基于浸沒式液冷技術的模塊設計與實現*

付小月，劉 俊，王圣俊，何 霜

（中國電子科技集團公司第三十二研究所，上海 201808）

引 言

隨著各個領域集成電路國產化的逐漸深入，自主可控的國產化芯片的應用也越來越多，同時，在有限空間內，高密集的芯片布局和高強度的計算速度對更安全可靠、更高效低碳的新型高技術計算機的需求也越來越明顯[1]。在此背景下，傳統的自然散熱和風冷散熱模式雖成本低、易維護，但已滿足不了高密度計算、高能量利用率的需求。而浸沒式液冷技術擁有散熱效率高、安全可靠性高、空間利用率高、能量利用率高、噪聲低等諸多優點[2]。由此，由液體代替空氣進行換熱的新型浸沒式液冷技術正成為新的熱點。

近年來，國內外諸多學者通過各種方式（如數值模擬、理論分析、熱力學分析和試驗等）對浸沒式液冷設備展開了研究。文獻[3–5]對冷卻液、散熱效率進行了探討，并與自然散熱、風冷散熱等其他冷卻方式進行了對比研究。目前，也有部分商用浸沒式液冷服務器投入市場應用（如浪潮集團、阿里巴巴、中科曙光等[6–7]），但基于自主可控的國產化芯片的加固型浸沒式液冷計算機卻較少。

本文綜合考慮加固計算機和浸沒式液冷服務器的特點，設計了一款加載國產處理器芯片的加固型浸沒式液冷模塊。該模塊結構緊湊，拆裝方便，散熱效果好。最終模塊試制成功，滿足項目的設計要求，為后續各領域加固計算機的散熱設計提供了新的思路和更多的選擇。

1 浸沒式液冷模塊結構設計

1.1 模塊結構布局

浸沒式液冷模塊的外形尺寸（不含接插件）為50.8 mm（10HP寬）×242.5 mm（高）×385 mm（深），其結構布局如圖1所示。

圖1 浸沒式液冷模塊結構布局

液冷模塊主要由模塊框架、模塊蓋板、中央處理器（Central Processing Unit, CPU）散熱器、電源芯片散熱器、功能芯片散熱器、模塊主板等組成。模塊框架內包含框架結構件、液冷管道、密封條、起拔器、鎖緊條、液冷接頭等。模塊腔體內充滿不導電的冷卻液，模塊主板、散熱器及液冷管道均直接浸沒在冷卻液中。冷卻液為下進上出結構，電連接器與液冷接頭均安裝在模塊尾部。

1.2 模塊主板結構布局

浸沒式液冷模塊主板選用多層覆銅環氧板，材料為FR4，在尺寸及重量允許的條件下，增加覆銅率，以提高整板的綜合導熱性能。液冷模塊主板的裸板尺寸（不含電連接器）為337 mm（長）×190 mm（寬）×2.5 mm（厚）。元器件主要分為CPU（2個）、內存條（8根）、電源芯片區、功能芯片區和電連接器等，其中CPU位于主板左側，內存條布局在CPU兩側，電源芯片集中分布在CPU上方，其余功能芯片布局在主板右側區域，如圖2所示。

圖2 模塊主板結構布局

1.3 散熱器設計

模塊主板CPU選用國產申威處理器，功耗較大（單個功耗為150 W，總功耗為300 W），需單獨設計散熱器來保證芯片的正常工作?？紤]熱阻、實際加工難度、空間限制等因素，本設計選用改進版配備熱管的均溫板（Vapor Clamber, VC）散熱器。均溫板焊接在散熱器底部，通過導熱墊片與芯片接觸，將芯片產生的熱量快速傳導至散熱器中。3 根熱管焊接在均溫板與散熱肋片之間的主體材料上，可快速將熱量均勻分布到散熱器上，再通過肋片進行散熱。此外，增加擋板進行導流，以提高散熱效率。如圖3所示，CPU散熱器的尺寸（不含導液接頭）為95 mm（長）×80 mm（寬）×20 mm（高），肋片厚度為0.3 mm，間距為2.2 mm。散熱器主體材料為鋁合金，熱管材料為CU1020銅，表面進行鎳化處理。

