计算机系统级热管理技术最新研究进展.pdf

38 电 子 机 械 工 程 El e c t r o M e c ha ni c a l Eng i ne e r i ng 2 0 0 8年第 2 4卷第 6期 2 0 o 8 V 0 1 2 4 No 6 计算机系统级热管理技术最新研究进展 刘 明 刘静 中国科学院理化技术研究所 北京 1 0 0 1 9 0 摘要 随着芯片集成度及整机安装 紧凑性的提高 计算机发热密度近年来一直呈指数级增长 为适应 这种需求 除继续发展各种高性能芯片散热技术外 对整机 系统的热管理进行总体部署及优化 以降低 能耗及散热的成本 文中对近年来个人计算机 P C 及服务器应用中发展 出的若干典型的 系统级热管 理技术进行了综合评述 并从散热方式 材料 结构及使用角度等方面提 出了一些新的观点 剖析 了其中 的关键科 学问题 对今后计算机散热技术的发展前景作 了展望 关键词 计算机 芯片集成度 冷却技术 系统级 热设计 热管理 中图分类号 T P 3 6 8 3 T K 1 2 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 5 3 0 0 2 0 0 8 0 6 0 0 3 8 0 8 Re c e n t Re s e a r c h Ad v a n c e me n t i n Co mp u t e r S y s t e m L e v e l Th e r ma l Ma n a g e me n t T e c h n o l o g y L I U Mi n g L I U J i n g T e c h n i c a l I n s t i t u t e o fP h y s i c s a n d C h e m i s t r y C h i n e s e A c a d e m y ofS c i e n c e s B e ij i n g 1 0 0 1 9 0 C h i n a Ab s t r a c t W i t h t h e i nc r e a s e o f c h i p i n t e g r a t i o n l e v e l a n d p a c k a g i n g de n s i t y t h e h e a t d e n s i t y g e n e r a t e d i n c o m p u t e r k e e p s i n c r e a s i n g e x p o n e n t i a l l y i n r e c e n t y e a r s T o a d a p t t o t h i s s i t u a t i o n b e s i d e s c o n t i n u i n g t h e d e v e l o p me n t o f v a rio us h i g h p e r f o r ma n c e c h i p c o o l i n g t e c h n o l o g i e s d e p l o y me n t a n d o p t i mi z a t i o n o f c o mp u t e r t h e rm a l ma n a g e me n t f r o m s y s t e m l e v e l a i mi n g t o r e d u c e p o we r c o n s u mp t i o n a n d c o o l i n g c o s t s a r e b e c o mi n g mo r e a n d mo r e n e c e s s a r y I n t h i s a r t i c l e a n u mb e r o f t y p i c a l s y s t e m l e v e l t h e rm a l ma n a g e me n t t e c h n o l o g i e s f o r p e r s o n a l c o mp u t e r a n d s e r v e r a r e c o mp r e h e n s i v e l y r e v i e we d S o me n e w v i e wp o i n t s o n c o o l i ng mo d a l i t y ma t e ria l s t r u c t u r e a n d t h e u t i l i z a t i o n w e r e p r e s e n t e d T h e k e y s c i e n t i f i c i s s u e s a r e a n a l y z e d F u t u r e p r o s p e c t s o f d e v e l o p i ng a d v a n c e d c o mp u t e r c o o l i n g t e c h n o l o g y a r e s u g g e s t e d Ke y wo r d s c o mp ut e r c h i p i n t e g r a t