谷研究 l 3D打印冷却系统用于下一代微处理器的散热

现代数据中心容纳数千台服务器，每台服务器都有两个或更多个发热微处理器。微处理器每平方厘米可以轻松产生超过40瓦的热量，随着半导体技术的不断发展，未来的微处理器有望产生更高的热通量，伴随而来的难题就是这些微处理器的下一代冷却系统的开发与制造。

正在进化中的冷却系统

总的来说，数据中心内所有服务器产生的热量都很大。遗憾的是，使用传统的空调系统从数据中心去除这些热量是昂贵且低效的。在数据中心安装空调需要大型计算机房空调（CRAC）单元，空气处理设备和相关管道都需要大量的前期资本投入，另外维护CRAC单元的持续运营是另外一项不菲的开支。此外，CRAC装置的热力学效率较差，这意味着数据中心每月的公用事业成本较高。为了降低运营数据中心的成本，从而降低依赖于数据中心的云计算服务的成本，迫切需要更有效地冷却数据中心内的服务器。

3D科学谷了解到根据美国能源部的数据，美国近三成的电力用于为数据中心和计算机设施供电。大约一半的电力用于电力调节和冷却。由于依赖于复杂电气部件（包括电池，逆变器和电动机）的混合动力和电动车辆的采用越来越多，因此运输系统中也需要更有效的冷却系统，使得电气部件产生的大量热量得到有效消散量。

为了节省能量，企业在开发新的冷却系统，可以使微处理器在较低温度下运行，为微处理器提供始终如一的较低操作温度还可以延长其使用寿命，并且可以避免由于不安全的结温导致的不必要的节流（动态频率缩放）或计算机的停机时间。

下一代微处理器的运行速度将继续增加，下一代微处理器产生的热通量（定义为每单位面积的热负荷）也将继续增加。传统的空气冷却系统很快就无法有效地冷却这些下一代微处理器。因此，新的冷却系统需要比现有的空气冷却系统明显有效和高效，能够管理由下一代微处理器产生的高热通量。

泵送液体冷却系统可以提供优于传统空气冷却系统的散热性能。泵送液体冷却系统通常包括通过管道连接的以下部分：连接到微处理器的散热器，液体 - 空气热交换器，以及使液体冷却剂循环通过系统的泵。当液体冷却剂通过散热器中的通道时，来自微处理器的热量通过导热散热器传递到冷却剂，从而提高冷却剂的温度并将热量从微处理器传递出去。散热器通常设计成通过最大化液体通过的通道的表面积来最大化热传递。散热器可以是微通道散热器，利用液体冷却剂流过的细翅片通道。然后，离开散热器的液体冷却剂循环通过液体 - 空气热交换器，在热交换器中，热量被排出到周围的空气中，冷却后的液体冷却剂循环回到泵进行另一次循环。

这种封闭式液体冷却系统的使用正开始从高性能计算机推广到个人计算机。遗憾的是，现有的液体冷却系统具有性能限制，这使得这种方法很难有效地冷却下一代微处理器。这是因为如果在使用水或水 - 乙二醇混合物的液体在冷却系统中发生泄漏，水将破坏服务器并可能破坏整个机架的服务器。根据3D科学谷的市场研究，由于单个服务器的价格为数千美元甚至数万美元，许多数据中心运营商根本不愿意接受水基液体冷却系统带来的损失风险。

虽然比空气冷却更有效，封闭式液体冷却系统需要显着的液体冷却剂流速，实现高流速通常需要高流体压力。因此，设计用于冷却现代微处理器的液体冷却系统可能需要大型泵或位于整个液体冷却系统中的一系列小型泵，以确保足够的液体冷却剂压力和流速。操作大型泵或一系列小型泵会消耗大量能量并降低冷却系统的效率。此外，使用一系列小型泵会增加冷却系统出现机械故障的可能性，从而导致不必要的设备停机。

3D打印将复杂的冷却简单化

根据3D科学谷的市场研究，如果没有冷却系统领域的进一步创新，下一代微处理器的实施将受到阻碍。

根据3D科学谷的市场观察，Ebullient LLC正在通过3D打印技术和其他技术的结合来提供下一代微处理器的冷却解决方案。与水不同，介电冷却剂可以与电子设备直接接触而不会对其造成伤害。遗憾的是，介电冷却剂的比热比水低，因此它们不适合用于单相泵送液体冷却系统。例如，一些电介质冷却剂，例如某些氢氟醚具有约1300J /（kg-K）的比热，而水具有约4,181J /（kg-K）的比热。这意味着通过合理地加热介电冷却剂流来冷却微处理器将需要比用于通过合理地冷却相同微处理器的水的流速高大约四倍的流速。这种较高的流速需要更多的泵功率，这意味着更低的冷却系统效率。

图片：通过3D打印冷却装置110

Ebullient LLC正在开发的冷却解决方案具有高效率、模块化、灵活、快速连接、小尺寸和热插拔性的特点，冷却装置可以制成适合于结合在汽车，飞机和其他车辆中的较小尺寸，这可以结合到需要冷却的电池，逆变器和其他电子设备中，并且可以小型化以用于平板计算机以及手持移动电子设备中。散热器模块*的冷却剂通道可以通过3D打印技术直接形成在移动设备的电路板上。当然，3D打印还可以直接将冷却剂通道打印在移动设备的处理器，存储器模块或其他电子组件上。

参考资料：US9852963B2microprocessor assembly adapted for fluid cooling

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