未來10年冷板市場增長率高達16%，英特爾等引領技術創新

高性能計算和人工智能大模型訓練等行業都依賴于高性能處理器。由于這些處理器需要處理大量的計算任務，會產生巨大的熱量。因此，容納大量處理器和網絡設備的數據中心會產生大量熱量。高效的冷卻解決方案對于防止處理器過熱和保持最佳性能至關重要。

與傳統的空氣冷卻方法相比，液體冷卻的散熱效率更高。液體具有更高的熱容量和熱傳導性，能更有效地將熱量從電子設備中帶走。隨著現代電子設備功能越來越強大，產生的熱量也越來越多，液體冷卻系統的發展備受重視。

冷板式液冷是一種應用廣泛且發展潛力巨大的冷卻方案，IDTechEx 的最新研究報告"Thermal Management for Data Centers 2023-2033"預測，未來10年，數據中心冷板液冷的復合年增長率將達到 16%，同時其他液體冷卻替代方案也將強勁增長。

圖片服務器CPU冷板冷卻套件（圖源：X. Tan et al., "Investigation on Advanced Cold Plate Liquid Cooling Solution for Large Scale Application in Data Center," 2023 22nd IEEE Intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems (ITherm), Orlando, FL, USA, 2023, pp. 1-7, doi: 10.1109/ITherm55368.2023.10177559.）

IDTechEx指出，冷板獨特的差異化因素在于其內部的微觀結構。目前，采用微通道的冷板方案是數據中心冷卻應用和研究焦點。

微通道冷板能夠提供較大的傳熱能力，然而，微小異物沉積導致的微通道堵塞；熱通量過大時，微通道中流體從單相轉變為預期外的兩相，產生的氣泡未能快速移除可能造成通道的局部干涸，等等，這些問題將導致微通道冷板傳熱性能的下降。

傳統平行直微通道液冷板熱流密度低、流量分布不均勻，面臨高性能服務器芯片散熱挑戰。為此，研究人員通過各種間斷結構（肋、針翅等）、特殊通道圖案（波浪形、鋸齒形、分形、蛇形、和雙層微通道等）來破壞平穩流動，促進流體湍流并增加傳熱面積等對策來強化冷板傳熱，但這時往往導致更大的壓降，需要精心的冷板微結構設計和流體動力學模擬。

圖片平行微通道冷板及基本幾何外形示意圖

冷板液冷技術在提高各種系統的整體性能、可靠性和能效方面發揮著重要作用。冷板微結構的創新至關重要。當前，通過流動擾動增強傳熱以及與處理器封裝直接集成以降低界面熱阻，成為研究的重點。下面，列舉一些案例并簡要說明：

2021年，GE 公司開發了封裝集成旋流冷卻器（PICCO）的原型。研究人員在渦流傳熱的熱流控模型指導下，通過增材制造在冷卻器壁面上構建有序排列的三角形鰭片，以形成漩渦流體而去除冷卻器壁面上的氣泡，并將其限制在冷卻器的中心部位，然后通過軸向流將氣泡輸送走。研究人員認為，這種技術消除了兩相流體冷卻的風險。經量化測試，PICCO 將傳熱系數提高了一倍，而壓降只增加 13%。

圖片扁平化的 PICCO 原型

2022 年 OCP 全球峰會上，數據中心 IT 基礎設施提供商緯穎科技的熱技術開發高級經理 Lentis Pai 也介紹了他們正在開發的芯片封裝級液體冷卻技術。通過將冷板與芯片封裝外殼集成來提高熱效率。隨著 3D 堆疊芯片等先進技術的迅速發展，他們認為，這項創新將能夠更好地應對芯片功率增長的熱挑戰。

圖片開發封裝集成液體冷卻技術應對未來高功率 IC 熱挑戰（圖片來源：Wiwynn，OCP Summit 2022）

IDTechEx 在研究報告中還提到了，當前，英特爾創新的設計方法也是將冷板直接集成到封裝中，消除了 TIM2的使用，并降低了整體熱阻。這種集成在熱管理方面具有優勢。然而，冷板與處理器的封裝集成，也帶來了更大的設計復雜性。

英特爾的這種創新的液體冷卻技術設計被稱為微通道集成散熱器（Microchannel IHS，即 MC-IHS）。2021 年第 20 屆 iTherm 會議上，英特爾首次在會議論文中展示了 MC-IHS 原型。熱測試結果表明，MC-IHS 技術的冷卻能力比標準冷板高出約 30%，在冷卻負荷大于1000 W 的情況下，Rf-in 可達到約 0.05 °C/W。

圖片英特爾MC-IHS 原型和集成結構示意圖

冷板式液冷是替代傳統空氣冷卻，滿足高熱流密度處理器以及高密度服務器冷卻需求的熱門解決方案。然而，隨著處理器功率的增長和設備集成度的提升，傳統冷板的不足正被逐漸放大，因此，需要創新設計以滿足未來 500W 或 1000W 處理器的冷卻需求。

冷板液冷系統原理圖

參考文獻：

1.X. Tan et al., "Investigation on Advanced Cold Plate Liquid Cooling Solution for Large Scale Application in Data Center," 2023 22nd IEEE Intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems (ITherm), Orlando, FL, USA, 2023, pp. 1-7, doi: 10.1109/ITherm55368.2023.10177559.

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