i o n c o o l i n g t e c h n o l o g y s y s t e m l e v e l t h e rm a l d e s i g n t h e rm a l ma n a g e m ent O 计算机对先进散热技术的需求 在电子信息技术高速发展的今天 计算机技术正 朝着两种趋势挺进 它们分别是高性能化 和小 型化 前者带来的是耗散功率的急剧增长 从 图 l中给出的 各种计算机的耗散功率指标可以看出这一态势 而后 者则引起耗散功率密度 的增加 图 2示 出了半导体器 件热流密度的发展趋势 J 显然 如不进行合理的热 设计 则可能会导致芯片局部温度过高 直至烧毁 可 以说 当前计算机技术的发展对热管理提出了较之以 往更高的要求 收稿 日期 2 0 0 8 0 5 1 4 基金项 目 国家自然科学基金资助项 目 5 0 5 7 5 2 1 9 台如 U I C 怕 一 l 聊 L I 台 L 扦 L 心 氍 J U 塔 务 呲 备 f 台 J 卜 J I f r u I I I 1 I l l 5 0 1 I m 2 l H S I S 2 o 2 轩 敞 f 舟 f 瓤 w 图 1 各种计算机的系统级发热量 到目前为止 人们大多只注重计算机 特别是 P C 芯片级的散热 但随着技术 的进步 在原先热设计 中并未引起重视的元件也开始耗散一定的热量 这就 迫使研究人员不得不对每一个离散元件均予以单独考 第6期 刘 明 等 计算机系统级热管理技术最新研究进展 3 9 虑 李腾等曾对计算机芯片级冷却技术及其 中涉及的 微 纳米材料进行 了全面的概 括和分析 J 可以看 出 前期研究中一直在力求通过采用更 好的材料减小 芯片与热沉问的接触热阻 通过液冷及 其中涉及 的热 管和微槽道技术减小热沉与载热流体介质的对流换热 热阻 以主动制冷方式减小载热流体介质温度 甚至采 用浸没及直接喷射冷却液体的方法去除接触热阻及热 沉的导热热阻 然而 当各个元件 的耗散功率大到一 定程度 的时候 再对各 自应用更 复杂 的冷却技术显然 是不经济的 而大量多核芯片的引人使得这样的问题 更显棘手 J 相应方案无疑会使散热系统变得笨重而 庞大 因此 从整体上对 计算机进行热管理是计算机 发展 的必然要求 图2 半导体器件热流密度发展趋势 从系统科学的角度来看 一 台计算机 即是一个发 热系统 其中的功率器件是组成该系统的元素 当这些 元素变得越来越多时 就需要从整体上来解决散热 问 题 即 从 系统 的观点 出发 从 系统与元素之问 元素 与元素之间 以及系统与外部环境之间的相互联系 相 互制约 相互作用 中 综合精确地考察对象 以达到最 优化处理问题 系统级热管理的根本就在于寻求 最优方案 从整体看来 散热 实际上是在芯片与外界环境之 问建立一条低热阻的热流路径 或是采用热载体将 热 量 搬运 至外界环境 中 未进行系统级热设计 的热 流路径往往是杂乱无序 的 而系统级热管理则建立在 芯片级散热的基础上 面向整个计算机系统构建合理 的热流路径 完成独立的或链式 的热量收集 传输和排 放 从而简化芯片级 的散热组件 优化整个系统 文中 着重探讨计算机系统级散热问题 掌上 电脑 超级移 动 P C及平板 电脑 由于不易设 置散热组件 故对其散热 的考虑一 般均从结构设计及 新材料的应用上着手 这里不拟对这三类 电脑的散热 情况进行分析 而主要讨论高功耗 电脑 的系统级热管 理 问题 1 P C系统级典型热管理技术 1 1台式电脑 由于台式 电脑具有充足的空 间 其散热问题通常 采用的做法是 哪里发热量大就对哪里设置散热器 并 不断引入高性能散热技术 这样终究会造成散热系统 复杂 成本高 噪音大等问题 要解决此困扰 优化散 热系统 就必须应用系统级热管理技术 近几年 台式电脑整机及机箱生产厂商已经设计 出了基于系统级散热的产 品 它们大多在机箱 的前面 板及侧面开设孔洞 在 内部安装导风罩 在后部安装风 扇 使外部空气从 前 侧面进入 从后部流 出 它采用 了系统级的强迫对流冷却 但这种开放式设计在加强 散热的同时也将灰尘带人了机箱 使系统稳定性降低 同时使风扇产生难 以忍受的噪音 曾有研究者对 台式 电脑液浸式系统级散热进行了 摸索 J 用变压器油浸没电源 主板及其上的各个部 件 由于其比热容及导热系数均高于空气 从而减小了 芯片至机箱外壁的等效热阻 在相同的环境 中可以得 到更低芯片温度 且 由于无运动构件 该系统是完全 静音的 不过 由于 自然对 流的散热能力相 当有 限 该 方案 尚不能满足系统耗散功率继续增长的需求 吕永刚等提出一种通过降低进入机箱的冷却空气 温度来增强散 热能力的系统级热管理方案 他们 采用了蒸汽压缩制冷系统进行主动制冷 冷却空气首 先流经该系统的蒸发器 温度降至 1 5 C左右后 被送入 机箱与发热元件进行热交换 其样机如图3所示 较 低的冷却空气温度有效地简化了芯片级散热组件 完 全封闭的设计也彻底阻止了灰尘的进入 图3 基于蒸汽压缩制冷的系统级热管理 然而 台式 电脑元件 的可替换性及可扩充性给系 统级热设计 带来 了一定 的 困难 以风冷 为例 由于 C P U 显卡 北桥 内存这些耗散功率较大的元件的无 序放置 造成机箱内气流路径 的混乱 一些从机箱流出 的冷却空气可能根本没有流经这些元件 而元件周 