基于浸没式液冷技术的模块设计与实现*

付小月，刘 俊，王圣俊，何 霜

（中国电子科技集团公司第三十二研究所，上海 201808）

引 言

随着各个领域集成电路国产化的逐渐深入，自主可控的国产化芯片的应用也越来越多，同时，在有限空间内，高密集的芯片布局和高强度的计算速度对更安全可靠、更高效低碳的新型高技术计算机的需求也越来越明显[1]。在此背景下，传统的自然散热和风冷散热模式虽成本低、易维护，但已满足不了高密度计算、高能量利用率的需求。而浸没式液冷技术拥有散热效率高、安全可靠性高、空间利用率高、能量利用率高、噪声低等诸多优点[2]。由此，由液体代替空气进行换热的新型浸没式液冷技术正成为新的热点。

近年来，国内外诸多学者通过各种方式（如数值模拟、理论分析、热力学分析和试验等）对浸没式液冷设备展开了研究。文献[3–5]对冷却液、散热效率进行了探讨，并与自然散热、风冷散热等其他冷却方式进行了对比研究。目前，也有部分商用浸没式液冷服务器投入市场应用（如浪潮集团、阿里巴巴、中科曙光等[6–7]），但基于自主可控的国产化芯片的加固型浸没式液冷计算机却较少。

本文综合考虑加固计算机和浸没式液冷服务器的特点，设计了一款加载国产处理器芯片的加固型浸没式液冷模块。该模块结构紧凑，拆装方便，散热效果好。最终模块试制成功，满足项目的设计要求，为后续各领域加固计算机的散热设计提供了新的思路和更多的选择。

1 浸没式液冷模块结构设计

1.1 模块结构布局

浸没式液冷模块的外形尺寸（不含接插件）为50.8 mm（10HP宽）×242.5 mm（高）×385 mm（深），其结构布局如图1所示。

图1 浸没式液冷模块结构布局

液冷模块主要由模块框架、模块盖板、中央处理器（Central Processing Unit, CPU）散热器、电源芯片散热器、功能芯片散热器、模块主板等组成。模块框架内包含框架结构件、液冷管道、密封条、起拔器、锁紧条、液冷接头等。模块腔体内充满不导电的冷却液，模块主板、散热器及液冷管道均直接浸没在冷却液中。冷却液为下进上出结构，电连接器与液冷接头均安装在模块尾部。

1.2 模块主板结构布局

浸没式液冷模块主板选用多层覆铜环氧板，材料为FR4，在尺寸及重量允许的条件下，增加覆铜率，以提高整板的综合导热性能。液冷模块主板的裸板尺寸（不含电连接器）为337 mm（长）×190 mm（宽）×2.5 mm（厚）。元器件主要分为CPU（2个）、内存条（8根）、电源芯片区、功能芯片区和电连接器等，其中CPU位于主板左侧，内存条布局在CPU两侧，电源芯片集中分布在CPU上方，其余功能芯片布局在主板右侧区域，如图2所示。

图2 模块主板结构布局

1.3 散热器设计

模块主板CPU选用国产申威处理器，功耗较大（单个功耗为150 W，总功耗为300 W），需单独设计散热器来保证芯片的正常工作。考虑热阻、实际加工难度、空间限制等因素，本设计选用改进版配备热管的均温板（Vapor Clamber, VC）散热器。均温板焊接在散热器底部，通过导热垫片与芯片接触，将芯片产生的热量快速传导至散热器中。3 根热管焊接在均温板与散热肋片之间的主体材料上，可快速将热量均匀分布到散热器上，再通过肋片进行散热。此外，增加挡板进行导流，以提高散热效率。如图3所示，CPU散热器的尺寸（不含导液接头）为95 mm（长）×80 mm（宽）×20 mm（高），肋片厚度为0.3 mm，间距为2.2 mm。散热器主体材料为铝合金，热管材料为CU1020铜，表面进行镍化处理。

图3 CPU散热器尺寸图

由于模块内部空间有限，芯片布局比较密集，再考虑到对流散热中散热面积对散热效果的影响以及实际加工条件等因素，因此增加了电源芯片散热器和功能芯片散热器设计。散热器肋片厚度均为2 mm，间距均为5.2 mm。电源芯片散热器的尺寸为204 mm（长）×59 mm（宽）×19.4 mm（高）。功能芯片散热器的尺寸为131 mm（长）×89 mm（宽）×23.5 mm（高）。

1.4 材料选择

该浸没式液冷模块的冷却介质选用3M公司的Fluorinert FC–40电子氟化液。它是一款低粘度、无色透明的氟素化学品，具有良好的化学惰性、电气绝缘性能、热传导性、材料相容性和独特的低表面张力，且不可燃，无毒，安全可靠[8]。

模块所有材料均浸没在冷却液中，因此结构件的材料应能兼容FC–40冷却液。由此，浸没式液冷模块的材料主要选用铝合金、不锈钢、聚氯乙烯等，其中模块框架结构件、模块盖板、电源芯片散热器以及功能芯片散热器主要通过金加工成型，选用铝合金6063，为防腐蚀，材料表面均进行了导电氧化处理。紧固件选用不锈钢材料，液冷管道选用聚氯乙烯材料，密封圈选用三元乙丙橡胶材料，导热垫片选用0.1 mm厚的高纯铟片，放置在散热器与各芯片之间以提高散热性能。

1.5 模块安装设计

模块安装机箱的上盖板、下盖板设计有模块的安装插槽，插槽的主要作用是为机箱内部液冷模块的安装提供引导，相邻两个插槽形成的空间用于模块楔形锁紧条的锁紧。模块后部通过电连接器中的识别导向装置以及液冷接头与背板进行安装，以保证模块的正确插合。模块安装和拆卸时，插槽前端的卡槽和起拔器提供助插和助拔，实现模块的快速插拔功能，如图4所示。

