兩相浸沒式冷卻的案例
電子設備兩相冷卻創(chuàng)成式設計的突破性進展
本文研究創(chuàng)成式設計和先進的兩相冷卻仿真技術相結(jié)合，用以高效地設計兩相冷卻電子設備。文章首先通過數(shù)值模型的討論，簡要地解釋了創(chuàng)成式設計的方法，形成最終的概念驗證設計。
01兩相冷卻模型
近年來，計算機模擬成為新產(chǎn)品設計周期的一個重要組成部分，隨著計算能力的提高與先進數(shù)值模型的發(fā)展，復雜問題的模擬更加準確和快速。在新產(chǎn)品的設計周期中采用計算機仿真技術，從時間和成本來看，大大提高了開發(fā)過程的效率。與實驗測試對比，該方法往往更加實惠且較強的擴展性，這意味著僅僅需要一小部分成本便能探索更廣泛的設計空間。
當以模擬計算來代替實驗時，其計算的準確性尤為關鍵。仿真模擬依靠的是與物理行為相近的數(shù)值模型，而模型的復雜性直接與性能和計算成本相關，因此選擇合適的數(shù)值模型成為設計過程中的一個基本步驟。在共軛傳熱問題中，固體和流體部分的仿真計算在一定程度上可獨立處理。
一種常見的方法是用熱阻模型或數(shù)值模型（如有限元）來模擬固體，流道以一維模型來近似模擬流體，如表 1中所述。固體和流體之間的傳熱是沿通道的溫差乘以對流換熱系數(shù)來計算的，通常對流換熱系數(shù)由努塞爾數(shù)相關關系中獲得。這種方法在計算上是比較友好，因為忽略了流體特性的局部變化，如邊界層和湍流，因此使用該設計方法得到的設計結(jié)果可能有一定的誤差。
表 1：一維法和有限體積法比較
另一種方法是建立全三維模型來模擬固體和流體，在這種情況下，兩相流動被完全模擬，固體和液體之間的熱交換只取決于固體和鄰近壁面的液體單元之間的溫度差，雖然計算成本較高，但這種方法對問題的物理意義可更好的進行解釋，因此此方法可得到更準確的結(jié)果。
與單相流相比，兩相流的復雜性要高得多。流動相之間的相互作用和每一相物理特性的差異，使得兩相流的模擬充滿挑戰(zhàn)性。
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此外，2-PIC簡化的冷卻結(jié)構可將物理數(shù)據(jù)中心占地面積減少高達60%，同時確保最佳冷卻能力以支持下一代高性能計算應用，從而降低資本支出。回收和再利用兩相浸沒液的能力也為循環(huán)經(jīng)濟開辟了一條清晰的道路。
科慕全球技術高級總監(jiān) Natalia Duchini 表示，兩相浸沒式冷卻代表了巨大的市場空間，科慕很高興能夠進入這一領域并以如此重要的方式投資于當前和未來的需求。科慕的愿景是利用 Opteon 2P50 的性能和熱穩(wěn)定性樹立新的行業(yè)標準。除了通過增強熱管理性能在實現(xiàn) 2-PIC 技術方面發(fā)揮關鍵作用之外，科慕的這一新解決方案還將幫助企業(yè)和整個行業(yè)減少物理足跡和環(huán)境影響。
適用于 2-PIC 的科慕 Opteon 2P50 流體符合向較低全球變暖潛能值 (GWP) 產(chǎn)品的過渡。無論是用于浸入式冷卻應用、工業(yè)冷卻還是整個冷鏈，科慕 Opteon 產(chǎn)品都具有強大的可持續(xù)性特征，并在廣泛的應用中提供卓越的性能。
02
近期，全球領先的產(chǎn)品和解決方案制造商Chatsworth Products （CPI）宣布與ZutaCore建立戰(zhàn)略合作伙伴關系，ZutaCore是直接芯片介電液體冷卻技術的提供商，可有效吸收高功率處理器的熱量。數(shù)據(jù)中心所有者和運營商將有機會通過與 CPI 領先的 Data center 機柜解決方案完全集成的新興液體冷卻技術實現(xiàn)可觀的數(shù)據(jù)中心能源效率。
谷歌、Meta、AWS 和 Microsoft 等領先的超大規(guī)模企業(yè)正在為其數(shù)據(jù)中心基礎設施轉(zhuǎn)向液體冷卻，因為他們努力倡導可持續(xù)性，并通過耗電的深度學習處理器適應人工智能驅(qū)動的未來。
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JetCool 應用于服務器中的微對流液體冷卻技術“SmartPlate”，類似于安裝在某些高性能臺式計算機中的一體式水冷器，但區(qū)別在于，SmartPlate使用小型噴射器將冷卻劑噴淋到硬件熱點上，取消了填充在芯片和散熱器之間縫隙的導熱膏等界面材料，能夠最大限度地降低熱阻。
（5）CoollT Systems
CoolIT 成立于 2001 年，主要為數(shù)據(jù)中心和桌面電腦市場設計和制造先進的液體冷卻解決方案。CoolIT 獲得專利的液體冷卻技術能夠提高 IT 設備可靠性和使用壽命、降低運營成本、降低能源需求和碳排放、減少用水量，允許數(shù)據(jù)中心服務器獲得比傳統(tǒng)風冷方法更高的功率密度。
（6）TMGcore
總部位于美國德克薩斯州的 TMGcore ，擁有先進的 HPC 和加密計算浸沒式冷卻方案和產(chǎn)品。TMGcore 提供加密計算所用的單相浸沒式冷卻，以及 HPC 所用的單相、兩相浸沒式冷卻。TMGcore 與英特爾、戴爾、UNICOM Engineering、索爾維、3M 等領先企業(yè)建立良好的合作伙伴關系。
（7）Icetope