围 4 0 电 子 机 械 工 程 第 2 4卷 的气体可能产生了涡流 尽 管可 以采用导风罩 但 复 杂的设计会增加成本 并且影响元件的扩充 也给维修 带来了麻烦 作者认为 解决这一矛盾的最好方法就 是调整台式 电脑 的传统结构 避免板卡 的垂直交叉 若能保证信号的传输速率 可将扩展卡插槽设计成与 主板 平 行 而 目前 S i P S y s t e m i n P a c k a g e 和 S o C S y s t e m O i l C h i p 的芯片封装技术 已迅速发展 J 若今 后所有扩展卡都能以这种形式封装 将其与 C P U一样 安装于主板表面 则不但可 以保证冷却介质的流通路 径平直 而且能大大缩小电脑体积 从而使系统级热管 理更加易于实施 1 2笔记本电脑 笔记本电脑的耗散功率较台式电脑小许多 但由 于体积小重量轻 所以内部元件的安装极其紧凑 导致 高效热流路径的建立相对困难 多家 国际知名厂商的 笔记本产品均曾因芯片或 电池的热问题而发 生过变 形 甚至爆炸烧毁的情况 笔记本电脑 目前常用的芯片级热设计方法为采用 热管将芯片释放的热量传送至笔记本边缘的 组散热 肋片上 再借助离心风扇进行 强迫对 流以带 走热量 若耗散功率较大 可采用多根热管并联以减小热阻 当 G P U或北桥不采用热管时 一般会将其贴附于笔记本 的金属框架上 如键盘下设置铝板 然后借助热传导及 笔记本电脑内部的空气对流散发热量 2 0 0 6年 研究人员研制了一种超小型的笔记本用 蒸气压缩制冷系统 其 原理如图 4 a 所示 j 经测 试 制冷系统的 C O P最高可达 3 7 从芯片结到流体的 热阻最高仅为 0 7 w 多数情况下在 0 2 8 C W 左 右 除进行实验性 的测试外 他们还尝试将该 系统装 入一台具有真实元件的笔记本电脑模型中如 图 4 b 所示 虽然该系统没有达到水冷系统的散热能力 且最 终并未开机运行 但这一模型表明将蒸汽压缩制冷系 统应用到笔记本电脑中是可行的 a 原理 图4 基于蒸气压缩的笔记本制冷系统 日立制作所于 2 0 0 7年公布了尚处于开发阶段的 笔记本水冷系统 的概念模 型 该 系统采用 了组合 套件式设计 其两风扇和三风扇组件可单独使用冷却 一 枚 C P U 也可以组合起来并采用两块冷板 同时冷却 C P U和 G P U 该系统的冷却能力十分突出 然而载热 流体与外界空气的换热依然采用 了强迫对流的方式 当散热量较大时 仍会有噪音的困扰 上述两种最新的热管理方案忽略了散热中的次要 因素而集中精力解决主要问题 这种做法虽然可以得 到很好的效果 但也存在不足之处 未被考虑的内存 硬盘等低耗散功率元件长时间运行后产生的高温会使 使用者感到不适 因此 仍然有必要研究系统级的热 设计方法 本世纪初 E t 本松下公司曾推 出过数款无风扇设 计的笔记本电脑 它们将发热元件贴附在键盘下方的 冷板上 通过导热和自然对流对笔记本整体进行冷却 该设计方案基本上完全杜绝了噪音 但其整机性能较 低 高导热系数的镁铝合金材料也增加了成本 美国 I B M公司在其 2 0 0 5年生产的 X 4 1型笔记本 电脑 中注重 了系统级热管理 X 4 1同样是采用热 管将发热元件的热量传送至机身侧面边缘的肋片上 然而用于冷却肋片的空气却是经过其他发热元件的比 外部温度稍高的热空气 这一设计方案是通过在机身 底壳周围开设散热孔来实现的 在满足关键发热元件 热设计要求的前提下采用这种 系统级方案 可 以有效 防止原本采用导热或 自然对流热管理方法的元件在瞬 时功率过大的情况下不至于被损坏 中国科学院理化技术研究所的桂林等曾提出将发 热元器件分离放置的组合式笔记本 电脑的概念 并申 请了专利 引 其思想在于将发热元件与输入输 出设 备分离放置 从而可确保用户在使用时免受发热元件 的烘烤 而 日 放置发热元件 的箱体还可以呈敞开状 态 从而使得发热元件可以直接与外界冷却空气接触 这样即可省去将热量从箱体内导出的热管等装置 显 著缩短了热流路径 提高了散热效率 另外 目前市场上 出售 的笔记本电脑散热垫也是 出于系统级热管理的考虑 其思想是利用热载体将部 分热量从笔记本电脑底部带走 主动式散热垫利用空 气强迫对流换热带走热量 会产生一定噪音 但可长期 连续工作 被动式散热垫利用热传导将热量传递给相 变材料进行蓄热 其噪音为零 但使用一段时间后会丧 失储热能力 需释放热量后才能继续使用 从上述这些系统级热管理方案中可 以看出 传统 的导热和 自然对流的散热手段是很难解决高耗散功率 的笔记本电脑发热问题的 必须将它们 与强迫对流及 相变蓄热等方法综合使用 才能达到良好的散热效果 第 6期 刘 明 等 计算机系统级热管理技术最新研究进展 4 1 笔记本电脑散热主要的困难在于热流路径的设计 单 一 的热流路径负担较重 散热在加强 的同时也伴随着 噪音的增加 组合式笔记本 电脑则开拓了新 的思路 人们在使用电脑时面对 的仅仅是输入输 出设备 而运 算和存储部分相当于一个黑匣子 人们完全可以远离 这个烫手的黑匣子 这样不但针对黑匣子的散 热手段 容易实施 而且也使人体避开了这些热量 1 3 P C多机热源集中管理模式 基于分离发热元件 的思想 作者设想 在个人 电脑 集中使用的地方 如网吧 企事业单位 学校 科研院所 等 可将数据处理设备 与输入输出设备分离并集 