《科技》資料中心「液冷」散熱高門檻 沒有真本事難吃到(3-2)

【時報記者張漢綺台北報導】為解決雲端資料中心熱耗問題，不僅伺服器晶片搭載的均熱片規格大幅提升，亦加速雲端資料中心導入水冷散熱，不過，隨著熱瓦數增加及客製化差異，散熱技術難度愈來愈高，散熱產業逐漸走向「資本密集、技術密集、研發密集及製造密集」，大者恆大情況開始顯現，沒有真材實料，只能「望商機而興嘆」。

目前液冷散熱有兩種方式在競爭，一種是Open Loop Rack(開放迴路式機櫃水冷)，也就是大型資料庫中心成千上百台立式機櫃(Rack)，每台立式機櫃透過核心設備CDU(流量控制單元)將冷卻液體供應到每一層伺服器對半導體晶片進行冷卻，讓水在一個個機櫃(Rack)中形成內循環，將熱量帶走變成熱液體，再連結回到CDU將熱量移轉到大型資料中心廠區外部循環管路散熱；但Open Loop Rack挑戰來自於漏水問題，不只是在伺服器內部，甚至有可能是整個機房，此外，即使可以去除CPU的熱，伺服器其他零組件的熱還是需要透過風冷來排除，PUE能否降到低於1.3是另一個關鍵。

另一種散熱方式為immersion Liquid cooling(浸沒式散熱)，浸沒式散熱大致可分為「單相」及「兩相」兩種方式，其中「單相浸沒式」是將Rack立式機櫃變成Tank(腔體)臥式機櫃放進介電液冷桶，伺服器上半導體晶片直接把熱源傳遞給介電液，再傳遞到外部循環管路散熱，每一層伺服器都透過類似「泡冷泉」概念來進行浸泡式液冷散熱；「兩相浸沒式」方案中，低沸點的冷卻液吸收熱量後會蒸發為氣體，上升至密封槽蓋或冷凝圈，再凝結為液體返回冷卻液中。

就兩種液冷散熱方式來看，Open Loop Rack Liquid cooling優點是可以透過感測器快速精準反應某個機櫃溫度變化，再藉由CDU液冷內循環適時調整液體供應量和溫度調節晶片散熱，而浸泡式則是均溫的概念。

台達電表示，浸沒式散熱以冷卻液取代風扇降溫，無噪音且隔絕粉塵，浸沒式冷卻PUE值可以達到低於1.1，大幅減少資料中心的非運算能耗，不過在技術上，因為浸沒式電源需要長時間浸泡在冷卻液中運作，電源本身在防護力的設計上需要特別注意，目前整體成本也較高，以客製化專案為主，此外，浸沒式又分為單相和兩相，兩相浸沒式的散熱效率更好，但技術門檻也更高。雙鴻表示，液冷散熱可靠度很重要，其中浸沒式散熱除了不能滲漏，如何降低水冷液對零組件的腐蝕性也是問題，至於Open Loop Rack liquid cooling優點是可以即時把熱傳出去，但整個系統設計很複雜，需要具備各系統專業知識及整合能力。

在均熱片方面，由於均熱片的金屬材料包括：銅合金、鋁材、鋁矽碳及不銹鋼等，每種金屬材料傳熱速度不一，均熱片廠須依晶片客戶熱導需求(即每小時要導多少熱)選擇材質，且因均熱片須與CPU完全貼合才能均勻導熱，不僅平坦度很重要，也因要與CPU一起封裝，而各家晶片廠又有特殊的封裝需求，致使均熱片成為高度客製化的產品。新一代伺服器平台因放入更大晶片及更多被動元件，基板變大，散熱要求更高，均熱片尺寸較前一代更大、更厚，設計複雜度高，尺寸公差控制必須更精準，「高精密鍛造」生產技術門檻非常高，如何讓均熱片從冷間鍛造、沖壓成型、CNC加工成型、電鍍鍍鎳(金)/化學鍍鎳、黑化處理/塗膠處理，到陽極處理/鈍化處理大量生產時維持相同品質、符合客戶要求成為均熱片廠最大考驗。除生產技術門檻甚高，由於高階產品使用的鍛造機每台動輒數千萬元，成為廠商跨足擴產另一個門檻！此外，針對大尺寸HPC封裝，均熱片廠亦投入研發新一代均熱片，希望減少界面熱阻，更有效快速將熱點均勻散開，進一步提高晶片運算效能，被視為3到10年內封裝散熱解決方案之一。(3-2)