在空冷散熱之後

閱讀時間約 4 分鐘
隨著新一代Intel Birch Stream-AP的問世,高達500W的TDP,敲碎了空冷散熱的希望。雖然Eagle Stream 與 Birch Stream-SP 350W的負擔,勉強地用EVAC增加吃風面積達到了要求,但是不可避免的讓Heatsink一路的長大。終於,大到了不可接受的地步。
在未來的散熱路線上,Intel提出了三種選擇:
1. Cold Plate 冷板散熱
2. Single-phase immersion cooling 單相浸沒式冷卻
3. Two-phase immersion cooling 二相浸沒式冷卻 (沸騰散熱)
在概念上基本上就是對流散熱和汽化散熱兩者的排列組合

EVAC (Extended Volume Air Cooling)

EVAC 是試圖守住全空冷散熱的一次渾身解數的嘗試,能用上的東西全用上了,在傳統Heatsink底下放Vapor chamber, 往上往兩側串熱管,把吃風面積盡可能的張開,但終究還是走到了極限。
在BHS-AP的散熱介紹上,2U Heatsink with HP能撐到400W,2U EVAC能頂到 450W+50W(TBD),500W+則已經是放棄使用空冷了。

Cold Plate Cooling

基本上這就是以前說的liquid cooling,但可能是為了避免混淆,我看大家現在比較少用這種說法了。這算是空冷和直接液冷的一種過渡,可能對PC還行,但是對散熱來說是一種不完美的方案。
雖然頭上的冷板能力比起Heatsink來說能力有所增強,體積也小到可以放進1U,但是有它內生的限制。
首先是因為配管方便一般都會做成shadow core (CPU 前後擺)的形式,做成spread core 上面偌大粗的管子會變4根。但是這樣擺,不管是兩側的空冷或是中央的液冷都會受到前方preheat的影響,並不理想。
再來是最大的問題,漏夜。這東西一旦漏夜就很麻煩了,雖然液體只要不用水就不會有導電問題,但是整台機器或是機櫃在那邊滴油......想起來就是場災難。
最後是配管拉出去最後還是得接上CDU,那感覺不如就乾脆用整機液冷了,熱的東西也不是只有CPU。
這你要說空冷液冷優點兼具或是缺點兼備,只能說是看需求決定了。
另外,冷板散熱其實也有二相流版本,散熱效果比起單相又高了一個檔次,同時串聯不受preheat影響,漏氣感覺也還好,也是一種被寄予厚望的散熱方法。

Single-Phase Immersion Cooling

GRC immersion cooling solution
看看這靜謐的水面,如此充滿科技感,所謂單相浸沒式就是大家泡在油裡面,用流動帶走熱量。簡單粗暴,也是未來高瓦數散熱路線的主要競爭者之一,和二相式直接競爭。單純比散熱能力,其實比二相式遜色不少,但是在只是更換對流介質的狀況下,以前開發出來的招式,在這個環境中基本可以無縫接軌,頂多就是heatsink開發時要注意一下黏滯性問題。
先來說說好處,在更換介質的狀況下,整個datecenter的體積可以小好幾倍 (當然,他有室外機就是了)
左邊是傳統air cooling,右邊是改用lquid tank
再來是無毒,(對,二相式是有毒的),比起二相式現有的選擇只有氟化物,單相式可以選擇油類,相對來說對環境好很多。在單相浸入式方案,Intel分享的廠商有 GRC和submer,台廠目前缺席。

Two-Phase Immersion Cooling

利用低沸點的介質,CPU上面掛一個特製的毛細板,把液體加熱到沸騰利用相變化潛熱帶走熱量,最後透過上方冷凝管把氣相重新凝結 (所以它其實也有室外機)。散熱能力為四種之最,但是有兩個重大的問題,一是氟化物是溫室氣體,有毒,二是瓦數不夠高,效果出不來,沒有沸騰的水只是靜態的水。
目前廠商只有LiquidStack,(如此先進的方法,台廠當然再度缺席),但是受到看好的程度不下單相流,緯創甚至直接投資,買了一席董事。比起單相式,二相式算是更新的技術,但不管未來哪一種成為主流,對於傳統空冷散熱工程師都是一次大的更新。不管是哪種,Intel 預估到了2025,datacenter大概會有20%採用liquid cooling方案,大家拭目以待。
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其實原篇章名是水冷基本架構,但是現在水冷也走到了直接液冷,為了避免混淆只好把他們區隔一下,這裡提的是較為傳統的冷板散熱,重點加強CPU散熱的類型,比起最新直接液冷類型,顯得比較像是過渡版了。
在開始之前,可能需要對熱阻之類的東西有一些基本的認識 : IC的熱相關參數: 熱阻與熱特性參數 IC的熱相關參數: 熱傳遞路線與THERMAL METRIC 記憶體上面主要的發熱源為一顆顆的晶粒 容量越大的記憶體,基本上發熱量就越大。其中每一個廠商的晶粒熱特性也不盡相同,這邊參考的資料是美光的。 D
在這兩篇曾經提過PCB Layout對於晶片溫度有著不小的影響: IC的熱相關參數: 熱傳遞路線與THERMAL METRIC IC的熱相關參數: 熱阻與熱特性參數 這篇透過3種狀況來比較其表現,分別是: 載入真實線路,等效熱傳導係數,以及一整塊FR-4,分別對應Rjb從大到小,讓大家用模擬感受一下
對IC來說,熱是可能致命的,也因此對於溫度有著許多規格,但是也因此有著許多誤解。以下稍微說明關於各項溫度的定義; Junction Temperature: IC內部的最高溫度(基本上就是晶片發熱的位置) Ambient Air Temperature: 環境溫度,但是其實在不同協會中定義略有不同,
熱傳遞路線 一個典型的IC封裝大概長這樣,下面是內部結構和背面的示意圖 於是經過簡化後,一顆IC打在PCB上可以簡化成這樣子的一個模型 以晶片為發熱體,熱的路徑可能從樹脂走,可能通過PCB走到背面,可能走Lead frame,或是各種意想不到的方式,但是主要的路徑是以下這兩條 按照這個簡化模型的熱阻
熱阻(Thermal resistance)是一個將熱傳導以類似歐姆定律的方式表達,簡單好記因而獲得廣泛流傳,但是也因此遭到誤用的狀況也是層出不窮。 而熱阻本身的用意是為了讓不同公司的產品在熱表現上有可比性,因此放在相同的測試板上進行測量。測試方法在JEDEC51-1~51-11的文件上有嚴格的定義
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