中放 置 然后对其进行整体的系统级热管理 相应原理示意 如图 5所示 该方案与早期的服务器 终端的使用 方式基本相同 但设 计理念是完全不 同的 随着信息 技术的发展 终端的各种输入输出设备 可以通过插入 一 个提供相应接 口的小型无线数据发送接收器与主机 进行数据交换 这种终端更可以做成一 台笔记本 电脑 以满足便携性的需求 中国科学 院理化技术研究所 的 桂林等曾详细叙述了这种笔记本 电脑的工作模式 显然 这种小巧的笔记本 电脑是 完全不需要考虑散热 问题的 主机的运行可以采用多系统分离或联合处理 的方式 其工作形式类似于刀片服务器 但其功能应 比 刀片服务器更加强大 该模式不仅让使用者远离了热 源和噪音源 而且 为节能提供 了便利的条件 一方面 通过运算及存储资源的共享可实现节能 另一方面通 过对散热机制的整体调度和控制 可 以实现冷量的按 需供给 目前计算机在建筑耗能中已占有相 当可观的 分量 如何从散热 的角度考虑 建立新的计算机使用模 式 以充分利用资源 节省能耗 亦是系统级热管理需 重视的问题 但限于篇幅 此内容不予讨论 对于该模 式 中主机的散热问题 可参阅下文 虽 图5 计算机发热处理单元单独管理 上 和集中放置模式 下 2 服务器系统级典型热管理技术 服务器的高性能化带来的必然是其元件 的高耗散 功率 显然 仅仅依靠服务器 内分散设置的局部散热 器件是很难彻底解决整机发热问题的 因此对于服务 器 要重点进行系统级的热管理 目前 服务器系统级 热管理多采用风冷 也有少数采用混合冷却方式 其更 多考虑的是机器的结构及气流路径的设计 2 1 塔式服务器 塔式服务器的配置 由其用途决定 常见 的塔式服 务器为小 型和 中型 小 型塔 式服务器 的结 构与 台式 P c相似 所不同的是它采用了数量更多的 C P U 内存 及硬盘 耗散功率一般在 5 0 0 W 左右 由于其结构与台 式 P C基本相同 所以能应用于台式 P C机 的系统级冷 却方案一般也适用于小型塔式服务器 中型塔式服务 器的结构类似于大 型计算机 系 由多块 电路板及其它 功能模块组成 其特点是耗散功率大 但热源分布较均 匀 其系统级热管理一般采用在机箱前后设置风扇阵 列 使气流在机箱内均匀分布 其机箱内组件的有序排 列 也保 证 了空 气前后 的畅通 而不会发 生绕流 和涡 2 2机架服务器 当一台机架服务器配置有 四枚高性能 C P U时 其 耗散功率将达到 5 0 0 W 以上 目前 的机架服务器采用 的都是系统级空气强迫对 流的散热方法 一般在主板 的前部安装一排小型轴流或离心风扇 也有些厂商采 用了将两台轴流风扇串联的做法以提供冗余 这 些风扇的转速多数在每分钟一万转左右 最高可达到 一 万五千转 产生的噪音一般都在 4 0 d B以上 机架服务器 中芯片的散热面积是通过肋片式热沉 扩展的 由于 C P U周 围空 间有 限 肋片式 热沉所 能扩 展的散热面积终将到达其极限 然而 主板上部仍有 一 定 的空间 因此可 以设想 如将肋片布置于机箱 的顶 盖上 则可以大大扩展散热面积 提高散热能力 热量 从芯片到顶盖的传输可用热管来完成 如无需提升散 热能力 该方案也可 以在获得 相同散热面积 的情况下 增大肋片间距 从而减小空气流动阻力 降低风扇因高 转速产生的噪音 2 3刀片服务器 刀片服务器的高度紧凑性决定了其热管理的难 度 以 I B M 公 司的 B l a d e C e n t e r E系列为例 它在 7 u 1 U 4 4 4 5 m m 的高度 内安装有 l 4台处理 刀片 p r o c e s s o r b l a d e 整个机箱包括电源模 块 转换模块 和管理模块在 内的总耗 散功率高达 5 k W 针对这种 4 2 电 子 机 械 工 程 第 2 4卷 服务器的热管理 除采用高性能 高效率 的风扇外 还 需要设计一条低流阻的气流路径 并保证所有发热元 件均处于该路径上 以力求减少热点 B l a d e C e n t e r E在结构设计 上将 C P U置于处理刀 片的最前端 使冷却空气最先经过安装于 C P U上的蒸 发室 v a p o r c h a m b e r 热沉 之后再冷却内存 其他 小功率芯片及硬盘 电源 管理及转换模块安装于 机箱后部 采用从处理刀片流出的稍热 的冷却空气进 行散热 通过在处理刀片 中板 各模块的适 当位置处 开设孔洞 可形成特定的气流路径 这种有较多转 折的气流路径设计虽然可以节省空间 但却增加了流 动阻力 加大了风机的负担 2 4 机柜式及大型计算机 机柜式及大型机计算机是数据 中心的基本单元 前者又称为计算机集群 它是机架服务器及刀片服务 器的载体 故其耗散功率由机柜的安装密度决定 最高 可达 3 0 k Wl 2 0 J 后者是一个大型的独立系统 其核心 一 般采用 MC M M u l t i C h i p Mo d u l e 封装 的芯片组 其 耗散功率一般在 1 k W 左右 整个系统的耗散功率可达 1 0 k W 以上 2 0世纪 6 0年代以前采用真空管或晶体管制造的 大型计算机虽然总耗散功率较大 但其体积也较大 因 此单位面积耗散功率较小 采用强迫风冷 即能满足其 散热需求 然而随着 1 9 5 9年集成 电路 的研制成功 以 及之后芯片集成度 