液冷散热技术简析_赵吉志.pdf

编者按 随着计算机技术和产品的 快速发展 系统的处理能力得到了很大的 提升 与此同时系统的功耗也几乎同步增 加 特别是C P U 显卡这些核心配件功率 极速上升 普通风冷散热器已经不能满足 需求 为了增强散热效能 开始增大散热 片 加快风扇转速 但这就不可避免的带 来更大噪音 在散热部件上消耗大量的能 源 本文介绍的液冷技术能提供更强的散 热方式和效能 达到静音和节能的目的 本文主要探讨 液冷 散热技术的原理 以 及他的优势和在服务器上的应用前景 什么是液冷散热技术 首先让我们来看一下水冷散热 虽然 我们很多时候将水冷散热与液冷散热等同 起来 但严格意义上说 二者还是有区别 的 水冷散热只是液冷散热系统中散热介 质使用水的一种形式 而除水之外 还有 其他很多介质可用于液冷散热系统 只不 过由于水价格便宜易于获得 水冷散热在 中低端领域应用得较为广泛罢了 从技术角度看 水冷 液冷 散热系统 技 术 前 沿 科技浪潮 液冷散热技术简析 的工作原理很简单 如图1 就是利用水 泵把水从储水器中抽出来 通过水管流进 水箱 然后再在水箱的另外一个口出来 通过水管流回储水器 就这样不断循环 把热量从热源如 C P U 显卡等散热量较大 的元器件的表面带走 水冷块是一个内部留有水道的金属 块 由铜或铝制成 与C P U 接触并将吸收 C P U 的热量 所以这部分的作用与风冷的 散热片的作用是相同的 不同之处就在于 水冷块必须留有循环液通过的水道而且是 完全密闭的 如图 2 所示 这样才能保证 循环液不外漏而引起电器的短路 循环液的作用与空气类似 但能吸收 大量的热量而保持温度不会明显变化 如 果液体是水 就是我们大家熟知的水冷系 统了 水泵的作用是推动循环液流动 这样 吸收了 C P U 热量的液体就会从 C P U 上的水 冷块中流出 而新的低温的循环液将继续 吸收 C P U 的热量 水管连接水泵 水冷块和水箱 其作 用是让循环液在一个密闭的通道中循环流 动而不外漏 这样才能让液冷散热系统正 文 赵吉志 33 2 0 0 8 3 总第6 6 期 常工作 水箱用来存储循环液 回流的循环液 在这里释放掉C P U 的热量 低温的循环液 重新流入管道 如果C P U 的发热功率较小 利用水箱内存储的大容量的循环液就能保 证循环液温度不会有明显的上升 如果 C P U 功率很大 则需要加入换热器来帮助 散发 C P U 的热量 这里的换热器就是一个 类似散热片的东西 循环液将热量传递给 具有超大表面积的散热片 散热片上的风 扇则将流入空气的热量带走 如果是小型密闭式的液冷系统 则可 以省略开放式的水箱让液体在水泵 水冷 块和换热器之间往返流动 避免循环液暴 露在空气中而变质 由此可见液冷散热与风冷散热其本质 是相同的 只是液冷中利用循环液将 C P U 的热量从水冷块中搬运到换热器上再散发 出去 由于换热器的散热面积和散热环境 远远要好于一般的风冷散热器 所以液冷 的降温效果非常明显 液冷散热技术优势 从理论上来说 风冷散热通过风扇 和散热片把机箱内热源如 C P U产生的热 量与周围空气进行热交换 其理想状况 顶多能让 C P U 降至机箱的 环境温度 这个温度比起码机箱外高 5 1 0 而 水冷系统则通过管道把 C P U表面温度带 到机箱外直接和箱外空气作热交换 有 个技术名词叫热量的定向转移 因为通 常有硕大的散热片 所以效率很高 机箱 内的热量的最大热源转移到箱外 剩余 的热量依靠机箱自然对流结构完全实现 箱体内部温度平衡 下面 我们举例来说明为什么使用水 冷方式能够有效地进行散热 假设C P U 功 率为 4 0 W 在 小时就可产生8 6 0 0 7 6 4 0 3 4 4 3 0 4 卡的热量 如果流经水冷器的 水量为1 0 0 升 小时 在不考虑其它方面 散热的情况下 可以让水温上升0 3 4 4 度 所以水量太少会导致流经水冷器的水不足 以带走C P U 上的热量 那是否水量越多越 好呢 答案是肯定的 但在不影响水温的 情形下 我们应选用适量的水 而不应只 求水量多 如果 C P U 的功率为 4 0 W 左右 并用1 5 升的水不加风扇 塑料筒装水使用 1 0 W的沉水泵 在室温为 2 5度时 经过 2 小时以后 水温上升3度 并达到平衡 状态 一般的水冷的散热效果要比较好的风 冷系统好 水冷系统因为没有风扇 所以 不会产生振动 因此也比较安静 同时由 于水泵的功率小于散热风扇的功率 也在 节能方面有一定的优势 液冷散热技术解析 也许有些人会问 水的导热系数是非 常低的 为什么水冷系统的散热效率能够 很高呢 首先 正如在散热的原理与技术解析 中的解释 对传导性能要求较高的地方在 于散热器底座 而对交换介质而言性能则 更多地体现在热容量方面 而水的热容量 是空气的数千倍 所以水冷系统的热负载 能力很大 相当于风冷系统的5倍 导致 的直接好处就是 C P U 工作温度曲线非常平 缓 