運(yùn)用Ansys Icepak仿真技術(shù)，讓數(shù)據(jù)中心“冷酷到底”

2017-05-13 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

設(shè)備過熱是數(shù)據(jù)中心行業(yè)面臨的大敵。產(chǎn)生、存儲和分析大量信息需要更快速、密集度更高的處理能力。在實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)(IoT)必不可少的計(jì)算周期中同樣也會相應(yīng)產(chǎn)生巨大的熱量,必須想辦法消除。2013年,僅美國的數(shù)據(jù)中心就消耗了860億 kWh來冷卻服務(wù)器——這相當(dāng)于760萬個(gè)家庭的用電量。在全球范圍內(nèi),數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的耗電量約占每年發(fā)電量的1.5%。

為了減少巨大的行業(yè)電力需求,許多數(shù)據(jù)中心越來越多地利用液體冷卻法來補(bǔ)充甚至替代空氣冷卻系統(tǒng)。丹麥的Asetek公司是一家為數(shù)據(jù)中心計(jì)算設(shè)備提供液體循環(huán)冷卻系統(tǒng)的業(yè)界領(lǐng)先廠商。為響應(yīng)市場對于高密度和高度定制化服務(wù)器機(jī)架的需求,Asetek不斷創(chuàng)新,研發(fā)出的冷卻系統(tǒng)由若干個(gè)構(gòu)建模塊組成,能根據(jù)各種數(shù)據(jù)中心的需求進(jìn)行靈活配置。公司整個(gè)設(shè)計(jì)流程的一大重要環(huán)節(jié)就是利用ANSYS Icepak計(jì)算流體動力學(xué)軟件進(jìn)行熱仿真,這已成為優(yōu)化冷卻系統(tǒng)組件至關(guān)重要的工具。

液體循環(huán)冷卻系統(tǒng)

水是Asetek液體循環(huán)系統(tǒng)中的主要冷卻液。該系統(tǒng)直接“鎖定”服務(wù)器中熱流最高的區(qū)域。這樣的區(qū)域主要是CPU、GPU和存儲器模塊,其工作溫度范圍介于70℃至95℃(158 F至203 F)之間。每個(gè)機(jī)架冷卻設(shè)備的重要部件包括:金屬冷卻板、泵、防漏水快速連接器、液體入口管和出口管。冷卻板安裝在目標(biāo)區(qū)域的上面,負(fù)責(zé)將熱量從芯片傳遞給冷卻液,冷卻液隨后被泵抽出服務(wù)器機(jī)架,再流入機(jī)架的冷卻劑分配裝置。熱的冷卻劑流過液–液熱交換器,被設(shè)備中的涼水冷卻,然后重新流回服務(wù)器機(jī)架。

這種直接冷卻熱點(diǎn)區(qū)域的過程需要最大限度地提高系統(tǒng)的熱交換效率,才能冷卻特定的處理器或其他模塊。對于Asetek工程師來說,這意味著需要優(yōu)化冷卻板的表面積,冷卻板在該過程中負(fù)責(zé)將熱量傳遞給液體。冷卻板包含一系列微通道,冷卻液從這些微通道中流過。借助Icepak,Asetek團(tuán)隊(duì)可實(shí)現(xiàn)微通道的設(shè)計(jì)與配置,以便分析不同芯片的冷卻需求。

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圖1 CPU冷卻板的Icepak模型,其中固體區(qū)域?yàn)樽厣?液體區(qū)域?yàn)樗{(lán)色

冷卻板仿真

Asetek開始設(shè)計(jì)冷卻板之前,芯片制造商首先提供需要進(jìn)行冷卻的特定板卡或模塊的相關(guān)幾何數(shù)據(jù)和散熱要求。然后,Asetek工程師根據(jù)組件的復(fù)雜程度,導(dǎo)入3-D CAD幾何結(jié)構(gòu)或直接在Icepak中構(gòu)建板卡或模塊的幾何結(jié)構(gòu)。此外,工程師團(tuán)隊(duì)還需要在使用Icepak執(zhí)行整體熱分析之前,構(gòu)建冷卻板的幾何結(jié)構(gòu)。流體區(qū)域常用的網(wǎng)格尺寸介于100萬到300萬個(gè)單元之間。利用四個(gè)處理器進(jìn)行這種規(guī)模的仿真需要10到30分鐘。

