服務器散熱技術綜述

摘要：作為支撐云計算的重要基礎設施之一的服務器，其散熱問題已經成為制約服務器發展的一大障礙，本文介紹了服務器散熱技術的發展路線，并詳細分析和梳理了當前國內外典型的服務器散熱技術。

關鍵詞：服務器；散熱；制冷

       在云計算產業發展浪潮風起云涌的背景下，越來越多的數據中心建立起來，服務器作為數據中心最核心的設備，其高性能、高可用性、高性價比成為衡量服務器好壞的重要指標。由于服務器體積有限，眾多大功率電子元件在其內長時間、高負荷的運行，能否及時地將電子元件產生的熱量傳遞到外部直接關系到服務器運行的穩定性。因此，服務器的散熱問題成為制約服務器發展的一大障礙。本文通過對國內外有關服務器散熱技術進行分析和梳理，可以發現服務器散熱技術的發展路線，從中確定服務器散熱技術。

一、服務器散熱技術發展路線

       服務器散熱技術的發展大致可以分為三個階段：

     （一）1965 年至 2000 年為技術萌芽期：服務器散熱技術已在國外出現，但是發展較為緩慢，這是由于當時大型計算機和服務器的發展剛處于起步期，這個時期的服務器散熱主要借鑒個人計算機的散熱技術，以傳統的風冷技術為主，同時也出現了液冷技術，主要是將電子元件浸沒于無導電性的冷卻液中，而且受限于當時的材料技術發展，散熱器的制造成本高。

     （二）2001 年至 2009 年為技術成熟期：此時隨著互聯網時代的到來，對服務器的散熱要求越來越高，除了對傳統的風冷技術和液冷技術的改進外，還出現了對風扇控制的智能控制技術，隨著材料技術的發展，散熱器的制造成本也隨之下降。

     （三）2010 年至今為高速發展期：隨著云計算的發展，有更多的數據中心建立，越來越多的服務器需要在有限的空間中布局，而散熱問題則成了數據中心需要解決的頭號問題，此時，智能控制技術成為研究重點，新散熱材料的出現也給散熱領域帶來了新的生機。

二、服務器散熱技術

       服務器散熱技術主要有：風冷散熱、液冷散熱、熱轉移和智能控制。其中，風冷散熱和液冷散熱依舊是服務器散熱技術領域的兩大核心技術，另外，服務器散熱領域最大的一個技術特點就是很少單獨使用一種散熱技術。

（一）風冷散熱

       風冷散熱的原理簡單來說都是引導風走向，將冷風往發熱元件吹入，或者將熱風從發熱元件抽出。常見的技術有風扇和導風罩，前者可以采用抽風風扇或者吹風風扇，后者可以按照特定的風道引導風走向，在散熱過程中形成特定的氣流流通方向。

       其代表方式有：

       1. 在服務器主板上安裝大量的冷卻設備，通過冷卻設備將主板上的電子元件產生的熱量導出，之后在服務器機柜的上方和下方都安裝大量的風扇，熱量通過風扇產生的氣流帶走，從而達到散熱效果。

       2. 將導風罩放置于服務器主板的電子元件上，其前端連接風扇組形成入風口，后端設置于主板后端且出風口管徑縮減，以形成對流區，同時有分割部件分割對流區，阻隔部件、密封部件和分割部件形成的區域即為對應的風道，而產生熱量的電子元件正好位于風道內，其產生的熱量通過風道中的氣流帶走，從而達到散熱效果。

（二）液冷散熱

       液冷散熱的原理簡單來說就是采用熱對流或熱傳導的方式，通過液體的浸沒或流動將發熱元件的熱量帶走。常見的液冷方式有：浸沒和液冷回路。由于電子元件遇水極易損壞，因此浸沒采用的液體是油、氟化物等不易導電的液體，而液冷回路則是將電子元件與一個封閉式的液體回路接觸，通過液體流動將電子元件產生的熱量帶走，液體常采用冷水。

       具體的代表方式有：

       1. 服務器設置為密閉的容器，其中裝了大量的液體冷卻劑，例如氟化烴，能夠淹沒服務器中的所有芯片，在液體冷卻劑的上方留有一部分空氣空間，可以在服務器氣溫升高時進行氣體壓縮變成液體，芯片是浸沒在液體冷卻劑中的，液體冷卻劑通過蒸發和冷凝帶走芯片的熱量，蒸汽從冷卻劑上升起，然后凝結成液滴流下融入冷卻劑，在密閉的容器中，液體冷卻液和蒸汽可以按照一定的路線循環，冷卻液蒸發后帶走熱量，經過散熱板冷卻后變成液體又再融入冷卻劑中。

       2. 服務器中的發熱元件組成單體，其產生的熱量通過水冷套管散除，冷卻液向表示液體循環的方向流動，通過微型泵驅動冷卻液，首先通過冷卻套管，經熱交換器被放熱，返回微型泵，在服務器機殼中設置固定配管、第一受熱部分、第二受熱部分和大型泵，打開設在機殼的固定配管中的開關閥，冷卻液分別獨立且并行地向各單體循環，各單體內的水冷套管、熱交換器和機殼內的第一受熱部分、第二受熱部分熱接觸，將各單體的發熱元件產生的熱傳至機殼，然后通過機殼整體自然散熱或設在機殼內的冷卻風扇被強制釋放到空氣中。

（三）熱傳遞

       熱轉移的原理是采用熱傳導的散熱方式，即將熱量由高溫物體傳遞給低溫物體。常見的散熱技術有：散熱片、冷卻板和半導體板。采用半導體板的散熱技術是基于帕爾帖原理，即利用當兩種不同的導體 A 和 B 組成的電路且通有直流電時，一個接頭釋放熱量，另一個接頭吸收熱量，當改變電流方向時吸熱和放熱部分互換，從而達到散熱效果。

（四）智能控制

       智能控制的原理是采用傳感器監測服務器內部的溫度和負載，并通過相應的控制電路調節風扇轉速或液體流速，屬于一種智能化散熱。

       具體的代表方式如下：

       電源向 CPU 和冷卻風扇提供電力，冷卻風扇在工作時，引導氣流流過 CPU 和其他部件，控制器根據電源單元和溫度傳感器送來的信息，控制冷卻風扇的工作，在電源單元上還有一個負荷傳感器，該負荷傳感器監視或檢測表示電源單元的負荷的參數，控制器根據估算的電源負荷以及監測的溫度，啟動從電源加到冷卻風扇上的電壓并將其調節到適當的電平。

結語

       本文詳細對服務器散熱技術進行了梳理和分析，從整體來看，隨著服務器制造技術的發展，服務器散熱技術也越發趨于成熟。目前，對服務器散熱技術的需求仍然處于上升階段，期待涌現更多更好的散熱技術。

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