比如 使用风冷散热器的系统在运行 C P U 负载较大的程序时会在短时间内出现 温度热尖峰 或有可能超出C P U 警戒温度 而水冷散热系统则由于热容量大 热波动 相对要小得多 其次 尽管水的导热性能确实很差 但流动中的水就完全不一样了 它与水的 流速成正比 水流速度越快 那么散热效 果越好 为使水的流速加快 我们应注意 水泵的水压是否足够 一般水泵的功率越 大 水压就越大 水泵散发出来的热量也 就越多 在水泵功率一定的情况下 水桶 中水平面与水管的最高点的距离越大 水 的流速将越慢 这将降低水的导热性 所 以应尽量使水平面与水管的最高点的距离 小一些 液冷散热的一些缺憾 在水冷散热器刚出现的阶段 有些厂 商预测未来将是水冷的天下 但是经过近 1 0 年的时间 水冷仍然只在少部分用户中 使用 而未跻身主流行列 究其原因 虽 然从散热性能上看还是以水冷占优势 但 是它价格偏高 占空间大 且水 或者其它 替代液体 会有变质和内部材料氧化的问 题 而且水冷散热器中的制冷液属于耗 品 需要定时更换 同时其安装过程对大多数用户而言过 于复杂 由于水或散热的液体是导体 当 出现渗漏等情况时 会出现较为恶劣的后 果 因此安全性也是当前水冷散热方案需 要重点研究和解决的一大问题 目前液冷散热方案应用情况 液体冷却技术自被引入到计算机行 业以来 虽然由于一些缺憾还未成为主 流 但已经出现了很多的产品和成功应 用案例 1 大型机 主 编 姚萃南 35 技 术 前 沿 科技浪潮 活性存储 创赢中小企业 浪潮VTL1000获中小企业存储产品大奖 2 0 0 8 年4 月 I B M 推出绰号为 水冷集 群 的H P C 超级计算机 P o w e r 5 7 5 首 次采用了水冷系统加以冷却 即通过安装 在每个微处理器上方的水冷铜板将电子器 件产生的热量带走 采用水冷技术的 P o w e r 5 7 5 所需空调的数量能够减少 8 0 可将一般数据中心的散热能耗降低 4 0 1 I B M 科学家估计用水来冷却计算机系统的 效率最多可比用空气进行冷却高出 4 0 0 0 倍 由于使用了先进的水冷和高效的 P O W E R 6 处理器 新的P o w e r 5 7 5 每机架能 够提供比上一代高出5倍的性能 而且每 机架的能源效率提高了3 倍 2 特种应用环境 由于液冷散热技术的低噪声特性 因 此在图书馆 学校 医院等特殊的领域的 计算机设备上也得到了较多的应用 能够 较好地发挥出其特有优势 同时对于新兴的刀片服务器产品 由 于其特高的计算密度 以及多种功能模块 的高密度布局 使得其散热需求进一步的 增加 液冷方案也成为刀片服务器产品的 很好的选择 3 整体机柜和机房方案 根据艾默生所提供的研究数据 大约 有 2 3 的服务器故障会发生机架最顶部的 1 3 产生这种问题的原因在于机架顶部 的服务器经常过热 其根本原因是传统的 机房机柜是通过下送风的方式为机架中的 I T 设备提供制冷 这种自下而上的制冷方 式 机架顶部1 3 的部分往往制冷不足 容 易因为过热而宕机 液冷机柜的提出可以 有效地解决顶部设备散热不足的问题 后 记 相信随着液冷散热技术的发展和成 熟 其优良的散热效果将会在计算机产品 领域发挥出应有的效果 特别是在图书 馆 电子教室 高密度的计算领域充分发 挥出其噪声低 散热效果好 节能等优点 浪潮一直在跟踪和研究液冷散热技术 的发展和成熟 并且和业内领先的厂商保 持密切的合作 正在充分挖掘典型客户的 应用 严格评估液冷散热方案的效果 安 全性 稳定性等因素 相信在不久的将来 浪潮将能够提供出一个完善的液冷散热方 案 让这一技术给商业计算的用户带来实 际价值 近期 在刚刚结束的中小企业存储论 坛上 以虚拟存储技术为核心的浪潮中小 企业数据备份与安全策略赢得来自政府 教育 制造 医疗 互联网等中小企业用 户和I T 渠道商的高度关注 会议上 专业 的I T 媒体中国计算机报还颁发了中小企业 存储产品奖项 浪潮存储虚拟磁带库产品 V T L 1 0 0 0 荣获 2 0 0 8 最具人气的中小企业 存储产品 大奖 该奖项是中国计算机报 经过媒体评测 用户调研 网上投票等多 个环节最终产生 代表了权威媒体的认可 和最终用户的需求方向 代表着先进技术方向 高效性能 便 捷管理的浪潮存储V T L 1 0 0 0 为中小企业用 户提供了完整的数据备份与安全策略 对 小型数据中心 用户更多的考虑是成本与 功能 使用高性价比的V T L 进行备份 从 技术上一步到位而且容量和性能上也便于 后期扩展 对于大中型数据中心 用户已 经有了基于磁带库或者磁盘的数据备份与 安全策略 更多考虑的是兼容性 性能 稳 定性和扩展性 此时通过使用兼容性良好 的V T L 1 0 0 0 进行分级存储管理和数据生命 周期管理 保障企业设备的高效利用 将 最有价值的信息放在最适合的设备上 同 时可以应用V T L 1 0 0 0 的高级选件 包括磁 带高级加密功