電腦“泡澡”并非虛幻

逯心一　鄧增　高莉華

今年年初，科幻電影《流浪地球2》一經(jīng)上映，熱度居高不下。影片中一系列前沿科技引發(fā)觀眾熱議，在劇情中扮演關(guān)鍵角色的智能量子計(jì)算機(jī)更是將劇情推向高潮。

無論是什么樣的電子產(chǎn)品，發(fā)熱始終是困擾用戶的一大難題。電影中，使用者將計(jì)算機(jī)泡在液體中冷卻。這種“泡澡”的冷卻方式，一時(shí)引發(fā)廣大網(wǎng)友的熱議。

計(jì)算機(jī)為什么要“泡澡”？給計(jì)算機(jī)“泡澡”是否可行？今天就由我們來為您揭秘——

眾所周知，芯片是計(jì)算機(jī)的“大腦”，擔(dān)負(fù)著計(jì)算和處理任務(wù)的職責(zé)。和人腦一樣，芯片的工作效率也受其自身狀態(tài)的影響。

隨著芯片性能的不斷增強(qiáng)，其功耗也不斷攀升，一些商用服務(wù)器處理器的功耗甚至可達(dá)驚人的700瓦，這幾乎和一臺(tái)1匹的空調(diào)功耗相當(dāng)。試想一下，一塊小小的芯片以極高的功耗工作，短時(shí)間內(nèi)，芯片“體溫”便會(huì)急劇升高。

這里所說的芯片“體溫”實(shí)際上就是芯片表面的殼溫。一般來講，芯片表面的殼溫要控制在85℃以內(nèi)，才可以保證芯片正常工作。倘若工作產(chǎn)生的廢熱無法散出，芯片的“體溫”就會(huì)在短時(shí)間內(nèi)“越過安全線”，出現(xiàn)一系列異常癥狀。

這種癥狀和人類發(fā)燒時(shí)有些相似?！邦^腦發(fā)熱”會(huì)導(dǎo)致芯片“無精打采”，工作效率降低。倘若不及時(shí)散熱，芯片溫度將進(jìn)一步升高，用不了多久就會(huì)“發(fā)高燒”。這時(shí)芯片功耗增大，內(nèi)部元器件還會(huì)受熱膨脹，導(dǎo)致不同元器件互相擠壓，從而使芯片出現(xiàn)裂紋，甚至可能激發(fā)高能載流子擊穿晶體管，嚴(yán)重降低芯片使用壽命或者導(dǎo)致芯片報(bào)廢。

此外，芯片過熱還會(huì)使周邊阻容元件異常，導(dǎo)致芯片的供電電壓和供電電流同時(shí)增大。倘若此時(shí)不及時(shí)散熱還要繼續(xù)長時(shí)間大負(fù)荷工作，將會(huì)產(chǎn)生大量熱量，芯片可能會(huì)因高熱而起火，對(duì)財(cái)產(chǎn)和工作人員安全造成嚴(yán)重威脅。

因此，在擁有大量計(jì)算機(jī)同時(shí)工作的數(shù)據(jù)中心，往往都有一套甚至多套高效且完善的芯片散熱方案，確保芯片能夠在“健康溫度”下長時(shí)間高效工作。

起初，由于計(jì)算機(jī)功耗小，計(jì)算機(jī)內(nèi)部芯片產(chǎn)生的熱量僅僅需要自然對(duì)流即可散出。因此，計(jì)算機(jī)工程師們并不需要關(guān)注冷卻技術(shù)。

隨著芯片技術(shù)不斷進(jìn)步，集成度不斷提高，芯片功耗急劇增大，僅僅依靠自然冷卻已經(jīng)無法解決散熱問題。于是，工程師們開始引入強(qiáng)迫對(duì)流風(fēng)冷散熱技術(shù)，即利用高導(dǎo)熱的金屬翅片將熱量導(dǎo)出，再通過風(fēng)扇高速旋轉(zhuǎn)將熱量散出——這也是為什么我們經(jīng)常能聽到電腦發(fā)出“嗡嗡”的聲音。

