新型冷板对服务器CPU散热的研究及能耗分析

张振亚， 王 芳， 屈 岩， 王宏杰， 黄园园

（上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093）

新型冷板对服务器CPU散热的研究及能耗分析

张振亚， 王 芳， 屈 岩， 王宏杰， 黄园园

（上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093）

设计了一种新型服务器散热的冷却装置，以一台服务器CPU及机箱为研究对象，建立热分析数学模型.通过比较空气冷却与液体蒸发冷却的模拟散热效果，分析施行强制对流协同冷板蒸发冷却方案的可行性.实验验证了模拟的可行性，结果表明：强制对流蒸发冷却对服务器CPU及机箱散热效果明显，120 W高功耗下CPU的工作温度仍较为稳定，且机箱内的温度分布更为均匀.该方式不仅有利于单台服务器机箱的散热，并且在小型服务器工作站能耗分析中，相对风冷散热其空调机房能耗要减少40%左右.

新型冷板；CPU散热；蒸发冷却；模拟；能耗分析

自20世纪80年代以来，针对高热流密度微电子器件的散热问题，发展了微尺度换热器、微型热管、微型记忆合金百叶窗、纳米流体等微细尺度热控技术，推进了新型电子元器件、电子薄膜材料以及相关产业工艺的发展，拓展和更新了传统的传热理论和制冷技术.

对于微电子元器件的散热，国内外近年来从不同方面进行了研究.Yu等［1］采用CFD数值模拟的方法，对台式电脑的热设计进行了分析和实验，采用一个箱体风机和电源风机来实现冷却，并加装一组80 mm×60 mm导流散热片对CPU散热.陈国强等［2］针对电子设备发热所引起的可靠性下降问题，对机箱内部PCB板进行了强迫风冷的散热特性热测试实验.曹红等［3］进一步验证电子设备结构优化设计软件热分析模块的分析精度.方志强等［4］应用热分析技术展示了热分析的全过程，对热分析软件应用中的难点提出了解决方案.翁建华等［5］对一笔记本电脑中的散热模组进行了实验研究，散热模组的实验与热计算表明，采用节点数不多的节点网络方程，并通过一定的工程积累获得合理的参数（如热阻）取值，可对散热模组进行初步计算，从而在电脑设计之初确定散热模组能否满足设计要求或对其进行必要的修改.

目前针对高速计算机和服务器核心器件CPU的冷却研究主要是空气冷却、半导体冷却、热管冷却等方式，对于蒸气压缩式制冷用于CPU冷却方面的研究却相对较少.香港中文大学的邬志辉等［6］利用冷板式蒸发器冷却发热芯片实验使发热量为200 W的芯片在冷板的作用下长时间维持在60℃左右.美国普渡大学的Nnanna［7］通过对蒸气压缩系统冷却电子元件的研究，指出蒸发器入口应靠近热流密度较高处.瑞士洛桑理工学院的Marcinichen等［8］通过液体蒸发冷却系统用于电子元件散热这一领域的研究，指出制冷剂选用HFC245fa比较合适.

本文将从应用的角度出发，对高热流密度电子器件的散热进行模拟及实验研究.以一台服务器为例，对其CPU及机箱进行热分析，分别模拟强制风冷和液体蒸发冷却时服务器内主要元件的温度场分布，最后讨论用蒸发冷却方式对服务器芯片进行局部降温，在探讨小型服务器基站能耗基础上，分析目前用于电子信息系统机房空调节能的可行性.

1 冷却方式对CPU及机箱散热的模拟分析

1.1 冷却模型的建立

传统风冷翅片（空气强制对流）散热板结构如图1所示，翅片材料为紫铜.新型液体蒸发冷板内部结构如图2所示，其作用于CPU的结构模型见图3.

图1 风冷翅片散热板模型Fig.1 Model of air-cooled finned heat plate

图2 新型液体蒸发冷板内部结构Fig.2 Internal structure of new liquid evaporation cold plate

图3 新型冷板作用于CPU的结构图Fig.3 Structure of new cold plate acting on the CPU

设定系统热边界条件：芯片上施加功耗为120 W，模型外部通过与空气进行对流和辐射散热，选取周围空气的温度为35℃；强制对流情况下，空气流速为3.5 m／s，对流换热系数为40 W／（m2·K），PCB板的黑度为0.9；液体蒸发冷却情况下模型外部通过与空气进行对流散热，对流换热系数为25 W／（m2·K），空气流速为2 m／s，PCB板的黑度为0.9，冷板冷却器的设计温度为20℃，冷媒的流速为2 m／s；此处忽略其它元件的散热量对CPU的影响.