性能的不断提高 芯片单位面积耗 散功率在短时间内大大增加如图 2 所示 使大型计算 机的冷却成为了其设计 中的关键问题 1 9 6 4年 I B M发布 了第一款水 空气混合冷却 的 大型计算机 S y s t e m 3 6 0 Mo d e l 9 1 E 2 2 它在机柜内安装 了数排水 一 空气换热器 内部冷却器 使 由下至上的 冷却空气在流出每一层电路板后先由内部冷却器冷却 后再进入下一层电路板 其原理如图 6 a 所示 该 昆 合式冷却方法可改善单独采用风冷时上层电路板由于 采用下层板加热后的空气进行冷却而使得其温度较下 层高的问题 2 0世纪 9 0年代 随着半导体技术转为 C M0 S型 后 元器件功耗随着工作原理的改变而大大降低 然 而 随着网络及图形技术对半导体器件性能的要求不 断提高 C MO S器件的功耗从其出现之初就一直呈急 剧攀升趋势如图2所示 直接液冷及制冷剂深冷冷 却技术在大型计算机的芯片级及系统级散热中均得到 了应用 其中美 国 C r a y公 司于 1 9 8 5年推 出的 C r a y一 2型计算机采用 了系统级的直接液冷方法 它 将整机浸入循环流动 的氟化碳冷却剂 F c一7 7中 再 利用冷却水通过换热器将 F c一 7 7所吸收的热量带走 如图 6 b 所示 功率 涧 器 a I B M S y s t e m 3 6 0 Mo d e l 9 1 人 i l 算 L 图 6 大型计算机典 型系统级热管理方案 针对装载机架服务器的机柜 英国 T h e r m a c o r e公 司的 Z u o等提出了一种采用两级环路热虹吸管的系统 级热管理方案 2 第一级环路位于机架服务器 内部 热虹吸管蒸发段贴附在 C P U等发热芯片的热沉上 冷 凝段贴附于侧板上与布置于机柜内的第二级环路的蒸 发段连接 各 台机架服务器第二级环路 的冷凝段置于 机柜外部通过风冷或液冷将热量集中带走 从数据中心的环境级热管理 角度来看 一 台机柜 服务器或大型计算机就相 当于一个发热单元 考虑该 单元 的散热就是考虑整台服务器的系统级散热 目前 数据中心的散热方式如 图 7所示 从 图 7中可见 冷 却空气由活动地板或天花板送至机柜一侧的走廊 由 机柜中的风扇抽入 经过发热元件后被加热 从机柜另 一 侧排出 再进入空调通过冷却水将热量带走 图7 数据中心散热系统 然而 随着发热量增大 冷却机柜所需要的空气流 量也会增加 这就导致 了从活动地板送 出的冷却空气 还未到达机柜顶部时 已经消耗殆尽 而进入机柜顶部 的空气主要是从另一侧循环返 回的热空气 这种情况 的发生将对设备的可靠性和工作性 能产生巨大影响 也导致了热点的形成 为解决该问题 一些计算机厂 商又开始采用水 空气混合冷却的方案 根据水冷组件 安装位置的不同 该系统可分为开式 和闭式两种 开 式系统中的冷却水带走机柜散发 的部分热量 闭式系 统 中的冷却水带走 机柜散发的全部热量 S i m o n s曾 第 6期 刘 明 等 计算机系统级热管理技术最新研究进展 4 3 对具有再循环效应 的机柜添加水 一空气换热器后的效 果进行了理论计算 结果表 明 在开式 系统中 换热 器安装在出风侧 比入风侧能带走更多的热量 并且再 循环的冷却空气比例越小 该差值越大 I B M和威图 R i ma t r i x 5均推 出了基于上述原理 的 机柜散热产品 其 中 I B M 以 R e a r D o o r He a t e X c h a n g e r R D H X 为 代 表 威 图 则 以 L i q u i d C o o l i n g P a c k a g e L C P 为代表 前者 属于开式后 置换热器 型水冷系 统 其安装于机柜的出风侧 由机柜送 出的热风经过该 设备后温度立即降低 可以有效防止热点的产生 同时 也减轻了机房专用空调的负担 可延长其寿命 威 图的 L i q u i d C o o l i n g P a c k a g e则属于闭式水冷系统 在机柜左右任意一侧安装该设备后 空气仅在机柜 内 部循环 数据中心设备每年的扩充和更新都会对其散热系 统产生很大的压力 增加空调机组 加大风量是管理人 员通常的做法 但是过多的空调会 占用大量的房问面 积 造成 了用地成本 的增加 水冷 的引人大大缓解 了 这一问题 它无需 占用过多 的地面空间 却为热量提供 了一条高效的分流路径 随着处理 能力 的提高 耗散 功率的继续增长 此类服务器 的系统级热管理必将采 用多级高性能冷却手段 串联并分流热量的形式 2 5 超级计算机 一 台超级计算机一般由数十块运算节点板插接而 成 几十台超级计算机组成的阵列再 与远程 的存储系 统和控制主机进行通信就可以完成每秒千万亿次的运 算 这种运算单元的分散式布置使得超级计算机的结 构相对简单 仅仅是运算节点板 的有序排列 超级计 算机使用的处理器数量较多 但每颗处理器的频率及 功耗较低 因此尽管其总发热量较大 但热源分布十分 均匀 因此多数超级计算机不论在芯片级 板级或是 系统级都采用了强迫风冷 的散热方式 而系统级热管 理的重点则放在 了气流的组织问题上 超级计算机散热 的气流 的路径有以下三种形式 侧进侧出 S S s i d e t o s i d e 下进上出 B T b o t t o m t o