英特爾深耕冷卻技術(shù)，錨定數(shù)據(jù)中心可持續(xù)發(fā)展未來

2023-04-25 12:45:38來源：中關(guān)村在線

在俄勒岡州希爾斯伯勒的英特爾實驗室內(nèi)，有24臺裝有基于英特爾至強處理器的服務(wù)器，被置于一個充滿合成且非導(dǎo)電油的槽中，并保持開機狀態(tài)。浸沒式液冷是一種比傳統(tǒng)風(fēng)冷更為有效的處理器散熱方式。英特爾正與行業(yè)伙伴展開合作，為目前和未來的數(shù)據(jù)中心研發(fā)多樣化解決方案。

摩爾定律的演進發(fā)展意味著需要在集成電路上增加更多晶體管，并逐步增加內(nèi)核。如此一來，在提高性能的同時，也需要更多的能源。

【資料圖】

在過去十年中，英特爾通過對處理器進行優(yōu)化，已經(jīng)節(jié)省了約1000兆瓦時的電力。這些成果的取得也同時得益于包括系統(tǒng)風(fēng)扇、數(shù)據(jù)中心室內(nèi)冷卻設(shè)備，以及芯片級冷卻在內(nèi)的多項冷卻技術(shù)，這些技術(shù)可以更好地管理處理器產(chǎn)生的熱量，降低能耗并減少碳排放。

然而，這些冷卻功能的實現(xiàn)，本身即需要高達40%的數(shù)據(jù)中心能源消耗。因此，英特爾希望在未來，能夠以更為節(jié)能的方式完成優(yōu)化、提高性能，而風(fēng)冷可能不是最佳解決方案。

幸運的是，目前，英特爾正與液冷行業(yè)的生態(tài)伙伴進行合作。從浸沒式液冷箱供應(yīng)商到液體供應(yīng)商，再到自己的實驗室，英特爾與行業(yè)伙伴通過使計算組件與導(dǎo)熱液體直接接觸等方式，打造創(chuàng)新的解決方案。其中，一些解決方案目前看來似乎有些天馬行空，例如嵌入珊瑚形散熱器的三維真空蒸發(fā)腔均溫板，或者由AI控制調(diào)整的、可將冷液射到芯片熱區(qū)以消除熱量的微型噴氣機等，但所有這些都在英特爾的熱學(xué)實驗室中進行和研發(fā)和探索。

數(shù)據(jù)中心的“冷卻革命”

根據(jù)2022年國際能源署的研究，2021年全球數(shù)據(jù)中心的用電量為220至320兆瓦時，或約占全球電力需求的0.9%至1.3%。

數(shù)據(jù)中心和世界頂級超級計算機的能源使用量的增加，使液冷從設(shè)想到邊緣技術(shù)，如今逐步成為主流。

英特爾十多年來一直支持浸沒式液冷，因為通往可持續(xù)發(fā)展的數(shù)據(jù)中心和超大規(guī)模超級計算機的道路，亟需一場關(guān)于“冷卻”的革命以適應(yīng)更強大的處理器。

"英特爾：沉浸式液冷的時機已至！"，這是2022年10月26日刊登于《數(shù)據(jù)中心前沿》的頭條新聞。在同期舉行的開放計算峰會上，英特爾公司副總裁兼數(shù)據(jù)中心工程和架構(gòu)部總經(jīng)理ZaneBall談?wù)摿藢]式液冷與日俱增的關(guān)注，并宣布英特爾將與開放計算項目和液冷供應(yīng)商進行合作并制定標準，使該技術(shù)更易于應(yīng)用。

"關(guān)于液冷的談?wù)撘呀?jīng)有很長一段時間了，"Ball表示，"這一直是英特爾計劃去做的事情。我們相信，眼下已經(jīng)到了需要液冷在數(shù)據(jù)中心發(fā)揮更大作用的時候了。"

2021年，英特爾宣布與浸沒式液冷領(lǐng)域的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者Submer合作，共同開發(fā)在數(shù)據(jù)中心中使用Submer冷卻技術(shù)的英特爾至強可擴展處理器。2022年1月，英特爾宣布與GRC公司（Green Revolution Cooling）達成協(xié)議，在未來的數(shù)據(jù)中心和邊緣計算中設(shè)計、部署定制化的前沿浸沒式液冷技術(shù)。同年，英特爾為其至強可擴展處理器提供了業(yè)界首創(chuàng)的浸沒式液冷保修服務(wù)。

