高密度服務器散熱結構優化設計研究

李文方

(浪潮電子信息產業股份有限公司，北京 100085)

在競爭激烈的IT 市場，客戶在評估自己的IT 設備如何更高效運行，為公司帶來額外的價值。為了提高運營效率，系統的集成度越來越高，大功耗器件廣泛使用，高性能計算、系統的大容量和產品體積小型化要求提高，設備環境的適應性要求也越來越高。因此，為了保證產品在指定的環境規格條件下正常工作并達到產品的可靠性目標，需要選擇合適的冷卻、散熱方法，改進傳統的散熱技術，提高散熱效率。

1 服務器散熱結構設計原則

1.1 風道設計原則

風道設計的基本原則包括：（1）降低系統的壓力損失，力求對氣流的阻力最小；（2）合理控制氣流和分配氣流；（3）保證流過關鍵熱源的風速；（4）防止風道中產生空氣回流；（5）進出口盡量遠離，避免風流短路；（6）防止系統中發熱部件的相互影響。

1.2 風機選擇及結構布置

選擇風機時應考慮的因素包括風量、風壓（靜壓）、效率、空氣流速、系統（風道）阻力特性、應用環境條件、噪聲以及體積、重量等，其中風量和風壓是主要參數。

當所選風機風量或風壓不能滿足要求時，可采用串聯或并聯工作方式。當風機的風量能滿足要求，而風壓不夠時，可采用風機串聯的工作方式，以提高其工作壓力；當風道特性曲線比較平坦，需增大風量時，可采用并聯系統，并聯系統的優點是氣流路徑短，阻力損失小，氣流分布比較均勻，但效率低。

2 刀片服務器散熱結構優化設計

在傳統服務器基礎架構設計中，電源系統和散熱系統都是獨立設計，在機箱中分別占據獨立的空間，限制服務器機箱向更小尺寸發展。針對以上問題，本文提出一種刀片服務器供電散熱集成系統，將供電系統和散熱系統整合設計，減小電源和風扇在機箱中所占空間，縮小機箱尺寸，提高服務器密度。其常用刀片服務器結構形式和集成形式如圖1、圖2。

圖1 可以看出，普通刀片服務器機箱前部為服務器刀片，后部為電源、風扇、交換模塊和監控模塊，各刀片以及子模塊之間通過中板連接，中板上下及中間部分留有通風孔，為風流提供通路，電源和散熱獨立設計，這種結構形式不能最有效壓縮機箱高度，并且為了達到上下電源均流一般中背板高度比較高，增加成本。

圖1 常用刀片服務器系統結構形式

圖2 刀片服務器供電散熱集成結構形式

由圖2 可以看出，機箱前部為服務器刀片，后部為電源、風扇、交換模塊和監控模塊，各刀片以及子模塊之間通過中板連接，系統為前進風，后出風，中板上下部分留有通風孔，為風流提供通路。刀片內部器件密集，風阻較大，為使風速均勻，不存在死區，采用將風扇放置于系統后部抽風形式。為充分利用機箱空間，將機箱系統風扇置于電源機殼內，其同時為刀片和電源散熱。電源內部設計可采用兩塊印制電路板設計，分別固定在電源機殼底部和頂部，由于采用兩塊印制電路板，每塊板上的器件密度減小，更有利于風流通過。同時電源器件采用矮小元器件，在兩塊板中間會留出較大間隙，使風流流通順暢，保證系統散熱。由于系統風扇集成在電源中，不用在機箱中為風扇單獨安排空間，因此，機箱可以設計的更小，也有更多的空間布置其他功能模塊，提高刀片服務器密度。

將系統風扇集成在系統后部電源中，風道路徑較長，為保證足夠風壓將風扇串聯后置于電源內部，同時制定風扇轉速控制策略，保證服務器刀片和電源的散熱。當調速信號異常時，風扇會全速運行，保證系統散熱，當調速信號正常時，風扇按照調速信號規定運行。

3 機柜式服務器多風道結構設計

目前機柜式服務器采用的都是ATCA 架構，采用機柜上下通風結構，風扇盤放置在機柜的上層和下層，下層風扇盤吹風(入風口)上層風扇盤抽風(出風口)。常見的機柜風道形式包括單插框和多插框兩種，根據風向及風道設置的不同而分為不同的形式，各種不同的形式可以應用于不同的結構當中，具體如表1 所示。

單插框吹風進風可以是插框前部，也可以是插框下部，在出風為插框后上部時，單板存在低速區，而出風為上部時，則不存在。風機出風有一定的方向，在插框橫截面上風量均勻，進（出）風為上下直風道時，系統的壓力損失小。

單插框出風可以是插框后部，也可以是插框上部，在進風為插框前下部時，單板存在回流區，而進風為下部時，則這種現象不存在。

多風道結構分為機柜前部風道和機柜后部風道兩部分。整個結構包括主功能模塊、輔助功能模塊和中背板，風扇盤設置在機柜上，主功能模塊、輔助功能模塊、中背板分別設置在機柜內部，中背板設置在主功能模塊和輔助功能模塊之間。風扇盤分為上下兩組，分別設置在機柜上下端，下風扇盤向上吹風，上風扇盤從下方抽風，形成一致的風流方向。各插框機箱不僅起到支撐整個服務器系統的作用，而且是系統散熱的主要風道。中背板豎直放在主輔功能模塊之間，是各模塊的數據交換通道，同時也是風道的隔斷裝置。其將機箱分區，主輔模塊分別獲得獨立風道。

機柜后部為附屬功能模塊，左右兩側面開孔通風。

（1）后下方模塊可內置風扇，冷空氣從機柜前門底部進風，后門出風(前后通風)。

（2）后上方模塊也可內置風扇，但由于沒有足夠的壓力從機柜前門底部進風，機柜前門頂部又是熱風，可采取從機柜后門進風，前上出風結構形式。

4 結語

（1）在高密度服務器中，提出供電系統和散熱系統整合設計，節約機箱空間，縮小機箱尺寸，提高了服務器密度，同時對風扇的智能控制保證服務器可靠性。

（2）針對高密度機柜式服務器結構復雜性和高可靠性要求，提出多風道結構設計概念，將系統散熱壓力分解，提高系統運行的可靠性。