t o p 和前进后 出 F B f r o n t t o b a c k 其 中 F B常用于机柜及大 型计算机 中 在前 面已进行过论 述 然而超级计算机不能采用这种气 流形式 因为所 有的运算节点板都插接在 中板或后板上 如果气流前 进后 出 就必须在 中板或后板上开孔 这将大大增加空 气的流动阻力 从而达不到其散热要求 s s和 B T是 超级计算机常采用 的气流形式 C r a y的 R e d S t o r m和 X T型超级计算机采用 了 B T 的形式 它将计算机直接放在活动地板的 出风 口 由机柜底部的大功率轴流风机将冷却空气抽入送至上 部运算节点板 这样各台计算机可 以紧凑 的排列在一 起 并且该形式减小了气流流阻 对降低风机的功率和 噪音有一定帮助 I B M的 B l u e G e n e L型超级计算机 采用 了 S S的形式 该形式需要在计算机侧面留出活动 地板开孔 因此其 占用 的房间面积 比 B T形式大 s s 形式在机柜内各条并联 的气 流路 径较 B T形式短 故 气流先后经过的芯片温差较小 3 计算机 系统级散热技术 中的关键传 热 与流动 问题 3 1 热传导环节 在计算机中 热量都是通过热传导的方式从芯片内 部传至与散热介质接触的表面的 在一定的耗散功率下 要获得较小的温差 需要大的导热系数 导热面积及短 的热传导路径 目 前大多数计算机采用的表面安装型 芯片的外部热传导路径一般为上下两个表面及引脚 其 中上表面是主要的热流路径 该路径 中涉及 的问题有 扩展导热面积 减小接触热阻及合理选取热沉形式等 下表面和引脚 面向 P C B 由于 P C B一般 由导热系数较 低的环氧树脂制成 且多数芯片只有引脚与 P C B相连 因此该侧的导热能力较差 然而从 系统级热管理 的角 度考虑 该热流路径面向板上所有功率元件 加强其热 传导能力可减少这些元件热设计 的复杂程度 在 P C B 中埋入微热管是达到该 目的的途径之一 3 2 对流换热环节 计算机散发的绝大部分热量都是通过对流的形式 被带入外界环境 中的 要提高散热能力 降低热沉表 面温度 需要增大对流换热系数和换热面积 并降低热 沉表面流体的平均温度 其中对流换热系数与流体的 速度 密度 粘度 导热系数 比热及换热表面的特征长 度有关 对流换热可分为无相变和有相变两大类 其 分别利用流体的显热和潜热承载热量 目前它们都被 广泛应用于计算机系统级热管理 中 无相变的对流换热又分为 自然对 流和强迫对 流 自然对流中流体流动的驱动力为热源附近流体与环境 流体的密度差产生的浮生力 其值较小 一般仅能产生 层流流动 故 自然对流的换热系数较低 强迫对流是 目前计算机散热最常用 的手段 气体的强迫对流由风 机驱动 可通过提高流速增加换热系数 换热面积可采 用肋片进行扩展 系统级气体强迫对流需要设计合理 的流道以减小流动阻力 具体问题包括弯头形式 渐缩 渐扩通道 肋片热沉间隙尺寸等 合理的流道设计可减 小风机所需提供的压头 从而降低风机转速 减小噪 电 子 机 械 工 程 第2 4卷 音 另外 气体的导流分流也需要重点考虑 以防止气 流分配不均和涡流造成的热点 液体的导热系数及比 热容都 比气体高许多 因此 液体的强迫对流冷却能力 远高于气体 系统级热管理可将液体强迫对流作为前 级热收集手段 也可作为后级的热输送手段 有相变的对流换热可采用直接或问接的方式应用 于计算机系统级散热 中 前者主要采用浸没沸腾蒸发 的形式 电路板应根据其上功率元件的位置进行放置 并加装一定形状的肋片以避免气泡在元件表面聚集而 形成膜态沸腾 后者的应用有热管 蒸发室及蒸气压 缩制冷系统 热管和蒸发室可实现高热通量低温差的 热传导 通常被当作一种高性能的导热材料使用 蒸 气压缩制冷系统通常作为后级传输及排放系统总热量 的机制 设计时应考虑系统的制冷量随计算机耗散功 率的变化进行 自动调整以达到节能的 目的 3 3 辐射换热环节 计算机采用辐射换热的散热量一般较小 仅当系 统级热管理采用 自然对流时才予以考虑 计算机中通 过辐射散热的热流路径通常为 P C B向机壳辐射 再由 机壳向室内墙壁及物体辐射 其热流量与机壳表面的 发射率 辐射表面 的面积 表面问 的角系数及温差有 关 增大发射率是加强辐射换热较为方便的途径 发 射率仅与机壳的表面状况有关 在抛光的机壳表面涂 敷一层涂料可大大提高发射率 若采用增大辐射面积 的方法加强换热 还需要考虑角系数的影响 否则可能 得不到预期的效果 系统级热管理是一项面向整体 合理有序 的组织 热流的计算机散热技术 它需要综合 的运用多种热流 通形式 以各种具体的实施手段 将热量逐级的并且多 渠道的输送并释放至外界环境中 对计算机进行系统 级热管理的目的是使散热 系统最优化 其 内容不仅包 括使所有元件工作在最佳温度点 还应使系统的投资 和运行成本最低 并尽量减小噪音 使人体远离热源 以增加人们使用计算机时的舒适程度 鉴于此 系统 级热管理方案的好坏也应从多方面进行综合评估 具 体手段有利用热电偶及红外热像仪对局部和整体的温 度分布进行测试 利用热线风速仪等对流体的流速及 流量进行测试 用 C F D软件进行模拟以预测或验证冷 却流体的温度及流动情况 通过噪音计或使用者的感 受评估舒适度 等 总之 进行 了系统级热设计的散热 系统应是性能 成本 