這套系統(tǒng)可處理極端情況,即持續(xù)超頻、處于服務(wù)器指定的最高液體供應(yīng)溫度的芯片向冷卻液傳遞最大的熱量。此外,工程師必須創(chuàng)建更緊湊的設(shè)計(jì),以增大服務(wù)器機(jī)架內(nèi)的處理器密度。與此同時(shí),系統(tǒng)的總熱阻必須將冷卻劑的溫度保持在最大值60℃(140 F)以下。有些芯片設(shè)計(jì) 需要更高的冷卻劑流速,才能耗散更多熱量。

通常情況下,Asetek團(tuán)隊(duì)會對新的冷卻板設(shè)計(jì)運(yùn)行30到40次的仿真,以此作為參數(shù)研究的一部分。他們會改變許多參數(shù),例如微通道翅片的寬度、高度和間距、板厚度,以及冷卻液的流速和入口溫度。經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證,Icepak是快速完成此類參數(shù)研究的最佳工具。通常在兩周之內(nèi)即可完成從芯片幾何結(jié)構(gòu)到最終冷卻板設(shè)計(jì)的整個(gè)過程。

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圖2 銅冷卻板和液體流線上的溫度等高線顯示,液體在流經(jīng)冷卻單元的過程中溫度上升

有效節(jié)省材料和能量

利用Icepak優(yōu)化冷卻板設(shè)計(jì),不僅可加快設(shè)計(jì)周期,還能讓Asetek工程師根據(jù)具體冷卻需求將材料從銅轉(zhuǎn)變成鋁。盡管銅具有出色的導(dǎo)熱性,但是采用鋁板制作的微通道設(shè)計(jì)在一些特定應(yīng)用環(huán)境中卻能遠(yuǎn)超原有的銅制散熱片,例如具有較低散熱密度的應(yīng)用環(huán)境就是其中之一。用鋁替代銅可將冷卻板的原材料成本銳減大約40%,從而實(shí)現(xiàn)更低成本的冷卻解決方案。

在數(shù)據(jù)中心安裝液體冷卻系統(tǒng)后,可以減少對成本高昂的排風(fēng)機(jī)和空調(diào)系統(tǒng)的需求,并將冷卻所需的總電量減少50%。能耗方面的顯著節(jié)省使公司在一年內(nèi)就能收回液體冷卻系統(tǒng)的投資成本。

利用系統(tǒng)熱交換器,可回收利用服務(wù)器機(jī)架中流出的60℃(140 F)冷卻液,用于為水、民用與商業(yè)建筑提供熱量。事實(shí)表明,回收利用這些本將排到大氣中的熱量大有裨益,特別是在寒冷氣候中尤為如此。Tromso大學(xué)地處挪威的北極圈,而該校容納12,000名學(xué)生和教職員工的教學(xué)設(shè)施長年溫暖如春,依靠的正是Asetek液體循環(huán)系統(tǒng)從大學(xué)數(shù)據(jù)中心中采集的熱量。

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圖3 顯卡冷卻板上的溫度等高線

正如在Tromso大學(xué)以及全世界的數(shù)據(jù)中心所表現(xiàn)的那樣,Asetek的產(chǎn)品在實(shí)現(xiàn)大規(guī)模節(jié)能方面始終遙遙領(lǐng)先。利用Icepak進(jìn)行熱分析使得Asetek能夠不斷提供市場領(lǐng)先的冷卻功能,從而為那些開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)解決方案、讓數(shù)以億計(jì)的人和機(jī)器保持互聯(lián)的公司提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。不僅如此,設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)也正在研究使用仿真來優(yōu)化冷卻液驅(qū)動泵以及經(jīng)過整個(gè)服務(wù)器機(jī)架的空氣流動過程,從而確保所有組件都能得到充分的冷卻。所有這些工作只有一個(gè)偉大的目標(biāo),那就是讓數(shù)據(jù)中心“冷酷到底”。