計算機的液體冷卻當然不是什么新鮮事，這個概念自 1960 年代以來就已經(jīng)存在，最初于 1973 年在貝爾實驗室的 E. Baker 的一篇文章中進行了討論;從 80 年代中期開始，PC 的普及推動了解決方案的工業(yè)化，但重點是空氣冷卻，這顯然更簡單，更容易在大多數(shù)情況下應(yīng)用。
然而，隨著時間的流逝，計算能力的指數(shù)級增長以及組件的小型化導(dǎo)致了電力密度的大幅增加，隨之而來的是產(chǎn)生的熱量和散熱的困難。事實上，密度如此之高，以至于提供給服務(wù)器機架的功率，直到幾年前還低于 10 kW/機架，現(xiàn)在通常達到 30 kW/機架，在某些應(yīng)用中，例如 HPC（高性能計算）高達 100 甚至 120 kW/機架。到目前為止，這種功率（曾經(jīng)是中型企業(yè)運營的數(shù)據(jù)中心的總和）已被用于特殊應(yīng)用，例如大學的超級計算機、氣象學、公司的科學計算等;這些應(yīng)用都是液冷的，這些解決方案通常具有特定的設(shè)計，而不是市售產(chǎn)品。
2011 年，ASHRAE TC 9.9 將液體冷卻納入其散熱指南，這是該領(lǐng)域非常受歡迎的文件，為數(shù)據(jù)中心的冷卻設(shè)計提供了指示，以確保最佳運行，同時最大限度地減少能耗。近幾個月來，這個話題再次成為人們關(guān)注的焦點，這也要歸功于同一委員會的一份白皮書，該白皮書研究了這項技術(shù)在普通數(shù)據(jù)中心的擴展，而不僅僅是在特殊應(yīng)用中。
一般來說，80%的熱量（因此需要消散）集中在CPU中：內(nèi)部溫度不得超過某個值（通常為70-80°C），否則進程將因過熱而逐漸關(guān)閉。因此，眾所周知，需要冷卻。
下圖顯示了在微芯片級別識別的各種溫度;ASHRAE 使用 TC 或外殼溫度作為參考，因為它通常與風冷翅片散熱器接觸。與此參數(shù)一起，“插座電源”或設(shè)備的輸入電源，無論是 CPU 還是 GPU（圖形處理單元）或其他設(shè)備，也被稱為 CPU。
上述兩個值一起使用來定義一個指標，該指標表示從微處理器散熱的難度;這被稱為“熱阻”，本質(zhì)上是正常運行中外殼和冷卻介質(zhì)之間的溫差與輸入功率之比。它的倒數(shù)通常用作衡量標準，以指示在相同的溫差下需要耗散多少功率。因此，較高的值表明需要耗散更多的功率，因此，根據(jù)已知的熱交換定律，需要熱交換表面或更高的系數(shù)。設(shè)備的小型化使得無法增加表面，因此行動僅限于改善表面的熱交換。在不涉及太多技術(shù)細節(jié)的情況下，這在表面和液體之間比在表面和空氣之間更有效。
該參數(shù)也稱為“冷卻難度”。該圖顯示了過去二十年中不同設(shè)備的典型趨勢。有趣的是，根據(jù)ASHRAE的數(shù)據(jù)，冷卻難度經(jīng)歷了三個階段：一個是持續(xù)增長到2010年，然后是引入“多核”技術(shù)導(dǎo)致的穩(wěn)定，這在實踐中增加了處理器的數(shù)量，因此增加了功率，同時也增加了表面積，因此冷卻難度的程度保持不變。最近，這一趨勢是同一核心的功率大幅增加，隨之而來的是冷卻難度的迅速增加：出于這個原因，ASHRAE預(yù)計越來越多地使用液體冷卻，這在去除相同表面積的熱量方面更有效（根據(jù)Gartner的數(shù)據(jù)，最多可提高3000倍）。
液體冷卻有多種形式，可能包括在機箱內(nèi)使用支撐服務(wù)器的板（通常稱為 ILC，間接液體冷卻），或與 CPU 外殼接觸的特定液體熱交換器代替翅片散熱器（DLC，直接液體冷卻），甚至將整個服務(wù)器浸入充滿介電液的水箱中（TLC，全液冷）。后者尤其促使人們尋找合適的流體，因為熱交換能力需要與安全性相結(jié)合，即避免損壞IT設(shè)備（例如，必須避免水，即使是間接熱交換器），同時又不忘記對人的危害和對環(huán)境的影響。還有兩相系統(tǒng)，其流體在散熱時蒸發(fā)，然后在外部熱交換器中再次冷凝。
這種結(jié)構(gòu)通常很復(fù)雜，有多個回路和中間熱交換器，但這可以減少流體含量，這通常很昂貴。
