基于半導體制冷的服務器散熱技術的應用

牛健　靳穎

摘要：本文介紹了半導體制冷技術的基礎及使用條件，并在計算機領域中針對服務器的特殊使用環(huán)境及環(huán)境要求，設計了基于半導體制冷的服務器散熱設備，根據半導體制冷技術結合服務器溫控等綜合技術的應用達到了實際使用價值，保證了對服務器散熱的要求。

關鍵詞：服務器、半導體制冷、溫控

0 引言

在專業(yè)技術領域，如大型服務器及服務集群等商業(yè)化的大規(guī)模計算服務中心，仍然需要高效的散熱及溫控技術來保證高精度的數據服務。這就需要必須采用高效的散熱技術來解決實際問題。對比常規(guī)的風冷技術、水冷技術，半導體制冷技術的優(yōu)勢在于提供了主動的制冷方式，其散熱效果是其他技術無法比擬的，并且在半導體制冷的實際應用中，證明了主動的制冷散熱方式為服務器運行的保障是具有實際效果的。但是，對于半導體制冷技術應用的條件很嚴格，根據其技術的基礎情況，要從服務器環(huán)境管理、溫度監(jiān)測及控制、輔助散熱技術等多方面技術進行綜合運用，實現服務器的環(huán)境管控。

1 服務器環(huán)境

1.1 服務器構架復雜

服務器由于用途與傳統(tǒng)的計算機并不相同，所以在服務器主板與其他服務器配件都與普通的計算機有所出入，服務器內部構造是與其主要用途決定的，所以很多服務器并非采用傳統(tǒng)的兼容構架，而是根據其特定用途進行設計的。例如：單一的主板對多CPU的支持，多內存，多顯卡，多外接設備等的支持。如圖1所示。

1.2 服務器空間有限

服務器的空間是由服務器機箱規(guī)格決定的，按照1U、2U、刀片服務器等不同規(guī)格決定，由于在有限的空間中需要放置更多的設備，所以決定不能將更大面積的散熱設備至于其中，這就決定了服務器散熱必須采用高效地的設備來解決實際問題。

1.3 服務器散熱方式

傳統(tǒng)的服務器散熱方式與普通PC機基本相同，主要由風冷式散熱、水冷式散熱。其中：風冷式散熱主要由導熱片和風扇組成，導熱片多采用銅、鋁材質的不同制程工藝制造，風扇多為帶有溫控設計。風冷散熱優(yōu)點是制造簡單、價格低廉，但由于散熱方式決定了其效能不高，不能滿足要求較高的環(huán)境；水冷式散熱是將風冷式的風扇替換為液體，通過液體循環(huán)傳熱體質達到散熱效果。

2 半導體制冷技術

2.1 半導體制冷的原理

熱電制冷是具有熱電能量轉換特性的材料，在通過直流電時具有制冷功能，由于半導體材料具有最佳的熱電能量轉換性能特性，所以人們把熱電制冷稱為半導體制冷。詳見圖2所示。半導體制冷是建立于塞貝克效應、珀爾帖效應、湯姆遜效應、焦耳效應、傅立葉效應共五種熱電效應基礎上的制冷新技術。其中，塞貝克效應、帕爾貼效應和湯姆遜效應三種效應表明電和熱能相互轉換是直接可逆的，另外兩種效應是熱的不可逆效應。

（1）塞貝克效應， 1821年，塞貝克發(fā)現在用兩種不同導體組成閉合回路中，當兩個連接點溫度不同時（T1

（2）珀爾帖效應，珀爾帖效應是塞貝克效應的逆過程。由兩種不同材料構成回路時，回路的一端吸收熱量，另一端則放出熱量。

（3）湯姆遜效應，若電流過有溫度梯度的導體，則在導體和周圍環(huán)境之間將進行能量交換。

（4）焦耳效應，單位時間內由穩(wěn)定電流產生的熱量等于導體電阻和電流平方的乘積。

（5）傅立葉效應，單位時間內經過均勻介質沿某一方向傳導的熱量與垂直這個方向的面積和該方向溫度梯度的乘積成正比。

2.2 半導體制冷的效果測試

本文主要進行 CPU 在只有風扇情況下和CPU 在接入半導體制冷片時的試驗： （ 1） CPU 在只有風冷（ 風扇） 情況下的散熱： 先把半導體制冷片從整個裝置中取出，將 CPU 直接貼在散熱器上，然后給 CPU 和電扇都接通直流電源，風扇兩端電壓穩(wěn)定在 12V，CPU 兩端加電壓從 5V ～8V，每次增加 1V，用數據采集儀記錄在每個電壓下的CPU 從初始狀態(tài)到穩(wěn)態(tài)的溫度數據； （ 2） CPU 在接入半導體制冷片時的散熱： 把半導體制冷片放入裝置，冷端貼在 CPU 上，熱端貼在散熱器上，先給 CPU 和風扇接通直流電源，風扇兩端電壓仍穩(wěn)定在 12V。給 CPU 兩端加 5V 電壓，一段時間后給制冷片兩端加電壓 3V ～7V，每次增加 1V，記錄在每個制冷片輸入電壓下制冷片冷端和熱端從初態(tài)到穩(wěn)態(tài)的溫度數據，再分別給 CPU 兩端加 7 ～8V 電壓，進行相同的操作。

在進行試驗時，整個裝置除了風冷裝置以外全部放入隔熱槽中，這樣熱量只能縱向傳導，所以整個問題可以近似為一維導熱問題。

2.3 試驗結果的分析與討論

半導體制冷片的降溫效果詳見圖3 為 CPU 輸入電壓為 5. 0V 時，有無制冷片時的 CPU 溫度對比。有無制冷片時的 CPU 溫度隨時間變化曲線從圖中可明顯看出半導體制冷片對 CPU 的降溫效果明顯。不接入制冷片時，CPU 溫度從室溫上升至平衡溫度而保持穩(wěn)定。當制冷片接入時，CPU 溫度開始降低，約經過 300s 后達到穩(wěn)定狀態(tài)。制冷片輸入電壓為 3. 0V 時，CPU 溫度從38. 7℃ 降至 25. 2℃ ，明顯低于了測量時的環(huán)境溫度。

3 總結

在計算機發(fā)展中，服務器的散熱環(huán)境是非常復雜的，對于傳統(tǒng)散熱方式與半導體制冷方式的對比可以直接反映出半導體制冷技術的優(yōu)越性。本文經過分析，證明了半導體制冷技術在計算機服務器中的實際應用的可行性和其價值的體現。

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