1.2 作用于CPU的冷板温度分布与模拟分析

图4是传统风冷（强制对流）翅片散热板作用于底层CPU功耗为120 W时的温度分布云图.图中显示CPU处于强制对流冷却状态，其最高结点温度为104.1℃，且最高温度值覆盖的区域比较大.这是由于芯片功耗较大时，传导于翅片的热量不能及时扩散，CPU之间的温度就相差较大.同时看出环境温度为35℃时风冷情况下，芯片在120 W运行时的最大温度值超出了CPU安全工作温度的许可范围（一般情况下认为CPU在75℃以下都可以安全工作）.

图5给出CPU功耗为120 W时的温度分布.由图中看出，CPU处于液体蒸发冷却时，当功耗为120 W，其最高结点温度为64.8℃.同时，从图中看出热沉与热扩展面之间的温度介于50～55℃，相对于风冷冷却，温度分布更加均匀.

图4 风冷翅片作用于CPU的温度分布云图Fig.4 CPU temperature distribution under air-cooling

图5 新型冷板作用于CPU的温度分布图Fig.5 CPU temperature distribution under evaporative cooling

1.3 服务器机箱内的模拟与数据分析

对服务器机箱模型进行不同边界条件的设定（主要条件与上述模拟边界条件相同）.不同CPU功耗对其它电子元件的影响不同，但主要温度分布趋势一致.图6和图7分别为风冷翅片和新型冷板作用于CPU（120 W）及机箱内温度分布云图.

图6 风冷翅片散热时机箱内部温度分布云图Fig.6 Case temperature distribution under air-cooling

由图6机箱内部温度分布云图看出，采用强迫空气对流冷却时，随着CPU功耗的增加，其它元件的温度相应有所升高，散热效果有所下降.机箱内部主板的最低温度为68.8℃，核心元件在这种高温状况下运行不但影响使用寿命，同时计算速度也会受到严重影响.从图7机箱内温度分布云图看，当外界环境温度为35℃，CPU功耗为120 W时，机箱内主板最高温度为74.86℃，主要元件位置处基本没有比较突出的温度结点.这种散热方式不但能够维持CPU

图7 强制对流蒸发冷却机箱内温度分布云图Fig.7 Case temperature distribution under evaporative cooling

在较稳定的温度下工作，还能减少风扇的数量，降低噪音.同时，空气流经冷却器时由于温差较大，空气温度快速降低，能够有效增加对其它元件的散热.

2 两种冷却方式降温性能试验与数据分析

从以上分析可知，随着现代电子产品功耗和热流密度的不断增加，传统的风冷散热形式已经满足不了电子元件在较高环境时散热的需求.目前，对电子器件用相变蒸发冷却方式散热虽因其空气中可能带来的表面凝露问题而有些复杂，但却是散热效果显著的一种换热形式，它能有效维持CPU的温度稳定甚至保持在室温状态.对于处理数据量大的高功耗服务器CPU来说，利用新型结构冷板协同对流换热及有效的控制系统，将是一种可行的散热方式.

2.1 服务器CPU降温实验数据分析

参照电子信息系统机房设计规范《GB50174-2008》对环境的要求，实验工况为：干球温度35℃，相对湿度（50±5）%.

经由实验测得传统风冷翅片冷却时CPU在不同功耗下温度随时间的变化关系如图8所示（见下页）；由实验测得新型冷板直接冷却CPU在不同功耗下温度随时间的变化关系如图9所示（见下页）.

由图8可以看出，强制空气对流翅片冷却时CPU在低功耗时温度能够很快达到稳定；功耗95 W时虽然也能够达到稳定，但处于较高的温度点；满负荷时温度持续上升，甚至超过警戒温度.所以在外部环境温度较高时强制对流空气翅片冷却的方式不能满足CPU的散热需要.

由图9可以看出，CPU在液体冷板直接冷却时能保持稳定运行，并且在高功耗时温度的稳定速度比低功耗时快，这是由于在高功耗时冷却器的冷量主要用于CPU的冷却.环境温度较高时，CPU在低功耗下运行产生的热量相对环境热量较少，冷却器主要吸收空气中的热量.同时也可看出，CPU功耗为120 W时稳定运行温度为47℃左右，所以导致在低功耗运行时温度稳定速度较慢.这说明这种冷却方式有利于CPU在高功耗时的散热；同时也说明液体蒸发冷却方式能够满足CPU在较高环境温度时的散热.

图8 风冷翅片散热CPU温度随时间的变化曲线Fig.8 CPU temperature versus time curve under air-cooled

图9 新型冷板散热CPU温度随时间的变化曲线Fig.9 CPU temperature versus time curve under evaporative cooling

2.2 不同冷板对服务器机箱散热的对比分析

实验测得风冷翅片作用下，不同CPU功耗下风冷翅片冷却时机箱内主要元件如主板温度随时间的变化由图10所示.

从主板温度变化曲线可以看出，一段时间内主板的运行温度比较稳定，并且CPU功耗升高时主板的温度也有所提升.这主要由于CPU在不同功耗下运行时，其它电子元件的散热也同时增加，瞬时热量不能及时散失，使机箱内部环境温度上升，致使主板的散热条件恶化，导致主板在环境温度较高时CPU处于高功耗运行，温度逐渐上升.

图10 翅片散热时主板温度随时间的变化曲线Fig.10 Mainboard temperature versus time curve under air-cooling

实验测得新型冷板作用下，机箱主板温度随时间的变化关系，如图11所示.从图中看出主板在相同试验工况下运行一段时间后温度达到稳定.对比翅片散热方式时的温度曲线可以发现，主板温度有所降低，且主板温度降低的幅度较大.这是由于冷却器的冷量一部分用于冷却机箱内部空气，使空气温度降低，从而增强了主板的散热.在两种工况运行时主板的温度都需要经过一段时间的上升之后才能达到稳定，因为冷却器开始时吸收空气中的热量多，空气的温度降低，有利于主板的散热；随着CPU发热量的增多，冷却器吸收CPU热量增加，导致空气温度降低幅度减小，最后随着时间的推移逐步达到平衡.

图11 新型冷板散热时主板温度随时间的变化曲线Fig.11 Mainboard temperature versus time curve under evaporative cooling

3 新型冷板对服务器散热的能耗分析

目前针对小型服务器工作站的运行维护，通常由空调系统对服务器负荷进行间接换热.采用这种散热方式先要恒定机房内的空气温度，即用冷却空气来平衡机箱的散热.由于机房空间与全面送风量较大，制冷机组与风机的能耗相对较大，而新型液体蒸发冷板则直接作用于高发热量元件上，同时微型冷却器的冷量还有利于周围其它元件的散热.下面通过计算两种冷却方式的冷量利用率，对冷板直接蒸发冷却进行能耗分析.

3.1 冷却方式对服务器机房用能比较

算例模型参数如下：空间尺寸为4 m×4 m× 3 m，内有20台主机，环境温度和房间温度均为35℃，房间内相对湿度为50%，墙体厚度为24 mm，其导热系数λ取0.79 W／（m·K），密度ρ取1 930 kg／m3，外墙面温度分别取35，26，26，26℃.

换热条件：依据电子信息系统机房设计规范《GB50174-2008》对环境温度的要求，空调系统散热时设定房间内的温度保持（23±1）℃，忽略26℃时墙面与房间的热传递，房间内相对湿度保持不变，不计空气潜热.根据以上设定条件对两种冷却方式进行能耗分析.

3.1.1 蒸发冷却散热冷量计算

前述CPU的最高功耗为120 W，且冗余热负荷为79 W，环境温度为35℃时，散热完全满足需要.所以一台机箱所需冷量Q记为200 W.20台机器所需的制冷量为

由于采用这种冷却方式时房间内的温度为35℃，为了避免环境扰动，引入安全系数η=1.2.算例模型中所需总的制冷量为

3.1.2 空调机组冷却散热冷量计算

空调散热的冷量可采用“功率及面积法”计算机房冷负荷，即

式中，Qk为总机房冷负荷；Qh为环境冷负荷（0.12～0.18 kW／m2×机房面积）；Qj为室内设备负荷（设备功率×0.8）

根据上述计算方式可得到机房冷负荷为

上述计算可知同等设备下Qk＞Qy，并且采用液体直接冷却时冷量同比减少了41.4%.

3.2 蒸发冷却及新型冷板应用可行性

根据以上风冷和蒸发冷却散热结果对比，有以下特点可总结：

a.液体蒸发冷却因为有制冷剂的相变过程，其热容量大.由文中模拟图5和图7可知，当CPU在大功耗下运行时风冷散热会在短时间内出现热尖峰，甚至有可能超过CPU运行警戒温度，而直接蒸发冷却散热因换热量大，仅会出现短期热波动.

b.液体蒸发冷却系统的热负载能力大，可以有较大的环境温度扩展，这样就会使CPU在较小的温度波动范围内工作，工作温度曲线非常平缓，可以避免整个机箱内局部温度过高或温度差异过大的现象.

c.一套液体蒸发冷却装置（压缩机、冷凝器、节流阀、分液控制阀、微型冷板蒸发器）能够同时满足多台服务器的散热需要，可以利用较小压缩机的功率消耗达到较高的散热效果，同时冷却器的热量可以由特定流道实现定向转移.

d.冷板蒸发冷却散热时，因局部空气温度低而减小机器散热风扇的风量，工作噪声小，避免服务器风扇的低频噪声.

对比服务器工作站机房的间接冷却方式，新型冷板蒸发冷却方式较为节能，其系统的结构布置比较合理.

4 结 论

本文以一台服务器CPU及机箱为研究对象，建立热分析数学模型，模拟服务器机箱内温度场分布.通过实验验证了模拟结果的可行性，分析得出：

a.采用液体蒸发冷却时CPU的降温作用明显，若蒸发冷却和空气对流冷却同时对机箱进行散热，不但能使CPU的运行温度保持稳定，还能降低机箱内空气的温度，增强其它元件的散热并且避免结露问题.

b.液体蒸发冷却方式不但有利于单台服务器机箱的散热，而且在小型服务器工作站中相对机房空调冷却方式，其机房总能耗要减少近40%.

c.因大型服务器工作站为避免静电产生，对空气湿度以及含尘量提出较高要求，蒸发冷却散热方式是否满足实际使用，有待进一步实验检验.

［1］ Yu CW，Webb R L.Thermal design of a desktop computer system using CFDanalysis［C］∥Proceedings of the 17th IEEE Annual IEEE Symposium Semiconductor Thermal Measure-meat and Management，San Jose CA：IEEE，2001.

［2］ 陈国强，朱敏波.电子设备强迫风冷散热特性测试与数值仿真［J］.计算机辅助工程，2008，17（2）：24-26.

［3］ 曹红，吕倩，韩宁.强迫风冷电子设备的热仿真与热测试数据对比分析［J］.电视技术，2008，48（7）：109-112.

［4］ 方志强，付桂翠，高泽溪.电子设备热分析软件应用研究［J］.北京航空航天大学学报，2003，29（8）：737-740.

［5］ 翁建华，崔晓钰，郭广品，等.笔记本电脑散热模组的实验与热计算［J］.上海理工大学学报，2010，32（6）：535-538.

［6］ Wu Z H，Du R.Design and experimental study of a miniature vapor compression refrigeration system for electronics cooling［J］.Applied Thermal Engineering，2011，31（2／3）：385-390.

［7］ Agwu Nnanna A G.Application of refrigeration system in electronics cooling［J］.Applied Thermal Engineering，2006，26（1）：18-27.

［8］ Marcinichen J B，Thome J R，Michel B.Cooling of microprocessors with micro-evaporation：a novel twophase cooling cycle［J］.International Journal of Refrigeration，2010，33（7）：1264-1276.

（编辑：丁红艺）

Analysis of Heat Dissipation Effect and Energy Consumption on a New Type of Cooling Device Used in Server CPU

ZHANGZhen-ya， WANGFang， QUYan， WANGHong-jie， HUANGYuan-yuan
（School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）

A new type of cooling device used in server was designed.Taking a server CPU as a research object，a mathematical model for thermal analysis was established and the temperature and velocity fields distributions were simulated.The simulated heat dissipation effects of air cooling and liquid cooling were compared to analyze the feasibility of the plan of forced convection liquid cooling.The effectiveness of simulation was proved by experiments.The results show that as the CPU is cooled by forced convection liquid cooling，the temperature distribution is more uniform and the temperature of the CPUis more stable in the condition of high power consumption（120 W）.The device proposed can be applied in the cooling of a single server chassis，and can be extended further in the cooling of a small server workstation.The energy consumption analysis of the small server workstation shows that，comparing with the air-cooled heat emission，the energy consumption of air-conditioned computer room can be reduced by about 40%.

new type of cold plate；CPU heat dissipation；evaporative cooling；simulation；energy consumption analysis

TB 65

A

2013-08-26

张振亚（1989-），男，硕士研究生.研究方向：节能制冷技术.E-mail：zzy129＠126.com

王 芳（1966-），女，副教授.研究方向：制冷领域中的节能与环保.E-mail：wang1996903＠163.com

1007-6735（2014）04-0317-05

10.13255／j.cnki.jusst.2014.04.003