風(fēng)冷技術(shù)憑借結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)勢(shì)，在相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)占據(jù)了市場(chǎng)主流。然而，當(dāng)芯片功耗變高，甚至達(dá)到300瓦時(shí)，采用風(fēng)冷技術(shù)會(huì)使得散熱器和風(fēng)機(jī)的體積變得更大，風(fēng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)帶來的噪聲也會(huì)令人難以忍受。

為此，工程師們又提出了第二條路：液冷技術(shù)。

液冷技術(shù)憑借液體高比熱容的特性，通過直接或間接接觸熱源，可比風(fēng)冷技術(shù)帶走更多的熱量。目前，美國的超級(jí)計(jì)算機(jī)Frontier、我國的超級(jí)計(jì)算機(jī)神威·太湖之光、日本的超級(jí)計(jì)算機(jī)富岳等，均采用了以水作為冷卻介質(zhì)的冷板式液冷技術(shù)。在系統(tǒng)性能、芯片功率、組裝密度、運(yùn)行噪聲等許多方面，液冷技術(shù)的應(yīng)用給數(shù)據(jù)中心和超級(jí)計(jì)算帶來了極大的提升。

當(dāng)然，冷板式液冷技術(shù)也有其缺點(diǎn)：一方面，以水為冷卻介質(zhì)，一旦發(fā)生泄漏，將會(huì)損害電子元器件；另一方面，如果想要實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)內(nèi)部所有元器件的散熱，冷板結(jié)構(gòu)將會(huì)變得極其復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度極大。

在市場(chǎng)需求的不斷驅(qū)動(dòng)下，一種浸沒式液冷技術(shù)開始興起。該技術(shù)通過將整個(gè)主板直接浸泡在冷卻性能好且具備絕緣特點(diǎn)的冷卻液中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有元器件的散熱。2022年12月，精密浸沒式液冷領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)者Iceotope宣布了與Meta合作的一項(xiàng)新研究。研究證實(shí)了機(jī)架級(jí)液體冷卻技術(shù)的效率、實(shí)用性和有效性，可以滿足超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心廣泛部署和高頻使用的高密度存儲(chǔ)磁盤的冷卻要求。該研究也成功證明精密浸沒式冷卻比傳統(tǒng)的冷板式液冷更加有效。

據(jù)了解，液冷技術(shù)正在成為全球數(shù)據(jù)中心發(fā)展的新技術(shù)方向。IBM、谷歌、英特爾等國際巨頭公司已紛紛在該領(lǐng)域展開布局。IBM發(fā)布相關(guān)液冷超算機(jī)，可以降低40%以上的能源消耗，減少85%的碳排放；谷歌在其數(shù)據(jù)中心采用液冷技術(shù)，并持續(xù)推動(dòng)數(shù)據(jù)中心降溫方式向液冷轉(zhuǎn)變；全球最大的浸沒式液冷數(shù)據(jù)中心阿里巴巴浙江云計(jì)算仁和數(shù)據(jù)中心，已經(jīng)在2020年投入使用浸沒式液冷技術(shù)，可為數(shù)據(jù)中心節(jié)能70%以上。

中國工程院院士孫凝暉曾說過一句話：“當(dāng)一個(gè)國家的計(jì)算力指數(shù)達(dá)到40 分以上時(shí)，指數(shù)每提升1 點(diǎn)，對(duì)于GDP 增長的拉動(dòng)將提高到1.5 倍。”液冷技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)了服務(wù)器設(shè)備算力的穩(wěn)定輸出及計(jì)算性能的高效提升，進(jìn)而對(duì)許多領(lǐng)域都產(chǎn)生了積極影響。