舒适度最为平衡的最优系统 油勘探 天气预报等各个国民经济的重要领域都要求 未来的计算机拥有更大的数据吞吐量和更快的运算处 理速度 然而 功率耗散所导致的热 问题逐 渐制约了 计算机性能的提升 解决这一问题的关键在 于合理有 效地对计算机进行热管理 如能用系统的观念组织各 种散热方法 可更高效地解决计算机的热问题 提高计 算机的总能利用效率 从而为突破计算机的性能极限 提供保障 使数字信息技术更好地为社会服务 此外 随着人们对系统级热管理思想的深入认识 更加新颖及人性化的热管理方案将不断得到发展 这 必将推动高性能计算向个人应用领域 的扩展 未来大 量涌现的必将是融入了先进热管理技术的高性能 低 功耗 无噪音及辐射式的超级个人计算机 参考文献 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 4 小结与展望 1 1 航空航天 生命科学 材料工程 环境科学 地质石 1 2 C h u R C S i mo n s R E E l l s w o r t h M J S c h mi d t R R C o z z o l i n o V R e v i e w o f c o o l i n g t e c h n o l o g i e s f o r c o mp u t e r p r o d u c t s J I E E E T r a n s o n D e v i c e a n d M a t e r i a l s R e l i a b i l i t y 2 0 0 4 4 4 5 6 8 5 8 5 李腾 刘静 芯片冷却技术的最新研究进展及其评 价 J 制冷学报 2 0 0 4 2 5 3 2 2 3 2 李腾 刘静 芯片冷却技术中的微 纳米材料与结构 的研究进展 J 微纳电子技术 2 0 0 4 8 2 1 2 7 X u G P T h e r m a l m o d e l i n g o f m u l t i c o r e p r o c e s s o r s C The Te n t h I n t e r s o c i e t y Co n f e r e nc e o n T he rm al a n d Th e rm o me c h a n i c a l P h e n o me n a i n E l e c t r o n i c s S y s t e m I THE RM 2 0 06 9 6 1 00 杨士尧 系统科学导论 M 北京 农业出版社 1 9 8 6 陈忠民 探索液浸式散热打造超静型电脑 J 电脑时 空 2 0 0 5 1 2 1 4 3 1 4 5 L v Y G Z h o u Y X L i u J E x p e ri me n t a l v ali d a t i o n o f a c o n c e p t u al v a p o r b a s e d a i r c o n d i t i o n i n g s y s t e m for t h e r e d u c t i o n of c h i p t e mpe r a t u r e t h r o u g h e nv i r o n me n t a l c o o l i n g i n a c o m p u t e r c l o s e t J J o u r n al o f B a s i c S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g 2 0 0 7 1 5 4 5 3 1 5 4 6 田民波 电子封装工程 C 北京 清华大学 出版社 2 0o 3 Mo n g i a R Ma s a h i r o K D i S t e f a n o E e t a1 S ma l l s c a l e r e f ri g e r a t i o n s y s t e m f o r e l e c t r o n i c s c o o l i n g wi t h i n a n o t e b oo k c o m p u t e r C T h e T e n t h I n t e r s o c i e t y C o n f e r e n c e o n T h e r ma l a n d T h e r mo me e h a n i e a l P h e n o me n a i n E l e c t r o n i c s S y s t e m I T HE RM 2 0 0 6 7 5 1 7 5 8 h t t p c h i n a n i k k e i b 0 C O j 0 c h i n a n e w s n e w s d i g i 2 0 0 7 I 2 7 0 1 2 5 h t ml h t t p w ww i t e o m c n ffs p e c i al 0 5 1 1 2 1 2 0 1 0 5 6 h t m h i t p W WW p c o n l i n e c o m c n n o t e b o o k d i v i d e 0 5 0 5 第 6期 刘 明 等 