ASHRAE 和 OCP（開放計算項目）都報告了一個相對完整的參考布局，如下所示。突出顯示了主流體回路，通過使用二次流體的冷卻分配單元 （CDU） 進行熱交換，二次流體可以由冷卻器或蒸發(fā)塔進行水冷。
下圖說明了浸入式或“基于機架”的系統(tǒng)。
（圖片來自：https://www.opencompute.org/documents/ocp-acf-reference-design-guidance-white-paper-pdf-1）
由于芯片的溫度通常在55-60°C左右，因此很明顯，液體冷卻可以達到45-50°C，因此只需使用散熱器和室外空氣即可冷卻，從而節(jié)省大量能源。根據(jù)EPEE的建議，獲得的溫度還可以允許在冬季或工業(yè)過程中進行供暖的熱回收，EPEE建議將其納入歐洲標準。
ASHRAE根據(jù)允許的流體溫度對系統(tǒng)性能進行分類，因此取決于系統(tǒng)的類型。
然而，正如去年發(fā)布的上述白皮書所強調(diào)的那樣，這些等級目前正在修訂中，由于密度和冷卻難度的增加，限制降低了 2°C。
似乎所有數(shù)據(jù)中心都應(yīng)該立即采用液體冷卻，這也是由于其他好處，例如占用的空間更少，噪音更低，因為沒有風扇。然而，這些系統(tǒng)的成本、運營商的不熟悉以及對不那么容易獲得的產(chǎn)品的需求，迄今為止限制了這些系統(tǒng)的采用，特別是在擴展的背景下，新數(shù)據(jù)中心的部署速度是許多運營商成功的關(guān)鍵。
盡管如此，毫無疑問，這些系統(tǒng)具有許多優(yōu)勢，領(lǐng)先的服務(wù)器制造商現(xiàn)在已經(jīng)將專為液體冷卻而設(shè)計的解決方案工業(yè)化，尤其是 DLC，它可以在冷卻 CPU 的同時保留標準機架布置，從而減少約 80% 的空氣減少。
因此，許多運營商認為液體冷卻正在成為主流，取代傳統(tǒng)系統(tǒng)，但它也可以與其他系統(tǒng)結(jié)合使用，在一些人已經(jīng)創(chuàng)造的“混合冷卻”范式中，機械冷卻（冷卻器）仍然部分用于降低入口溫度，因為去除熱量的難度越來越大。
源 | Intel
與任何強大的 PC 硬件一樣，CPU 在運行時會產(chǎn)生熱量，需要適當冷卻才能達到最佳性能。
正如英特爾系統(tǒng)散熱和機械架構(gòu)師 Mark Gallina 所說，在正常運行期間，CPU 內(nèi)的晶體管將電能轉(zhuǎn)化為熱能（熱量）。這種熱量會增加 CPU 的溫度。如果沒有有效的散熱途徑，CPU 將超出其安全工作溫度。
但是，讓 CPU 保持在理想溫度下運行的最佳方法是什么呢？有許多方法可以冷卻處理器，但大多數(shù)臺式機和筆記本電腦使用空氣冷卻器或液體冷卻器。接下來將討論液體冷卻與空氣冷卻：它們的工作原理、每種方法的優(yōu)缺點。
空氣和液體 CPU 冷卻器的工作原理相似，它們所做的本質(zhì)上一樣：從 CPU 吸收熱量，然后將熱量從硬件中散發(fā)出去。處理器本身產(chǎn)生的熱量被散發(fā)到 CPU 上稱為集成式散熱器 (IHS) 的金屬蓋上。然后，熱量轉(zhuǎn)移到 CPU 冷卻器的基板。再然后，熱量通過液體或?qū)峁苌l(fā)到風扇，接著被從冷卻器吹走，最終離開 PC。雖然基本的機制是相似的，但這兩種方法實現(xiàn)熱量散發(fā)的方式非常不同。
在空氣冷卻器中，熱量從 CPU 的 IHS 通過所涂抹的導(dǎo)熱膏轉(zhuǎn)移到通常由銅或鋁制成的傳導(dǎo)基板中。然后，熱能從基板進入連接的導(dǎo)熱管。
導(dǎo)熱管旨在將熱量從一個位置傳導(dǎo)到另一個位置。在這種情況下，熱量會轉(zhuǎn)移至高于主板的散熱器，從而留出空間放置其他組件，比如 RAM。這些管道以熱量的形式將能量輸送到構(gòu)成散熱器的薄金屬翅片中。這些散熱片的設(shè)計是為了最大限度地暴露在較冷的空氣中，從而吸收金屬中的熱量。然后，連接的風扇將熱的空氣吹離散熱器。
被動冷卻是怎樣的？