如今，冷卻技術(shù)已成為各國科技競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)領(lǐng)域：有工程師研發(fā)出射流沖擊液冷技術(shù)，可以在1平方厘米的芯片上實(shí)現(xiàn)約1100瓦的散熱；2019年《自然》雜志公布了一種集成在芯片內(nèi)部微流道冷卻技術(shù)，可以在1平方厘米芯片上實(shí)現(xiàn)約1700瓦的散熱，或?qū)⒊蔀槲磥韺?shí)現(xiàn)超大功率芯片冷卻的有效技術(shù)手段；還有工程師提出沸騰浸沒液冷技術(shù)，在整個(gè)散熱過程中幾乎沒有額外的電能輸入，有望實(shí)現(xiàn)“零能耗”冷卻……

中國工程院院士孫凝暉曾說過一句話：“當(dāng)一個(gè)國家的計(jì)算力指數(shù)達(dá)到40分以上時(shí)，指數(shù)每提升1點(diǎn)，對(duì)于GDP增長的拉動(dòng)將提高到1.5倍?！币豪浼夹g(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)了服務(wù)器設(shè)備算力的穩(wěn)定輸出及計(jì)算性能的高效提升，進(jìn)而對(duì)許多領(lǐng)域都產(chǎn)生了積極影響。

軍事領(lǐng)域，液冷技術(shù)也發(fā)揮著越來越大的作用。

戰(zhàn)場(chǎng)上，液冷技術(shù)應(yīng)用于指揮所計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可以使系統(tǒng)集成度大幅提高。尤其是在野外或者坑道中，液冷技術(shù)使得指揮所計(jì)算機(jī)具備更強(qiáng)的性能、更長的續(xù)航時(shí)間以及更好的隱蔽性，從而更好地保障指揮決策。

在裝備方面，激光武器應(yīng)用液冷技術(shù)，可以提升激光輸出功率密度以及光束的質(zhì)量，在增大激光武器殺傷性能的同時(shí)擁有更小的體積，從而有利于提高武器系統(tǒng)的快速部署能力；有源相控陣?yán)走_(dá)采用液冷技術(shù)，可以大幅提升雷達(dá)功率，使得雷達(dá)探測(cè)距離更遠(yuǎn)，探測(cè)精度和可靠性更高。

強(qiáng)大的火力系統(tǒng)也離不開液冷技術(shù)。為了確?；鹆ο到y(tǒng)長時(shí)間穩(wěn)定輸出，許多武器裝備直接配備液冷系統(tǒng)。比如，著名的馬克沁重機(jī)槍就是采用液冷技術(shù)，以確保子彈高速穩(wěn)定輸出。

此外，液冷技術(shù)已經(jīng)走進(jìn)了人們的日常生活。有科技公司將液冷技術(shù)應(yīng)用于定制的個(gè)人電腦中，大大提升了電腦的性能，使用戶擁有了更好的體驗(yàn)感。國內(nèi)某電動(dòng)車公司將液冷技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)車電機(jī)上，獨(dú)特的液冷降溫法不僅解決了行業(yè)“老大難”的退磁續(xù)航能力，還一站式地解決了電機(jī)生銹、易退磁等問題，這對(duì)于電動(dòng)車行業(yè)來說是顛覆性的創(chuàng)新。在超導(dǎo)領(lǐng)域，可以將超導(dǎo)線纜浸泡在液氦等極低溫液體中，以實(shí)現(xiàn)零損耗輸電，相關(guān)技術(shù)有望應(yīng)用在高壓輸電上。

總而言之，液冷技術(shù)是當(dāng)下芯片性能提升后，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不可或缺的重要技術(shù)之一。在各國政府越來越重視數(shù)據(jù)中心能耗指標(biāo)的大環(huán)境下，更多的風(fēng)冷數(shù)據(jù)中心未來將會(huì)被淘汰，液冷技術(shù)正逐漸取代前者成為國內(nèi)外的主流技術(shù)。未來，大到超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，小至個(gè)人計(jì)算機(jī)，均有可能實(shí)現(xiàn)全液冷散熱。在人類與信息設(shè)備聯(lián)系愈發(fā)密切的未來，液冷技術(shù)將為我們的生活提供越來越優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

◎ 來源|解放軍報(bào)