伺服器巿場展望及散熱設計

刊登日期:2015/11/5
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隨著 Apple的 iOS 與 Google 的 Android 平台,開啟了行動上網平台的新紀元,愈來愈多的商業行為、社群網站、影音遊戲、資料傳輸等都在網路上完成,造成PC逐漸被行動裝置取代。但由於網路的 App 服務平台越來越多,更多的資料中心才能滿足消費者的連網需求,使伺服器成為行動裝置之外,另一個快速成長的新藍海巿場。

伺服器散熱技術
1. 水冷方式
採用水冷來冷卻電腦主機已超過 20年,水冷系統的優點:①高散熱效能,h值(熱傳達係數)達 2,500~2,000 W/m2C;②高帶熱能力,Cp 值為空氣的 4.2倍,密度為空氣的 830倍;③封閉迴路系統,無空氣灰塵累積問題;④耗能低。缺點:①封閉迴路系統,有漏水疑慮;②流體會導致電子元件短路而損壞;③價格高。由於水冷有高效能的優點,對於高散熱能量及高密度熱量特別有效,假設有一 10mm × 10mm 的 200W 晶片,上面只容許 100mm × 100mm 的平板散熱面積,風速或水流速可以無限大,我們可以利用下列公式來估算必要的 h值及風速/水流速。圖十一為散熱系統的示意圖。



圖十五、 (a)與(b)水冷系統實物構造;(c)富士通PRIME HPC水冷系統

2. 氣冷散熱
氣冷為電子散熱的主要運用方式,由於空氣存在於周遭環境,隨處可得,取之源源不絕,所以不需採水冷的迴路系統,可以採開放迴路系統,被加熱的空氣直接排出系統外,冷空氣直接從進氣口吸入做持續的循環散熱。由於氣冷散熱是開放系統,所以構造簡單、價格低,沒有水冷系統的漏水疑慮,因而成為中低功率電子散熱的主流設計方式。但是由於空氣的 ρ密度低,Cp 熱容量低,造成 Re 數及 Pr 數低,導致h值很難超過 100 W/m2 ˚C。為了提升散熱能力,通常要提升風扇的轉速,但也帶來噪音的問題;存在於空氣的微小灰塵,也會日積月累造成系統內的散熱片間隙卡髒污的灰塵;也因為空氣的密度( ρ )低及熱容量( Cp )低,當設計大的散熱功率時,更大的風量所需要的風管會佔用更多的散熱空間。

伺服器散熱設計參考流程
2. 各項設計參數對效能的影響
由上述各項分析可知,M 值要控制在 1~1.5 之間,由於 M 是由 4個重要參數 h/k/t/b 決定,當某一個參數變動時,另一參數要跟著變動,才能維持原本的效率。例如風速h增強時,Fin 厚度要跟著增加;或是 Fin 長高時,Fin 厚度也要跟著增加。例如在 h =45 W/m2 ˚C,k = 200 W/m˚C 情況下,Fin厚度跟高度的相對變化如圖廿三,1U Cooler(圖廿四(a))由於高度只有 21 mm,Fin 厚度採 0.2t(圖廿三淺色點線),M 值仍在建議區間;但如果 2U Cooler 高度有 65 mm,Fin 厚度採 0.2t,M 值則已超過 3(圖廿三淺色點線),已是不良的設計。縱使 Fin 厚度增加到 0.3t(圖廿三淺色虛線),M 值已超過 2.4,因此 2U 的Cooler(圖廿四(b))通常要有熱管的配置,以增加散熱的效益  ……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。



圖廿三、鰭片高度(b) vs. 鰭片厚度(t) vs. 鰭片參數M值

作者:陳恆隆/雙鴻科技股份有限公司
★本文節錄自「工業材料雜誌」347期,更多資料請見下方附檔。


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