運用Ansys Icepak仿真技術，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

設備過熱是數(shù)據(jù)中心行業(yè)面臨的大敵。產生、存儲和分析大量信息需要更快速、密集度更高的處理能力。在實現(xiàn)物聯(lián)網(IoT)必不可少的計算周期中同樣也會相應產生巨大的熱量,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來冷卻服務器——這相當于760萬個家庭的用電量。在全球范圍內,數(shù)據(jù)中心服務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)中心計算設備提供液體循環(huán)冷卻系統(tǒng)的業(yè)界領先廠商。為響應市場對于高密度和高度定制化服務器機架的需求,Asetek不斷創(chuàng)新,研發(fā)出的冷卻系統(tǒng)由若干個構建模塊組成,能根據(jù)各種數(shù)據(jù)中心的需求進行靈活配置。公司整個設計流程的一大重要環(huán)節(jié)就是利用ANSYS Icepak計算流體動力學軟件進行熱仿真,這已成為優(yōu)化冷卻系統(tǒng)組件至關重要的工具。

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。每個機架冷卻設備的重要部件包括:金屬冷卻板、泵、防漏水快速連接器、液體入口管和出口管。冷卻板安裝在目標區(qū)域的上面,負責將熱量從芯片傳遞給冷卻液,冷卻液隨后被泵抽出服務器機架,再流入機架的冷卻劑分配裝置。熱的冷卻劑流過液–液熱交換器,被設備中的涼水冷卻,然后重新流回服務器機架。

這種直接冷卻熱點區(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責將熱量傳遞給液體。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團隊可實現(xiàn)微通道的設計與配置,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)域為棕色,液體區(qū)域為藍色

冷卻板仿真

Asetek開始設計冷卻板之前,芯片制造商首先提供需要進行冷卻的特定板卡或模塊的相關幾何數(shù)據(jù)和散熱要求。然后,Asetek工程師根據(jù)組件的復雜程度,導入3-D CAD幾何結構或直接在Icepak中構建板卡或模塊的幾何結構。此外,工程師團隊還需要在使用Icepak執(zhí)行整體熱分析之前,構建冷卻板的幾何結構。流體區(qū)域常用的網格尺寸介于100萬到300萬個單元之間。利用四個處理器進行這種規(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、處于服務器指定的最高液體供應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)建更緊湊的設計,以增大服務器機架內的處理器密度。與此同時,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。有些芯片設計需要更高的冷卻劑流速,才能耗散更多熱量。

通常情況下,Asetek團隊會對新的冷卻板設計運行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。經過實踐驗證,Icepak是快速完成此類參數(shù)研究的最佳工具。通常在兩周之內即可完成從芯片幾何結構到最終冷卻板設計的整個過程。

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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)化冷卻板設計,不僅可加快設計周期,還能讓Asetek工程師根據(jù)具體冷卻需求將材料從銅轉變成鋁。盡管銅具有出色的導熱性,但是采用鋁板制作的微通道設計在一些特定應用環(huán)境中卻能遠超原有的銅制散熱片,例如具有較低散熱密度的應用環(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機和空調系統(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,可回收利用服務器機架中流出的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大學地處挪威的北極圈,而該校容納12,000名學生和教職員工的教學設施長年溫暖如春,依靠的正是Asetek液體循環(huán)系統(tǒng)從大學數(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大學以及全世界的數(shù)據(jù)中心所表現(xiàn)的那樣,Asetek的產品在實現(xiàn)大規(guī)模節(jié)能方面始終遙遙領先。利用Icepak進行熱分析使得Asetek能夠不斷提供市場領先的冷卻功能,從而為那些開發(fā)物聯(lián)網解決方案、讓數(shù)以億計的人和機器保持互聯(lián)的公司提供更優(yōu)質的服務。不僅如此,設計團隊也正在研究使用仿真來優(yōu)化冷卻液驅動泵以及經過整個服務器機架的空氣流動過程,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偉大的目標,那就是讓數(shù)據(jù)中心“冷酷到底”。