摘要：隨著信息技術的快速發(fā)展,高性能服務器的需求不斷增長。為了保障服務器長期可靠穩(wěn)定運行,合適的散熱技術顯得至關重要。本文以某高性能機架式服務器為研究對象，分析對比服務器在強制風冷和間接液冷兩種散熱方案下的散熱效果。結果表明：在低負荷下，強制風冷散熱方式和間接液冷散熱方式的效果差別不大；在高負荷下，間接液冷的散熱效果優(yōu)于強制風冷。
1.研究背景
隨著信息技術的快速發(fā)展,尤其是 5G 通信技術的出現(xiàn)，支撐大數(shù)據(jù)運行的服務器需求不斷增長。為了保障服務器穩(wěn)定運行,合適的散熱技術顯得至關重要。機架式服務器是指按照工業(yè)標準可以直接安裝在 19 英寸寬機柜中的服務器。目前機架式服務器的主流散熱方式為強制風冷和間接液冷。本文以某高性能機架式服務器為研究對象，分析對比服務器在強制風冷和間接液冷兩種散熱方案下的散熱效果。
2.基于強制風冷的服務器散熱仿真研究
2.1 機架式服務器風冷仿真模型建立
本文研究的機架式服務器的外形尺寸 為 445 mm×720 mm×87 mm，內部包含電源模塊、CPU（兩個）、內存、硬盤、風扇等部件。服務器內部主要發(fā)熱部件及熱功率如表 2.1 所示，圖 2.1 為強制風冷服務器簡化模型。
2.2 仿真邊界條件設置
一般情況下，當流體速度小于 1/3 風速（340m/s）時，可將流體看作不可壓縮流體，因此可將服務器內部空氣視作不可壓縮流體。本節(jié)使用 flotherm 軟件，對機架式服務器進行強制風冷仿真計算。服務器內部一共有 6 顆軸流式風扇，其中電源模塊單獨有一個軸流風扇冷卻。軸流風扇采用吹風散熱方式冷卻 CPU 和內存，硬盤最靠近進風口，出風口壓力設為大氣壓力，環(huán)境溫度設為 25℃。
2.3 仿真結果分析
服務器散熱效果評價指標有 CPU、內存、硬盤的最高溫度。環(huán)境溫度 25℃，忽略服務器與外界環(huán)境的輻射換熱，分別對服務器低負荷和高負荷兩種狀態(tài)進行仿真。下圖2.2 和圖 2.3 分別為低負荷和高負荷下服務器的溫度云圖。
從圖 2.2 和圖 2.3 可以看出，無論是低負荷還是高負荷，服務器內部最高溫度出現(xiàn)在 CPU 上，其次是內存的溫度較高，而硬盤最靠近進風口，其溫度最低。
下表 2.2 為服務器主要發(fā)熱部件的溫度匯總表。在低負荷狀態(tài)下，服務器各部件的溫度均得到較好的控制，CPU 溫度低于長期運行允許的溫度值（95℃）；而在高負荷狀態(tài)下，CPU 的溫度急劇上升，超過了峰值允許的溫度值（110℃）。
3.基于間接液冷的服務器散熱仿真研究
3.1 機架式服務器液冷仿真模型建立
間接液冷機架式服務器的外形尺寸為 445 mm×720 mm×87 mm，內部包含電源模塊、CPU（兩個）、內存、硬盤、液冷板、水泵等部件。服務器內部主要發(fā)熱部件及熱功率如表 2.1 所示，圖 3.1 為間接液冷服務器簡化模型。
一般情況下，當流體速度小于 1/3 風速（340m/s）時，可將流體看作不可壓縮流體，因此可將服務器內部空氣以及流道內液體視作不可壓縮流體。本節(jié)使用flotherm 軟件，對機架式服務器進行仿真計算。服務器內部一共有 4 顆軸流式風扇，其中電源模塊單獨有一個軸流風扇冷卻。軸流風扇采用吹風散熱方式冷卻CPU 和內存，硬盤最靠近進風口，出風口壓力設為大氣壓力，環(huán)境溫度設為 25℃，液冷板入口流體溫度為 25℃。
3.2 仿真結果分析
服務器散熱效果評價指標有 CPU、內存、硬盤的最高溫度。環(huán)境溫度 25℃，忽略服務器與外界環(huán)境的輻射換熱，分別對服務器低負荷和高負荷兩種狀態(tài)進行仿真。下圖3.2 和圖 3.3 分別為低負荷和高負荷下服務器的溫度云圖。
從圖 3.2 和圖 3.3 可以看出，在低負荷狀態(tài)時，最高溫度出現(xiàn)在內存上，當服務器處于高負荷時，服務器內部最高溫度出現(xiàn)在 CPU 上，其次是內存的溫度較高，而硬盤最靠近進風口，其溫度最低。
下表 3.1 為服務器主要發(fā)熱部件的溫度匯總表。在低負荷狀態(tài)下，服務器各部件的溫度均得到較好的控制，CPU 溫度低于長期運行允許的溫度值（95℃）；在高負荷狀態(tài)下，CPU 的溫度稍有上升，但沒超過峰值允許的溫度值（110℃）。與強制風冷相比，間接液冷方式下，內存和硬盤的溫度稍有升高，這是因為減少了風扇的原因；而 CPU 的溫度降低了，因為水的導熱系數(shù)和比熱容等遠大于空氣的導熱系數(shù)和比熱容。因此對于高負荷的服務器，建議采用間接液冷散熱方式。
4.總結
目前世界各國均在大力發(fā)展通信技術，良好的散熱效果是保證服務器長期穩(wěn)定運行的關鍵因素。對服務器進行良好的散熱設計，將 CPU、硬盤、內存等部件的工作溫度控制在許用范圍內，才能有效保證服務器擁有較好的工作能力和較長的工作壽命。本文對服務器散熱方式進行研究，并對其進行溫度場仿真，最后對結果進行分析，得出的結論可以作為服務器散熱設計的參考。
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