计算机系统级热管理技术最新研究进展 4 5 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 4 6l 7 4 26 1 h t ml 桂林 刘静 将电脑的发热元器件分离放置的组合 式笔记本电脑 中国 2 0 0 4 1 0 0 2 9 4 5 9 0 2 0 0 5 0 9 2 1 桂林 刘静 李腾 基于网络的多用户笔记本电 脑系统 中国 2 0 0 4 1 0 0 0 8 9 9 1 4 2 0 0 5 0 9 2 8 Mi n i c h i e l l o A B e l a d y C T h e r ma l d e s i g n me t h o d o l o g f o r e l e c t r o n i c s y s t e m c T h e E i g h t h I n t e r s o c i e t y C o n f e r e n c e o n T h e r mal a n d T h e r mo me c h a n i c al P h e n o me n a i n E l e c t r o n i c s S y s t e m I T HERM 2 0 0 2 6 9 6 7 0 4 T h e S C 8 1 8 c h a s s i s s e ri e s u s e r g u i d e z S u p e r M i c r o C o mp u t e r I n c Ma r c h 2 0 0 6 D e s a i D M B r a d i c i c h T M C h a mp i o n D e t a1 B l a d e C e n t e r s y s t e m o v e r v i e w J I B M J R e s D e v 2 0 0 5 4 9 6 8 0 9 8 2 1 W u X P Mo c h i z u k i M Ng u y e n T e t a1 L o w p r o f i l e h i g h p e rf o rm a n c e v a p o r c h a mb e r h e a t s i n k s f o r c o o l i n g h i g h d e n s i t y b l a d e s e r v e r s C 2 3 r d I E E E S E MI T H E R M S y mp o s i u m 2 0 0 7 1 7 4 1 7 8 W a t t s D Da v i s R Krout o v I I BM Bl a d e Ce n t e r p r o d u ct s a n d t e c h n o l o g y M I B M R e d b o o k s A u g u s t 2 0 0 7 C rip p e n M J Al o R K C h a mp i o n D e t a1 B l a d e Ce n t e r p a c k a g i n g p o w e r a n d c o o l i n g j I B M J R e s D e v 2 0 0 5 4 9 6 8 8 7 9 04 S c h m i d t R R N o t o h a r d j o n o B D H i g h e n d s e r v e r l o w e m p e r a t u r e c o o l i n g J I B M J R e s D e v 2 0 0 2 4 6 6 7 3 9 7 5 1 An t o n e t t i V W C h u R C S e e l y J H T h e rm a l d e s i g n for I B M s v s t e m 3 6 0 m o d e l 9 l C T h e 8 t h I n t e r n a t i o n al E l e c t r o n i c Ci r c u i t P a c k a g i n g S y mp o s i u m S a n F r a n c i s c o C A 1 9 6 7 S c h mi d t R L i q u i d c o o l i n g i s b a c k J E l e c t r o n i c s C o o l i n g 2 0 0 5 1 1 3 3 4 3 8 F u j i s a k i A S u z u k i M Y a m am o t o H P a c k a g i n g t e c h n o l o g y fo r h i g h p e r f o rma n c e C MO S s e rve r F u j i t s u G S 8 9 0 0 J I E E E T r a n s a c t i o n s o n A d v a n c e d P a c k a g i n g 2 0 0 1 2 4 4 4 6 4 4 6 9 S i n g h P Ah l a d a s S J B e c k e r W D e t a1