要，可以利用較小壓縮機的功率消耗達到較高的散熱效果，同時冷卻器的熱量可以由特定流道實現定向轉移.

d.冷板蒸發冷卻散熱時，因局部空氣溫度低而減小機器散熱風扇的風量，工作噪聲小，避免服務器風扇的低頻噪聲.

對比服務器工作站機房的間接冷卻方式，新型冷板蒸發冷卻方式較為節能，其系統的結構布置比較合理.

4 結 論

本文以一臺服務器CPU及機箱為研究對象，建立熱分析數學模型，模擬服務器機箱內溫度場分布.通過實驗驗證了模擬結果的可行性，分析得出：

a.采用液體蒸發冷卻時CPU的降溫作用明顯，若蒸發冷卻和空氣對流冷卻同時對機箱進行散熱，不但能使CPU的運行溫度保持穩定，還能降低機箱內空氣的溫度，增強其它元件的散熱并且避免結露問題.

b.液體蒸發冷卻方式不但有利于單臺服務器機箱的散熱，而且在小型服務器工作站中相對機房空調冷卻方式，其機房總能耗要減少近40%.

c.因大型服務器工作站為避免靜電產生，對空氣濕度以及含塵量提出較高要求，蒸發冷卻散熱方式是否滿足實際使用，有待進一步實驗檢驗.

［1］ Yu CW，Webb R L.Thermal design of a desktop computer system using CFDanalysis［C］∥Proceedings of the 17th IEEE Annual IEEE Symposium Semiconductor Thermal Measure-meat and Management，San Jose CA：IEEE，2001.

［2］ 陳國強，朱敏波.電子設備強迫風冷散熱特性測試與數值仿真［J］.計算機輔助工程，2008，17（2）：24-26.

［3］ 曹紅，呂倩，韓寧.強迫風冷電子設備的熱仿真與熱測試數據對比分析［J］.電視技術，2008，48（7）：109-112.

［4］ 方志強，付桂翠，高澤溪.電子設備熱分析軟件應用研究［J］.北京航空航天大學學報，2003，29（8）：737-740.

［5］ 翁建華，崔曉鈺，郭廣品，等.筆記本電腦散熱模組的實驗與熱計算［J］.上海理工大學學報，2010，32（6）：535-538.

［6］ Wu Z H，Du R.Design and experimental study of a miniature vapor compression refrigeration system for electronics cooling［J］.Applied Thermal Engineering，2011，31（2／3）：385-390.

［7］ Agwu Nnanna A G.Application of refrigeration system in electronics cooling［J］.Applied Thermal Engineering，2006，26（1）：18-27.

［8］ Marcinichen J B，Thome J R，Michel B.Cooling of microprocessors with micro-evaporation：a novel twophase cooling cycle［J］.International Journal of Refrigeration，2010，33（7）：1264-1276.

（編輯：丁紅藝）

Analysis of Heat Dissipation Effect and Energy Consumption on a New Type of Cooling Device Used in Server CPU

ZHANGZhen-ya， WANGFang， QUYan， WANGHong-jie， HUANGYuan-yuan
（School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）

A new type of cooling device used in server was designed.Taking a server CPU as a research object，a mathematical model for thermal analysis was established and the temperature and velocity fields distributions were simulated.The simulated heat dissipation effects of air cooling and liquid cooling were compared to analyze the feasibility of the plan of forced convection liquid cooling.The effectiveness of simulation was proved by experiments.The results show that as the CPU is cooled by forced convection liquid cooling，the temperature distribution is more uniform and the temperature of the CPUis more stable in the condition of high power consumption（120 W）.The device proposed can be applied in the cooling of a single server chassis，and can be extended further in the cooling of a small server workstation.The energy consumption analysis of the small server workstation shows that，comparing with the air-cooled heat emission，the energy consumption of air-conditioned computer room can be reduced by about 40%.

new type of cold plate；CPU heat dissipation；evaporative cooling；simulation；energy consumption analysis

TB 65

A

2013-08-26

張振亞（1989-），男，碩士研究生.研究方向：節能制冷技術.E-mail：zzy129＠126.com

王 芳（1966-），女，副教授.研究方向：制冷領域中的節能與環保.E-mail：wang1996903＠163.com

1007-6735（2014）04-0317-05

10.13255／j.cnki.jusst.2014.04.003