Iceotope 是在數(shù)據(jù)中心和邊緣計算精密液體冷卻技術領域處于領先地位的英國企業(yè)，成立于 2005 年。迄今為止，Iceotope 從 Aster 和 Ombu Group、nVent 等金融機構和企業(yè)獲得了 7330 萬美元資金。機箱級精密浸沒冷卻是 Iceotope 液冷技術的核心，與罐式浸沒解決方案相比，機箱級精密浸沒可最大限度地減少冷卻液用量，并且可以方便地安裝到行業(yè)標準機架中，提供機箱級別 100% 密封和獨立的液冷解決方案。
展開 液冷用氟化液企業(yè)概覽
液冷可分為冷板式液冷、浸沒式液冷、噴淋式液冷，其中浸沒式液冷實現(xiàn) 100%液體冷卻，具有更優(yōu)節(jié)能散熱效果，在超算、高性能計算領域取得了廣泛應用，預計隨著散熱要求的提高，其將成為未來數(shù)據(jù)中心主流的散熱技術之一。
冷卻液是液冷技術的關鍵材料，氟碳化合物具有合適的介電常數(shù)、比熱容、穩(wěn)定性及安全性，是目前最為常見的和受歡迎的電子設備冷卻液之一，預計隨著算力提升，數(shù)據(jù)中心冷卻液市場需求將快速提升。機構預估，到2025年，我國液冷服務器市場規(guī)模將達到1283.2億元。其中，浸沒式液冷市場占526.1億元，占比將超過40%。其中，對電子級氟化液的需求，有望超10萬噸。目前電子氟化液主要由 3M、索爾維等少數(shù)海外企業(yè)供應，國內(nèi)企業(yè)處于加速追趕狀態(tài)，（以下企業(yè)排序不分先后，若有遺漏歡迎聯(lián)系補充：153-7260-8052（微信同號））。
01
明尼蘇達礦業(yè)及機械制造公司
3M公司在20世紀50年代歷史性地開發(fā)了用于直接接觸冷卻高性能軍用航空電子設備的電介質(zhì)傳熱氟化液。1982年，F(xiàn)luorinert氟化液參與了 Cray-2 超級計算機系統(tǒng)設計，成為第一個用于超級計算的浸沒式冷卻劑。
3
M 冷卻液主要分為兩大類：以 3M? Fluorinert?電子流體命名的全氟碳化合物（PFCs）；以 3M? Novec?工程流體命名的氫氟醚（HFEs）。2022 年 12 月 20 日，因環(huán)保原因和原材料問題，美國 3M 宣布將退出全氟烷基和多氟烷基物質(zhì)（PFAS）的生產(chǎn)，并努力在 2025 年底前停止在其產(chǎn)品組合中使用 PFAS，預計將對全球半導體冷卻液市場產(chǎn)生重大影響，同時為國內(nèi)企業(yè)加速追趕提供新的發(fā)展機遇。
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AI數(shù)據(jù)中心 | 多物理場仿真助力優(yōu)化系統(tǒng)效率及成本
使用新思科技Redhawk-SC軟件、Exalto軟件和PathFinder-SC軟件進行片上系統(tǒng)驗證
通過熱管理保持冷卻
雖然具有高性能芯片的服務器機房一直是關注焦點，但其實AI數(shù)據(jù)中心高達60%的功耗，是用于為這些芯片降溫的系統(tǒng)。如果工程師可以減少服務器機房內(nèi)的熱量產(chǎn)生，那么將機房冷卻到合適溫度所需的功耗就會降低。
機架的配置方式以及空氣或水在機架和機房中的流動情況，對能源消耗的影響顯著。仿真軟件可以對各種機架和服務器配置進行建模，使工程師能夠找到綜合考慮計算性能、熱性能等方面需求的最佳方案。除了上述方案之外，工程師還可以對兩相冷卻和浸沒式冷卻等解決方案（單獨或組合使用）進行仿真，以確定數(shù)據(jù)中心核心的最佳配置，從而優(yōu)化計算性能、能耗、熱輸出、冷卻系統(tǒng)的效率和成本。
然而，即便數(shù)據(jù)中心的每個元件都經(jīng)過精心設計和構建，以最大限度地降低功耗和散熱，數(shù)據(jù)中心運行時仍會產(chǎn)生熱量。冷卻系統(tǒng)可以將這些熱量從服務器機房帶走，而在一個設計精良的數(shù)據(jù)中心里，這些熱量可以通過熱交換和余熱回收系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為電能——這些電能隨后可以在數(shù)據(jù)中心內(nèi)重復使用，替代原本需要從發(fā)電系統(tǒng)獲取的電力。借助Ansys Mechanical結(jié)構仿真軟件、Fluent軟件和Thermal Desktop軟件等仿真解決方案， 工程師能夠探索對整個AI數(shù)據(jù)中心進行功耗優(yōu)化可能的方案。
芯片級的不同熱管理仿真（左），液冷與風冷服務器機房的熱管理仿真（右）
數(shù)字孿生助力打造數(shù)據(jù)中心的未來
沒有哪家制造商或設計人員能夠獨立創(chuàng)建出優(yōu)化AI數(shù)據(jù)中心所需的全部組件。芯片公司負責制造芯片，服務器與網(wǎng)絡供應商負責構建使用這些GPU的系統(tǒng)，其他供應商則生產(chǎn)供暖、通風和空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)、電力調(diào)節(jié)與變壓系統(tǒng)、安防系統(tǒng)等。
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