圖3 CPU散熱器尺寸圖

由于模塊內部空間有限，芯片布局比較密集，再考慮到對流散熱中散熱面積對散熱效果的影響以及實際加工條件等因素，因此增加了電源芯片散熱器和功能芯片散熱器設計。散熱器肋片厚度均為2 mm，間距均為5.2 mm。電源芯片散熱器的尺寸為204 mm（長）×59 mm（寬）×19.4 mm（高）。功能芯片散熱器的尺寸為131 mm（長）×89 mm（寬）×23.5 mm（高）。

1.4 材料選擇

該浸沒式液冷模塊的冷卻介質選用3M公司的Fluorinert FC–40電子氟化液。它是一款低粘度、無色透明的氟素化學品，具有良好的化學惰性、電氣絕緣性能、熱傳導性、材料相容性和獨特的低表面張力，且不可燃，無毒，安全可靠[8]。

模塊所有材料均浸沒在冷卻液中，因此結構件的材料應能兼容FC–40冷卻液。由此，浸沒式液冷模塊的材料主要選用鋁合金、不銹鋼、聚氯乙烯等，其中模塊框架結構件、模塊蓋板、電源芯片散熱器以及功能芯片散熱器主要通過金加工成型，選用鋁合金6063，為防腐蝕，材料表面均進行了導電氧化處理。緊固件選用不銹鋼材料，液冷管道選用聚氯乙烯材料，密封圈選用三元乙丙橡膠材料，導熱墊片選用0.1 mm厚的高純銦片，放置在散熱器與各芯片之間以提高散熱性能。

1.5 模塊安裝設計

模塊安裝機箱的上蓋板、下蓋板設計有模塊的安裝插槽，插槽的主要作用是為機箱內部液冷模塊的安裝提供引導，相鄰兩個插槽形成的空間用于模塊楔形鎖緊條的鎖緊。模塊后部通過電連接器中的識別導向裝置以及液冷接頭與背板進行安裝，以保證模塊的正確插合。模塊安裝和拆卸時，插槽前端的卡槽和起拔器提供助插和助拔，實現模塊的快速插拔功能，如圖4所示。

圖4 液冷模塊安裝示意圖

2 浸沒式液冷模塊熱設計

2.1 熱傳導設計

模塊主板通過螺釘固定在充滿冷卻液的液冷模塊結構件中，發熱器件產生的熱量通過冷卻液傳導至模塊結構件上。模塊插入液冷機箱后，鎖緊條擰緊，模塊導向肋條與液冷機箱上下蓋板的插槽導軌緊密貼合，熱量通過導向肋條傳遞至上下蓋板，經傳導和輻射帶走熱量。

2.2 強迫對流設計

由于CPU芯片功耗最大，因此在模塊底部設計了一段液冷管道，與CPU散熱器連接。在外部循環泵的作用下，強制冷的電子氟化液優先通過液冷模塊下端的液冷接頭進入液冷管道中，從液冷管道分流后流向兩個CPU散熱器，并依次流向電源芯片散熱器和功能芯片散熱器。發熱器件產生的熱量先傳導至散熱器的肋片上，通過電子氟化液循環流動，對流換熱帶走熱量，最后熱的電子氟化液通過液冷模塊上端的液冷接頭流出，進入外部冷卻系統進行降溫，如圖5所示。由此，在循環泵的作用下實現整個液冷系統的循環運行。

3 液冷模塊熱仿真分析

浸沒式液冷模塊工作時，主板上的器件會產生大量熱量，若無有效的散熱手段將熱量帶走，器件溫度就會不斷上升，導致芯片性能下降甚至受損。對浸沒式液冷模塊進行模擬仿真，一方面可保證器件工作在合適的溫度區間，另一方面可為后續設計改進工作提供參考。