图4 液冷模块安装示意图

2 浸没式液冷模块热设计

2.1 热传导设计

模块主板通过螺钉固定在充满冷却液的液冷模块结构件中，发热器件产生的热量通过冷却液传导至模块结构件上。模块插入液冷机箱后，锁紧条拧紧，模块导向肋条与液冷机箱上下盖板的插槽导轨紧密贴合，热量通过导向肋条传递至上下盖板，经传导和辐射带走热量。

2.2 强迫对流设计

由于CPU芯片功耗最大，因此在模块底部设计了一段液冷管道，与CPU散热器连接。在外部循环泵的作用下，强制冷的电子氟化液优先通过液冷模块下端的液冷接头进入液冷管道中，从液冷管道分流后流向两个CPU散热器，并依次流向电源芯片散热器和功能芯片散热器。发热器件产生的热量先传导至散热器的肋片上，通过电子氟化液循环流动，对流换热带走热量，最后热的电子氟化液通过液冷模块上端的液冷接头流出，进入外部冷却系统进行降温，如图5所示。由此，在循环泵的作用下实现整个液冷系统的循环运行。

3 液冷模块热仿真分析

浸没式液冷模块工作时，主板上的器件会产生大量热量，若无有效的散热手段将热量带走，器件温度就会不断上升，导致芯片性能下降甚至受损。对浸没式液冷模块进行模拟仿真，一方面可保证器件工作在合适的温度区间，另一方面可为后续设计改进工作提供参考。

3.1 仿真参数

模块的总功耗为500 W。电子氟化液FC–40的密度为1 855 kg/m3，比热为1 100 J/(kg·°C)，导热系数为0.065 W/(m·K)。给定的冷却液进口流量为5.88 L/min，给定的进口温度为55°C。浸没式液冷模块主体框架的材料为铝合金6063，其导热系数为202 W/(m·K)。内存条材料的导热系数与模块主板的导热系数接近，其余核心发热器件的材料为陶瓷，其导热系数为6.5 W/(m·K)。给定的模块主板材料的导热系数为0.173 W/(m·K)，各向同性。忽略散热器与申威处理器之间的接触热阻[9]。

3.2 仿真模型建立

将液冷模块模型导入仿真软件中，在不影响散热计算的前提下简化模块模型[10]。删除尺寸较小的孔和圆角（如螺钉孔等），去除所有与热分析无关的连接件（如螺钉、电连接器、线缆等），去除对仿真结果影响较小的无功耗器件、模块主板上的各种修饰特征等，尽可能采用规则的结构形状进行等效。简化后的模块模型如图6所示。

图6 液冷模块热仿真模型图

3.3 仿真结果

浸没式液冷模块内冷却液流速分布云图如图7所示，主板温度云图如图8所示。

图7 液冷模块内冷却液流速分布云图

图8 液冷模块主板温度云图

结果表明，CPU散热器肋片处流速较大，能够快速带走CPU产生的热量，其余散热器肋片之间均有冷却液流过，带走各芯片产生的热量，模块主板布局以及散热器肋片结构设计合理。液冷模块内各芯片温度小于73.85°C，CPU芯片温度约为65°C，均低于工作允许温度，满足热设计要求，能够保证模块长期可靠地工作。

仿真计算中浸没式液冷模块内的各个器件选用的参数均为其理论最大热耗参数，且仿真中的变量设置均偏保守，液冷接头使用的也是最大工作流量，而在实际使用过程中，元器件一般不会达到其理论的最高功耗，冷却液流量也不会达到液冷接头的最大工作流量。因此仿真计算结果中元器件的最高结温会比实际值高，但仿真计算结果中模块主板的热耗分布还是能够真实地反应各器件的工作状态。基于该仿真计算结果，后续可针对性地采取一系列热处理措施，以提高整机的可靠性。

4 设计实现

考虑实际使用环境以及为了在调试状态下更好地观测模块内部冷却液和各芯片的工作情况，在不影响密封性以及安全性的条件下，设计了透明亚克力板和铝合金材质的两款液冷模块盖板。安装透明模块盖板的浸没式液冷模块在不含冷却液时的实际质量为6.8 kg，含冷却液时的实际质量为9.72 kg；安装铝合金材质模块盖板的浸没式液冷模块在不含冷却液时的实际质量为7.46 kg，含冷却液时的实际质量为10.38 kg，满足设计需求。

浸没式液冷模块实际调试运行时的总功耗约为120 W，在常温条件下，没有通冷却液时，模块自然散热，调试运行时，CPU芯片的温度约为84.4°C。将模块灌满冷却液，开启循环泵，给定的进液口流量约为3.9 L/min。冷却液循环流动后，模块调试运行时，冷却液进液温度为35.7°C，出液温度为37.2°C，温升为1.5°C。同时，液冷模块运行时密封性良好，无渗液现象。此外，对浸没式液冷模块的功能、性能进行了相关验证测试，均能正常通信并达到一定的速率，满足项目的各项指标要求。

5 结束语

本文选用新型浸没式液冷技术，对国产化加固型模块进行了结构设计。该模块结构紧凑，对外接口整齐明了，能量利用率高，拆装方便。在此基础上进行了热仿真分析，并试制样机进行了验证测试。测试结果表明，其各项指标均能满足项目需求。该研究可为后续浸没式液冷技术在国产化加固计算机领域的推广应用提供参考。后续将对模块进行轻量化设计，并对模块右侧功能芯片区的散热方式进行优化。同时也将对其他国产化处理器在该平台上的应用做进一步研究。