伺服器巿場展望及散熱設計：材料世界網

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