多样化算力对服务器的散热挑战分析

doi:10.12267/j.issn.2096-5931.2024.02.008

摘要/Abstract

摘要：

多样化算力对于服务器散热设计提出严峻挑战,在对服务器散热问题进行解析之后,给出了通用算力和智算算力服务器散热受限的主要原因,并从工质是否相变的角度对常用的散热技术重新进行梳理与分类;对冷板式和浸没式液冷技术规模商用受限的核心限制因素进行分析与介绍;对常用的无源两相散热技术的问题和使用前景进行概述。最后,提出推动跨层级的合作会更有效的应对服务器散热挑战。

关键词: 多样算力, 服务器, 散热, 液冷, 无源两相散热, 跨层级合作

Abstract:

The diverse computing power presents significant challenges in server thermal design. This paper analyzes the cooling issues related to servers and identifies the main reasons for the limitations of thermal design in both general-purpose computing and intelligence computing servers. It also reclassifies commonly used thermal technologies based on whether the working medium changes phase. Then, this paper analyzes and introduces the core limiting factors that restrict the commercial scalability of cold-plate and immersion liquid cooling technologies,and gives an overview of the issues and prospects of common passive two-phase technologies. Finally, it proposes that cross-layer collaboration and cooperation are key factors in addressing the thermal challenges in servers.

Key words: diverse computing power, server, thermal design, liquid cooling, passive two-phase heat dissipation, cross-layer collaboration

中图分类号:

TN929.11

李建, 阮迪. 多样化算力对服务器的散热挑战分析[J]. 信息通信技术与政策, 2024, 50(2): 46-54.

LI Jian, RUAN Di. Analysis of thermal challenges in servers for diverse computing power[J]. Information and Communications Technology and Policy, 2024, 50(2): 46-54.

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http://ictp.caict.ac.cn/CN/Y2024/V50/I2/46

图/表 10

参考文献 8

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热边界条件	CPU	GPU
空间	通用计算服务器的高度和深度空间限制CPU散热器的尺寸	GPU服务器的高度空间比较灵活
硬件架构	存算串联的通用计算架构的高流阻限制了系统风量	8卡与16卡串/并联限制了散热器的设计 GPU卡的前后热级联效应
芯片封装	栅格阵列(Land Grid Array,LGA)的封装对散热器的高刚度要求限制了高性能传热技术的应用	2.5D或3D等多DIE合封带来的热流密度和温度规格不均的问题裸DIE芯片设计带来的散热器安装应力问题
其他	X86架构芯片主要为Intel和AMD,可选择性较少	处于垄断地位的芯片厂商强势的商务策略,GPU散热方案不能自主设计,限制了风道的优化使用
总结	空间限制和芯片封装设计是主流CPU芯片散热受限的核心原因	多卡级联和芯片封装设计是GPU芯片散热受限的核心原因

热边界条件	CPU	GPU
空间	通用计算服务器的高度和深度空间限制CPU散热器的尺寸	GPU服务器的高度空间比较灵活
硬件架构	存算串联的通用计算架构的高流阻限制了系统风量	8卡与16卡串/并联限制了散热器的设计 GPU卡的前后热级联效应
芯片封装	栅格阵列(Land Grid Array,LGA)的封装对散热器的高刚度要求限制了高性能传热技术的应用	2.5D或3D等多DIE合封带来的热流密度和温度规格不均的问题裸DIE芯片设计带来的散热器安装应力问题
其他	X86架构芯片主要为Intel和AMD,可选择性较少	处于垄断地位的芯片厂商强势的商务策略,GPU散热方案不能自主设计,限制了风道的优化使用
总结	空间限制和芯片封装设计是主流CPU芯片散热受限的核心原因	多卡级联和芯片封装设计是GPU芯片散热受限的核心原因

对比项	单相散热技术	两相散热技术
传热类别	显热工质单相温度变化发生	潜热伴随相变发生
换热量及相关量	Q_显热=Cp×M×△T 取决于流量、温差和工质本身的物性参数 —	潜热m×γ γ:物性参数取决于两相循环的速度
代表技术	风冷换热单相冷板式单相浸没式 —	环路热管技术、均温板技术热虹吸技术、脉动热管技术热管技术、两相冷板式两相浸没式
优缺点	优点:技术门槛相对较低,成熟度高缺点:效率相对较低	优点:效率相对较高缺点:技术门槛相对较高

对比项	单相散热技术	两相散热技术
传热类别	显热工质单相温度变化发生	潜热伴随相变发生
换热量及相关量	Q_显热=Cp×M×△T 取决于流量、温差和工质本身的物性参数 —	潜热m×γ γ:物性参数取决于两相循环的速度
代表技术	风冷换热单相冷板式单相浸没式 —	环路热管技术、均温板技术热虹吸技术、脉动热管技术热管技术、两相冷板式两相浸没式
优缺点	优点:技术门槛相对较低,成熟度高缺点:效率相对较低	优点:效率相对较高缺点:技术门槛相对较高

衡量指标	具体指标	通用计算服务器	AI计算服务器
MTBF	整机MTBF/h	110 000	47 000
	年化整机故障率 ≈24×365/MTBF	8%	18.6%
	实际年化整机故障率	6%~8%	20%~30%
MTTR	MTTR/h	<1	N/A
MTTR	实际维修时效/h	<48	<48