與標準空氣冷卻器相比，被動式冷卻器不太常見，但在理論上是相似的。它們依靠特別設(shè)計的散熱器來吸收和散發(fā)熱量，而不需要使用風扇。對于有低噪音要求的設(shè)備，這類散熱器非常有用，但大多數(shù)游戲計算機都使用空氣冷卻器或液體冷卻器。
空氣冷卻器的效率會因諸多因素而有所不同，比如構(gòu)建時使用的材料（例如，銅的傳導(dǎo)性優(yōu)于鋁，但鋁更便宜），以及連接到 CPU 散熱器的風扇的大小和數(shù)量。這就是 CPU 空氣冷卻器的尺寸和設(shè)計會有不同的原因。
大空氣冷卻器通常散熱更好，但并不總是有足夠的空間來容納較大的散熱解決方案，特別是在小型電腦中。接下來將進一步探討空氣冷卻的優(yōu)點，以及何為液體冷卻。
1.2 液體冷卻
與空氣冷卻器一樣，有多種選項可供選擇，但大多數(shù)都分為兩類：一體式 (AIO) 冷卻器或自定義冷卻循環(huán)。在這里，我們將主要關(guān)注一體式 (AIO) 冷卻器，盡管這兩者中液體如何冷卻 CPU 的基本原理是相同的。
與空氣冷卻類似，冷卻過程從連接到 CPU IHS 的基板開始。IHS 上附有一層導(dǎo)熱膏，方便兩個表面之間更好地傳熱。基板的金屬表面是水冷頭的一部分，水冷頭設(shè)計為裝填冷卻液。
當冷卻液通過水冷頭時，會從基板吸收熱量。然后，冷卻液繼續(xù)在系統(tǒng)中行進，向上通過一兩根管子到達散熱器。散熱器將液體暴露在空氣中，幫助其冷卻，然后，連接到散熱器的風扇將熱量吹離冷卻器。接下來，冷卻液重新進入水冷頭，循環(huán)再次開始。
選擇冷卻方式時需要考慮的因素
價格會因優(yōu)先考慮的功能而有很大的不同。不過，一般來說，空氣冷卻器的成本較低，因為操作更直接。兩者都有入門級和高級版本。高級版本的空氣冷卻器可能配有更大的散熱器、更好的風扇，并提供不同的美學設(shè)計。高端一體式 (AIO) 液體冷卻器可能會有一個更大的散熱器，并可以進行外觀和功能定制，比如用于控制風扇轉(zhuǎn)速和照明的軟件。
盡管一體式 (AIO) 液體冷卻器的安裝通常比標準的空氣冷卻器更復(fù)雜，但它仍然相當簡單。大多數(shù)僅包含水冷頭、兩根用于循環(huán)冷卻液的軟管以及散熱器。額外的步驟包括連接水冷頭，這是類似于安裝空氣冷卻器的過程，然后連接散熱器和風扇，使多余的熱量可以很容易地從 PC 中散出。由于冷卻液、泵和散熱器都包含在設(shè)備中（因此稱為“一體式 (AIO)”），安裝后只需很少的監(jiān)管或維護。
另一方面，安裝自定義循環(huán)需要構(gòu)建者付出更多的努力和掌握更多的知識。初始安裝過程可能更耗時，但是增加的靈活性允許進行更多的自定義，并且如果需要，可以將其他組件（如 GPU）包括到循環(huán)中。當正確實施時，這些更復(fù)雜的自定義循環(huán)還可以支持各種形狀和尺寸。
空氣冷卻器可能體積大，但它僅限于一個區(qū)域，而不是分布在整個系統(tǒng)中。另一方面，使用一體式 (AIO) 時，需要為散熱器留出空間，還需要考慮水冷頭和冷卻液管的正確方向和對齊等問題。也就是說，如果計算機比較小，體積偏大的空氣冷卻器可能不是最好的選擇。薄型空氣冷卻器或帶小型散熱器的一體式 (AIO) 冷卻器可能更合適。在規(guī)劃升級或選擇機箱時，請確保有足夠的空間來容納所選的冷卻解決方案，并確保機箱支持已選擇的硬件。
液體冷卻，尤其是使用一體式 (AIO) 時，往往比 CPU 散熱器上的風扇更安靜。同樣，這也不一定，因為有專門設(shè)計用來降低噪音的空氣冷卻器，而風扇的設(shè)置或風扇的選擇也會影響產(chǎn)生的噪音量。但總體而言，液體冷卻往往產(chǎn)生的聲音較少，因為小型泵通常絕緣良好，散熱器風扇的轉(zhuǎn)速往往低于 CPU 散熱器上的風扇。
如果打算做一些 CPU 密集型的工作，比如渲染視頻或流式傳輸，那么液體冷卻可能是最好的選擇。液體冷卻比純傳導(dǎo)能更有效地將熱量分散到更多的對流表面積（散熱器）上，從而降低風扇轉(zhuǎn)速（更好的降噪效果）或提高總功率。換言之，它更有效，且往往更安靜。如果追求盡可能低的溫度，或者對更安靜的解決方案感興趣，且不介意稍復(fù)雜的安裝過程，液體冷卻可能是最佳選擇。
空氣冷卻器非常善于將熱量從 CPU 中轉(zhuