让数据中心“冷酷到底”

作者:Kåre Elgaard Buskov,热学工程师;Mette Nørmølle,工程副总裁,丹麦奥尔堡Asetek A/S

为了减少巨大的电力需求,许多数据中心越来越多地利用液体冷却法来补充甚至替代空气冷却系统。数据中心液体循环冷却系统的业界领先供应商Asetek利用ANSYS Icepak进行热仿真,从而精心优化冷却系统组件。

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The Big Data Chill

设备过热是数据中心行业面临的大敌。产生、存储和分析大量信息需要更快速、密集度更高的处理能力。在实现物联网(IoT)必不可少的计算周期中同样也会相应产生巨大的热量,必须想办法消除。2013年,仅美国的数据中心就消耗了860亿 kWh来冷却服务器[1]——这相当于760万个家庭的用电量。在全球范围内,数据中心服务器的耗电量约占每年发电量的1.5%。

为了减少巨大的行业电力需求,许多数据中心越来越多地利用液体冷却法来补充甚至替代空气冷却系统。丹麦的Asetek公司是一家为数据中心计算设备提供液体循环冷却系统的业界领先厂商。为响应市场对于高密度和高度定制化服务器机架的需求,Asetek不断创新,研发出的冷却系统由若干个构建模块组成,能根据各种数据中心的需求进行灵活配置。公司整个设计流程的一大重要环节就是利用ANSYS Icepak计算流体动力学软件进行热仿真,这已成为优化冷却系统组件至关重要的工具。

液体循环冷却系统

水是Asetek液体循环系统中的主要冷却液。该系统直接“锁定”服务器中热流最高的区域。这样的区域主要是CPU、GPU和存储器模块,其工作温度范围介于70℃至95℃(158 F至203 F)之间。每个机架冷却设备的重要部件包括:金属冷却板、泵、防漏水快速连接器、液体入口管和出口管。冷却板安装在目标区域的上面,负责将热量从芯片传递给冷却液,冷却液随后被泵抽出服务器机架,再流入机架的冷却剂分配装置。热的冷却剂流过液–液热交换器,被设备中的凉水冷却,然后重新流回服务器机架。

这种直接冷却热点区域的过程需要最大限度地提高系统的热交换效率,才能冷却特定的处理器或其他模块。对于Asetek工程师来说,这意味着需要优化冷却板的表面积,冷却板在该过程中负责将热量传递给液体。冷却板包含一系列微通道,冷却液从这些微通道中流过。借助Icepak,Asetek团队可实现微通道的设计与配置,以便分析不同芯片的冷却需求。

Asetek cooling product
ANSYS Icepak model of a CPU cold plate
CPU冷却板的Icepak模型,其中固体区域为棕色,液体区域为蓝色。冷却液从中间的管道进入,流经铜冷却板中的微通道,再从位于末端的两个出口管流出。
ANSYS Icepak temperature simulation of a CPU cold pl
铜冷却板和液体流线上的温度等高线显示,液体在流经冷却单元的过程中温度上升。
 

冷却板仿真

Asetek开始设计冷却板之前,芯片制造商首先提供需要进行冷却的特定板卡或模块的相关几何数据和散热要求。然后,Asetek工程师根据组件的复杂程度,导入3-D CAD几何结构或直接在Icepak中构建板卡或模块的几何结构。此外,工程师团队还需要在使用Icepak执行整体热分析之前,构建冷却板的几何结构。流体区域常用的网格尺寸介于100万到300万个单元之间。利用四个处理器进行这种规模的仿真需要10到30分钟。

这套系统可处理极端情况,即持续超频、处于服务器指定的最高液体供应温度的芯片向冷却液传递最大的热量。此外,工程师必须创建更紧凑的设计,以增大服务器机架内的处理器密度。与此同时,系统的总热阻必须将冷却剂的温度保持在最大值60 ℃(140 F)以下。有些芯片设计需要更高的冷却剂流速,才能耗散更多热量。

通常情况下,Asetek团队会对新的冷却板设计运行30到40次的仿真,以此作为参数研究的一部分。他们会改变许多参数,例如微通道翅片的宽度、高度和间距、板厚度,以及冷却液的流速和入口温度。经过实践验证,Icepak是快速完成此类参数研究的最佳工具。通常在两周之内即可完成从芯片几何结构到最终冷却板设计的整个过程。

“利用Icepak进行热分析可帮助Asetek不断为物联网公司提供市场领先的冷却解决方案。”

有效节省材料和能量

Board componenets
显卡,包括电路板组件
Graphics card thermal gap pad
显卡包括组件和热间隙衬垫(绿色)
Graphics card and cold plate
安装在顶部、带液体冷却冷板(深灰色)的显卡
Graphics card simulation pathlines
显卡冷却液的路径按温度着色。液体进入时48 C(深蓝色),流经微通道,流出时60 C(浅蓝色),可用来为建筑物或水提供热量。
Graphics card temperature contours
图形卡冷却板上的温度等高线。冷却板远离GPU,没有微通道,因此冷却板温度的变化取决于其它功耗组件的位置,例如GDDR存储器模块、场效应晶体管或电感器等。
Icepak model graphics card
另一种配置的顶视图,其中显卡位于底部(灰色),铜质冷却板(棕色),热间隙衬垫条在顶部(浅蓝色),以及带微通道的液体区域(深蓝色)。
Microchannel pathways
端视图显示,微通道路径(深蓝色)位于GPU上面的冷却板(橙色)内部。
Cold plate and microchannel temperature contours
冷却板和微通道的温度等值图
Graphics card temperature simulation
显卡和热间隙衬垫条的温度等值图
 

利用Icepak优化冷却板设计,不仅可加快设计周期,还能让Asetek工程师根据具体冷却需求将材料从铜转变成铝。尽管铜具有出色的导热性,但是采用铝板制作的微通道设计在一些特定应用环境中却能远超原有的铜制散热片,例如具有较低散热密度的应用环境就是其中之一。用铝替代铜可将冷却板的原材料成本锐减大约40%,从而实现更低成本的冷却解决方案。

在数据中心安装液体冷却系统后,可以减少对成本高昂的排风机和空调系统的需求,并将冷却所需的总电量减少50%。能耗方面的显著节省使公司在一年内就能收回液体冷却系统的投资成本。利用系统热交换器,可回收利用服务器机架中流出的60℃ (140 F)冷却液,用于为水、民用与商业建筑提供热量。事实表明,回收利用这些本将排到大气中的热量大有裨益,特别是在寒冷气候中尤为如此。Tromso大学地处挪威的北极圈,而该校容纳12,000名学生和教职员工的教学设施长年温暖如春,依靠的正是Asetek液体循环系统从大学数据中心中采集的热量。

正如在Tromso大学以及全世界的数据中心所表现的那样,Asetek的产品在实现大规模节能方面始终遥遥领先。利用Icepak进行热分析使得Asetek能够不断提供市场领先的冷却功能,从而为那些开发物联网解决方案、让数以亿计的人和机器保持互联的公司提供更优质的服务。不仅如此,设计团队也正在研究使用仿真来优化冷却液驱动泵以及经过整个服务器机架的空气流动过程,从而确保所有组件都能得到充分的冷却。所有这些工作只有一个伟大的目标,那就是让数据中心“冷酷到底”。

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