高密度服务器散热结构优化设计研究

李文方

(浪潮电子信息产业股份有限公司，北京 100085)

在竞争激烈的IT 市场，客户在评估自己的IT 设备如何更高效运行，为公司带来额外的价值。为了提高运营效率，系统的集成度越来越高，大功耗器件广泛使用，高性能计算、系统的大容量和产品体积小型化要求提高，设备环境的适应性要求也越来越高。因此，为了保证产品在指定的环境规格条件下正常工作并达到产品的可靠性目标，需要选择合适的冷却、散热方法，改进传统的散热技术，提高散热效率。

1 服务器散热结构设计原则

1.1 风道设计原则

风道设计的基本原则包括：（1）降低系统的压力损失，力求对气流的阻力最小；（2）合理控制气流和分配气流；（3）保证流过关键热源的风速；（4）防止风道中产生空气回流；（5）进出口尽量远离，避免风流短路；（6）防止系统中发热部件的相互影响。

1.2 风机选择及结构布置

选择风机时应考虑的因素包括风量、风压（静压）、效率、空气流速、系统（风道）阻力特性、应用环境条件、噪声以及体积、重量等，其中风量和风压是主要参数。

当所选风机风量或风压不能满足要求时，可采用串联或并联工作方式。当风机的风量能满足要求，而风压不够时，可采用风机串联的工作方式，以提高其工作压力；当风道特性曲线比较平坦，需增大风量时，可采用并联系统，并联系统的优点是气流路径短，阻力损失小，气流分布比较均匀，但效率低。

2 刀片服务器散热结构优化设计

在传统服务器基础架构设计中，电源系统和散热系统都是独立设计，在机箱中分别占据独立的空间，限制服务器机箱向更小尺寸发展。针对以上问题，本文提出一种刀片服务器供电散热集成系统，将供电系统和散热系统整合设计，减小电源和风扇在机箱中所占空间，缩小机箱尺寸，提高服务器密度。其常用刀片服务器结构形式和集成形式如图1、图2。

图1 可以看出，普通刀片服务器机箱前部为服务器刀片，后部为电源、风扇、交换模块和监控模块，各刀片以及子模块之间通过中板连接，中板上下及中间部分留有通风孔，为风流提供通路，电源和散热独立设计，这种结构形式不能最有效压缩机箱高度，并且为了达到上下电源均流一般中背板高度比较高，增加成本。

图1 常用刀片服务器系统结构形式

图2 刀片服务器供电散热集成结构形式

由图2 可以看出，机箱前部为服务器刀片，后部为电源、风扇、交换模块和监控模块，各刀片以及子模块之间通过中板连接，系统为前进风，后出风，中板上下部分留有通风孔，为风流提供通路。刀片内部器件密集，风阻较大，为使风速均匀，不存在死区，采用将风扇放置于系统后部抽风形式。为充分利用机箱空间，将机箱系统风扇置于电源机壳内，其同时为刀片和电源散热。电源内部设计可采用两块印制电路板设计，分别固定在电源机壳底部和顶部，由于采用两块印制电路板，每块板上的器件密度减小，更有利于风流通过。同时电源器件采用矮小元器件，在两块板中间会留出较大间隙，使风流流通顺畅，保证系统散热。由于系统风扇集成在电源中，不用在机箱中为风扇单独安排空间，因此，机箱可以设计的更小，也有更多的空间布置其他功能模块，提高刀片服务器密度。

将系统风扇集成在系统后部电源中，风道路径较长，为保证足够风压将风扇串联后置于电源内部，同时制定风扇转速控制策略，保证服务器刀片和电源的散热。当调速信号异常时，风扇会全速运行，保证系统散热，当调速信号正常时，风扇按照调速信号规定运行。

3 机柜式服务器多风道结构设计

目前机柜式服务器采用的都是ATCA 架构，采用机柜上下通风结构，风扇盘放置在机柜的上层和下层，下层风扇盘吹风(入风口)上层风扇盘抽风(出风口)。常见的机柜风道形式包括单插框和多插框两种，根据风向及风道设置的不同而分为不同的形式，各种不同的形式可以应用于不同的结构当中，具体如表1 所示。

单插框吹风进风可以是插框前部，也可以是插框下部，在出风为插框后上部时，单板存在低速区，而出风为上部时，则不存在。风机出风有一定的方向，在插框横截面上风量均匀，进（出）风为上下直风道时，系统的压力损失小。

单插框出风可以是插框后部，也可以是插框上部，在进风为插框前下部时，单板存在回流区，而进风为下部时，则这种现象不存在。

多风道结构分为机柜前部风道和机柜后部风道两部分。整个结构包括主功能模块、辅助功能模块和中背板，风扇盘设置在机柜上，主功能模块、辅助功能模块、中背板分别设置在机柜内部，中背板设置在主功能模块和辅助功能模块之间。风扇盘分为上下两组，分别设置在机柜上下端，下风扇盘向上吹风，上风扇盘从下方抽风，形成一致的风流方向。各插框机箱不仅起到支撑整个服务器系统的作用，而且是系统散热的主要风道。中背板竖直放在主辅功能模块之间，是各模块的数据交换通道，同时也是风道的隔断装置。其将机箱分区，主辅模块分别获得独立风道。

机柜后部为附属功能模块，左右两侧面开孔通风。

（1）后下方模块可内置风扇，冷空气从机柜前门底部进风，后门出风(前后通风)。

（2）后上方模块也可内置风扇，但由于没有足够的压力从机柜前门底部进风，机柜前门顶部又是热风，可采取从机柜后门进风，前上出风结构形式。

4 结语

（1）在高密度服务器中，提出供电系统和散热系统整合设计，节约机箱空间，缩小机箱尺寸，提高了服务器密度，同时对风扇的智能控制保证服务器可靠性。

（2）针对高密度机柜式服务器结构复杂性和高可靠性要求，提出多风道结构设计概念，将系统散热压力分解，提高系统运行的可靠性。