電腦“泡澡”并非虛幻

逯心一　鄧增　高莉華

今年年初，科幻電影《流浪地球2》一經上映，熱度居高不下。影片中一系列前沿科技引發觀眾熱議，在劇情中扮演關鍵角色的智能量子計算機更是將劇情推向高潮。

無論是什么樣的電子產品，發熱始終是困擾用戶的一大難題。電影中，使用者將計算機泡在液體中冷卻。這種“泡澡”的冷卻方式，一時引發廣大網友的熱議。

計算機為什么要“泡澡”？給計算機“泡澡”是否可行？今天就由我們來為您揭秘——

眾所周知，芯片是計算機的“大腦”，擔負著計算和處理任務的職責。和人腦一樣，芯片的工作效率也受其自身狀態的影響。

隨著芯片性能的不斷增強，其功耗也不斷攀升，一些商用服務器處理器的功耗甚至可達驚人的700瓦，這幾乎和一臺1匹的空調功耗相當。試想一下，一塊小小的芯片以極高的功耗工作，短時間內，芯片“體溫”便會急劇升高。

這里所說的芯片“體溫”實際上就是芯片表面的殼溫。一般來講，芯片表面的殼溫要控制在85℃以內，才可以保證芯片正常工作。倘若工作產生的廢熱無法散出，芯片的“體溫”就會在短時間內“越過安全線”，出現一系列異常癥狀。

這種癥狀和人類發燒時有些相似。“頭腦發熱”會導致芯片“無精打采”，工作效率降低。倘若不及時散熱，芯片溫度將進一步升高，用不了多久就會“發高燒”。這時芯片功耗增大，內部元器件還會受熱膨脹，導致不同元器件互相擠壓，從而使芯片出現裂紋，甚至可能激發高能載流子擊穿晶體管，嚴重降低芯片使用壽命或者導致芯片報廢。

此外，芯片過熱還會使周邊阻容元件異常，導致芯片的供電電壓和供電電流同時增大。倘若此時不及時散熱還要繼續長時間大負荷工作，將會產生大量熱量，芯片可能會因高熱而起火，對財產和工作人員安全造成嚴重威脅。

因此，在擁有大量計算機同時工作的數據中心，往往都有一套甚至多套高效且完善的芯片散熱方案，確保芯片能夠在“健康溫度”下長時間高效工作。

起初，由于計算機功耗小，計算機內部芯片產生的熱量僅僅需要自然對流即可散出。因此，計算機工程師們并不需要關注冷卻技術。

隨著芯片技術不斷進步，集成度不斷提高，芯片功耗急劇增大，僅僅依靠自然冷卻已經無法解決散熱問題。于是，工程師們開始引入強迫對流風冷散熱技術，即利用高導熱的金屬翅片將熱量導出，再通過風扇高速旋轉將熱量散出——這也是為什么我們經常能聽到電腦發出“嗡嗡”的聲音。

風冷技術憑借結構簡單、可靠性高等優勢，在相當長時間內占據了市場主流。然而，當芯片功耗變高，甚至達到300瓦時，采用風冷技術會使得散熱器和風機的體積變得更大，風機高速旋轉帶來的噪聲也會令人難以忍受。

為此，工程師們又提出了第二條路：液冷技術。

液冷技術憑借液體高比熱容的特性，通過直接或間接接觸熱源，可比風冷技術帶走更多的熱量。目前，美國的超級計算機Frontier、我國的超級計算機神威·太湖之光、日本的超級計算機富岳等，均采用了以水作為冷卻介質的冷板式液冷技術。在系統性能、芯片功率、組裝密度、運行噪聲等許多方面，液冷技術的應用給數據中心和超級計算帶來了極大的提升。

當然，冷板式液冷技術也有其缺點：一方面，以水為冷卻介質，一旦發生泄漏，將會損害電子元器件；另一方面，如果想要實現計算機內部所有元器件的散熱，冷板結構將會變得極其復雜，設計難度極大。