3.1 仿真參數

模塊的總功耗為500 W。電子氟化液FC–40的密度為1 855 kg/m3，比熱為1 100 J/(kg·°C)，導熱系數為0.065 W/(m·K)。給定的冷卻液進口流量為5.88 L/min，給定的進口溫度為55°C。浸沒式液冷模塊主體框架的材料為鋁合金6063，其導熱系數為202 W/(m·K)。內存條材料的導熱系數與模塊主板的導熱系數接近，其余核心發熱器件的材料為陶瓷，其導熱系數為6.5 W/(m·K)。給定的模塊主板材料的導熱系數為0.173 W/(m·K)，各向同性。忽略散熱器與申威處理器之間的接觸熱阻[9]。

3.2 仿真模型建立

將液冷模塊模型導入仿真軟件中，在不影響散熱計算的前提下簡化模塊模型[10]。刪除尺寸較小的孔和圓角（如螺釘孔等），去除所有與熱分析無關的連接件（如螺釘、電連接器、線纜等），去除對仿真結果影響較小的無功耗器件、模塊主板上的各種修飾特征等，盡可能采用規則的結構形狀進行等效。簡化后的模塊模型如圖6所示。

圖6 液冷模塊熱仿真模型圖

3.3 仿真結果

浸沒式液冷模塊內冷卻液流速分布云圖如圖7所示，主板溫度云圖如圖8所示。

圖7 液冷模塊內冷卻液流速分布云圖

圖8 液冷模塊主板溫度云圖

結果表明，CPU散熱器肋片處流速較大，能夠快速帶走CPU產生的熱量，其余散熱器肋片之間均有冷卻液流過，帶走各芯片產生的熱量，模塊主板布局以及散熱器肋片結構設計合理。液冷模塊內各芯片溫度小于73.85°C，CPU芯片溫度約為65°C，均低于工作允許溫度，滿足熱設計要求，能夠保證模塊長期可靠地工作。

仿真計算中浸沒式液冷模塊內的各個器件選用的參數均為其理論最大熱耗參數，且仿真中的變量設置均偏保守，液冷接頭使用的也是最大工作流量，而在實際使用過程中，元器件一般不會達到其理論的最高功耗，冷卻液流量也不會達到液冷接頭的最大工作流量。因此仿真計算結果中元器件的最高結溫會比實際值高，但仿真計算結果中模塊主板的熱耗分布還是能夠真實地反應各器件的工作狀態?；谠摲抡嬗嬎憬Y果，后續可針對性地采取一系列熱處理措施，以提高整機的可靠性。

4 設計實現

考慮實際使用環境以及為了在調試狀態下更好地觀測模塊內部冷卻液和各芯片的工作情況，在不影響密封性以及安全性的條件下，設計了透明亞克力板和鋁合金材質的兩款液冷模塊蓋板。安裝透明模塊蓋板的浸沒式液冷模塊在不含冷卻液時的實際質量為6.8 kg，含冷卻液時的實際質量為9.72 kg；安裝鋁合金材質模塊蓋板的浸沒式液冷模塊在不含冷卻液時的實際質量為7.46 kg，含冷卻液時的實際質量為10.38 kg，滿足設計需求。

浸沒式液冷模塊實際調試運行時的總功耗約為120 W，在常溫條件下，沒有通冷卻液時，模塊自然散熱，調試運行時，CPU芯片的溫度約為84.4°C。將模塊灌滿冷卻液，開啟循環泵，給定的進液口流量約為3.9 L/min。冷卻液循環流動后，模塊調試運行時，冷卻液進液溫度為35.7°C，出液溫度為37.2°C，溫升為1.5°C。同時，液冷模塊運行時密封性良好，無滲液現象。此外，對浸沒式液冷模塊的功能、性能進行了相關驗證測試，均能正常通信并達到一定的速率，滿足項目的各項指標要求。

5 結束語

本文選用新型浸沒式液冷技術，對國產化加固型模塊進行了結構設計。該模塊結構緊湊，對外接口整齊明了，能量利用率高，拆裝方便。在此基礎上進行了熱仿真分析，并試制樣機進行了驗證測試。測試結果表明，其各項指標均能滿足項目需求。該研究可為后續浸沒式液冷技術在國產化加固計算機領域的推廣應用提供參考。后續將對模塊進行輕量化設計，并對模塊右側功能芯片區的散熱方式進行優化。同時也將對其他國產化處理器在該平臺上的應用做進一步研究。