可持續(xù)發(fā)展推動設(shè)計創(chuàng)新

浸沒式液冷是英特爾實現(xiàn)凈零排放承諾的重要組成部分。由IT設(shè)備產(chǎn)生的高達99%的熱量，可以經(jīng)由水或其他形式的液態(tài)冷卻劑釋放。其原理與空調(diào)系統(tǒng)類似，熱量不需要通過風(fēng)扇散發(fā)，而是傳入液體中，然后通過循環(huán)實現(xiàn)散發(fā)。而且，這些熱量甚至可以被收集起來并重新利用。

英特爾數(shù)據(jù)中心與人工智能事業(yè)部首席產(chǎn)品可持續(xù)發(fā)展官Jen Huffstetler表示：“浸沒式液冷是一項顛覆性的技術(shù)。這項技術(shù)不僅可以通過減少能源和水的使用，解決數(shù)據(jù)中心面臨的一些重大挑戰(zhàn)，而且還能幫助客戶在降低TCO的同時，提高整體計算密度。”

顛覆性的解決方案需要創(chuàng)新，但同時也需要市場準備就緒，且兼具可執(zhí)行和可測試性。英特爾將攜手初創(chuàng)公司和學(xué)術(shù)專家共同圍繞該技術(shù)展開深入研究，以期在未來五年內(nèi)打造出開放式解決方案，助力英特爾和全球數(shù)據(jù)中心減少能源足跡。

液冷的新材料和新結(jié)構(gòu)

英特爾研究人員正在研發(fā)新的解決方案，以支持和滿足下一代架構(gòu)的功耗和熱管理需求，其中包括高達2千瓦的設(shè)備。

在一眾解決方案中，研究人員正在針對三維真空蒸發(fā)腔均溫板展開研究，即在一種密封且扁平的金屬腔內(nèi)部充滿液體。研究人員旨在通過使用改進的沸騰增強覆層，在待冷卻器件表面形成盡可能多的氣化核心，增加核態(tài)沸騰的散熱能力。

沸騰是冷卻高功率電子設(shè)備和維持均勻溫度分布的最有效方法之一。由先進材料制成的沸騰增強涂層可以在金屬表面形成更多的成核點，從而促進沸騰的發(fā)生，提高熱傳導(dǎo)效率。如今，這些涂層被應(yīng)用在平坦的表面上，但研究表明，具有內(nèi)部凹槽狀特征的珊瑚樣散熱器設(shè)計具有二相式浸沒式液冷的最高外部傳熱系數(shù)潛力。

英特爾計劃通過二次加工技術(shù)，將具有超低熱阻的三維真空蒸發(fā)腔均溫板，集成到珊瑚形浸沒式液冷散熱器的設(shè)計中。

與此同時，英特爾研究人員也正在探索另一種解決方案，即使用流體噴射的方式冷卻最高功率的設(shè)備。與典型散熱器或傳統(tǒng)冷板通過液體覆蓋表面的方式不同，冷卻噴嘴直接將流體引向表面。芯片封裝的頂蓋上直接設(shè)計了液體射流通道，該設(shè)計可讓冷卻液體直接噴射至待冷卻的高功率芯片，省去了常規(guī)方案中需要使用的熱界面材料，可有效降低散熱通路的熱阻，提高冷卻能力。隨著多芯片模塊變得越來越難以冷卻，該技術(shù)可以根據(jù)每個結(jié)構(gòu)進行定制，并可以有效地針對熱點，使處理器以較低溫度運行，并實現(xiàn)同功耗下5%-7%的性能提升。

從處理器設(shè)計到數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)設(shè)計，英特爾始終專注于推進摩爾定律并提高能效。

英特爾超級計算平臺事業(yè)部熱設(shè)計師TejasShah表示：“為應(yīng)對未來十年內(nèi)處理器功耗的指數(shù)級增長，推進和創(chuàng)新兼具前瞻性和可擴展性的熱技術(shù)尤為重要。英特爾正處于提高和標準化這項技術(shù)的前沿領(lǐng)域，而這也對我們未來發(fā)展至關(guān)重要。”

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