在市場需求的不斷驅動下，一種浸沒式液冷技術開始興起。該技術通過將整個主板直接浸泡在冷卻性能好且具備絕緣特點的冷卻液中，以實現對所有元器件的散熱。2022年12月，精密浸沒式液冷領域的全球領導者Iceotope宣布了與Meta合作的一項新研究。研究證實了機架級液體冷卻技術的效率、實用性和有效性，可以滿足超大規模數據中心廣泛部署和高頻使用的高密度存儲磁盤的冷卻要求。該研究也成功證明精密浸沒式冷卻比傳統的冷板式液冷更加有效。

據了解，液冷技術正在成為全球數據中心發展的新技術方向。IBM、谷歌、英特爾等國際巨頭公司已紛紛在該領域展開布局。IBM發布相關液冷超算機，可以降低40%以上的能源消耗，減少85%的碳排放；谷歌在其數據中心采用液冷技術，并持續推動數據中心降溫方式向液冷轉變；全球最大的浸沒式液冷數據中心阿里巴巴浙江云計算仁和數據中心，已經在2020年投入使用浸沒式液冷技術，可為數據中心節能70%以上。

中國工程院院士孫凝暉曾說過一句話：“當一個國家的計算力指數達到40 分以上時，指數每提升1 點，對于GDP 增長的拉動將提高到1.5 倍。”液冷技術的進步，推動了服務器設備算力的穩定輸出及計算性能的高效提升，進而對許多領域都產生了積極影響。

如今，冷卻技術已成為各國科技競爭的熱點領域：有工程師研發出射流沖擊液冷技術，可以在1平方厘米的芯片上實現約1100瓦的散熱；2019年《自然》雜志公布了一種集成在芯片內部微流道冷卻技術，可以在1平方厘米芯片上實現約1700瓦的散熱，或將成為未來實現超大功率芯片冷卻的有效技術手段；還有工程師提出沸騰浸沒液冷技術，在整個散熱過程中幾乎沒有額外的電能輸入，有望實現“零能耗”冷卻……

中國工程院院士孫凝暉曾說過一句話：“當一個國家的計算力指數達到40分以上時，指數每提升1點，對于GDP增長的拉動將提高到1.5倍。”液冷技術的進步，推動了服務器設備算力的穩定輸出及計算性能的高效提升，進而對許多領域都產生了積極影響。

軍事領域，液冷技術也發揮著越來越大的作用。

戰場上，液冷技術應用于指揮所計算機系統，可以使系統集成度大幅提高。尤其是在野外或者坑道中，液冷技術使得指揮所計算機具備更強的性能、更長的續航時間以及更好的隱蔽性，從而更好地保障指揮決策。

在裝備方面，激光武器應用液冷技術，可以提升激光輸出功率密度以及光束的質量，在增大激光武器殺傷性能的同時擁有更小的體積，從而有利于提高武器系統的快速部署能力；有源相控陣雷達采用液冷技術，可以大幅提升雷達功率，使得雷達探測距離更遠，探測精度和可靠性更高。

強大的火力系統也離不開液冷技術。為了確保火力系統長時間穩定輸出，許多武器裝備直接配備液冷系統。比如，著名的馬克沁重機槍就是采用液冷技術，以確保子彈高速穩定輸出。

此外，液冷技術已經走進了人們的日常生活。有科技公司將液冷技術應用于定制的個人電腦中，大大提升了電腦的性能，使用戶擁有了更好的體驗感。國內某電動車公司將液冷技術應用于電動車電機上，獨特的液冷降溫法不僅解決了行業“老大難”的退磁續航能力，還一站式地解決了電機生銹、易退磁等問題，這對于電動車行業來說是顛覆性的創新。在超導領域，可以將超導線纜浸泡在液氦等極低溫液體中，以實現零損耗輸電，相關技術有望應用在高壓輸電上。

總而言之，液冷技術是當下芯片性能提升后，計算機系統不可或缺的重要技術之一。在各國政府越來越重視數據中心能耗指標的大環境下，更多的風冷數據中心未來將會被淘汰，液冷技術正逐漸取代前者成為國內外的主流技術。未來，大到超級計算機系統，小至個人計算機，均有可能實現全液冷散熱。在人類與信息設備聯系愈發密切的未來，液冷技術將為我們的生活提供越來越優質的服務。

◎ 來源|解放軍報