基于半导体制冷的服务器散热技术的应用

牛健　靳颖

摘要：本文介绍了半导体制冷技术的基础及使用条件，并在计算机领域中针对服务器的特殊使用环境及环境要求，设计了基于半导体制冷的服务器散热设备，根据半导体制冷技术结合服务器温控等综合技术的应用达到了实际使用价值，保证了对服务器散热的要求。

关键词：服务器、半导体制冷、温控

0 引言

在专业技术领域，如大型服务器及服务集群等商业化的大规模计算服务中心，仍然需要高效的散热及温控技术来保证高精度的数据服务。这就需要必须采用高效的散热技术来解决实际问题。对比常规的风冷技术、水冷技术，半导体制冷技术的优势在于提供了主动的制冷方式，其散热效果是其他技术无法比拟的，并且在半导体制冷的实际应用中，证明了主动的制冷散热方式为服务器运行的保障是具有实际效果的。但是，对于半导体制冷技术应用的条件很严格，根据其技术的基础情况，要从服务器环境管理、温度监测及控制、辅助散热技术等多方面技术进行综合运用，实现服务器的环境管控。

1 服务器环境

1.1 服务器构架复杂

服务器由于用途与传统的计算机并不相同，所以在服务器主板与其他服务器配件都与普通的计算机有所出入，服务器内部构造是与其主要用途决定的，所以很多服务器并非采用传统的兼容构架，而是根据其特定用途进行设计的。例如：单一的主板对多CPU的支持，多内存，多显卡，多外接设备等的支持。如图1所示。

1.2 服务器空间有限

服务器的空间是由服务器机箱规格决定的，按照1U、2U、刀片服务器等不同规格决定，由于在有限的空间中需要放置更多的设备，所以决定不能将更大面积的散热设备至于其中，这就决定了服务器散热必须采用高效地的设备来解决实际问题。

1.3 服务器散热方式

传统的服务器散热方式与普通PC机基本相同，主要由风冷式散热、水冷式散热。其中：风冷式散热主要由导热片和风扇组成，导热片多采用铜、铝材质的不同制程工艺制造，风扇多为带有温控设计。风冷散热优点是制造简单、价格低廉，但由于散热方式决定了其效能不高，不能满足要求较高的环境；水冷式散热是将风冷式的风扇替换为液体，通过液体循环传热体质达到散热效果。

2 半导体制冷技术

2.1 半导体制冷的原理

热电制冷是具有热电能量转换特性的材料，在通过直流电时具有制冷功能，由于半导体材料具有最佳的热电能量转换性能特性，所以人们把热电制冷称为半导体制冷。详见图2所示。半导体制冷是建立于塞贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应、焦耳效应、傅立叶效应共五种热电效应基础上的制冷新技术。其中，塞贝克效应、帕尔贴效应和汤姆逊效应三种效应表明电和热能相互转换是直接可逆的，另外两种效应是热的不可逆效应。

（1）塞贝克效应， 1821年，塞贝克发现在用两种不同导体组成闭合回路中，当两个连接点温度不同时（T1

（2）珀尔帖效应，珀尔帖效应是塞贝克效应的逆过程。由两种不同材料构成回路时，回路的一端吸收热量，另一端则放出热量。

（3）汤姆逊效应，若电流过有温度梯度的导体，则在导体和周围环境之间将进行能量交换。

（4）焦耳效应，单位时间内由稳定电流产生的热量等于导体电阻和电流平方的乘积。

（5）傅立叶效应，单位时间内经过均匀介质沿某一方向传导的热量与垂直这个方向的面积和该方向温度梯度的乘积成正比。

2.2 半导体制冷的效果测试

本文主要进行 CPU 在只有风扇情况下和CPU 在接入半导体制冷片时的试验： （ 1） CPU 在只有风冷（ 风扇） 情况下的散热： 先把半导体制冷片从整个装置中取出，将 CPU 直接贴在散热器上，然后给 CPU 和电扇都接通直流电源，风扇两端电压稳定在 12V，CPU 两端加电压从 5V ～8V，每次增加 1V，用数据采集仪记录在每个电压下的CPU 从初始状态到稳态的温度数据； （ 2） CPU 在接入半导体制冷片时的散热： 把半导体制冷片放入装置，冷端贴在 CPU 上，热端贴在散热器上，先给 CPU 和风扇接通直流电源，风扇两端电压仍稳定在 12V。给 CPU 两端加 5V 电压，一段时间后给制冷片两端加电压 3V ～7V，每次增加 1V，记录在每个制冷片输入电压下制冷片冷端和热端从初态到稳态的温度数据，再分别给 CPU 两端加 7 ～8V 电压，进行相同的操作。

在进行试验时，整个装置除了风冷装置以外全部放入隔热槽中，这样热量只能纵向传导，所以整个问题可以近似为一维导热问题。

2.3 试验结果的分析与讨论

半导体制冷片的降温效果详见图3 为 CPU 输入电压为 5. 0V 时，有无制冷片时的 CPU 温度对比。有无制冷片时的 CPU 温度随时间变化曲线从图中可明显看出半导体制冷片对 CPU 的降温效果明显。不接入制冷片时，CPU 温度从室温上升至平衡温度而保持稳定。当制冷片接入时，CPU 温度开始降低，约经过 300s 后达到稳定状态。制冷片输入电压为 3. 0V 时，CPU 温度从38. 7℃ 降至 25. 2℃ ，明显低于了测量时的环境温度。

3 总结

在计算机发展中，服务器的散热环境是非常复杂的，对于传统散热方式与半导体制冷方式的对比可以直接反映出半导体制冷技术的优越性。本文经过分析，证明了半导体制冷技术在计算机服务器中的实际应用的可行性和其价值的体现。

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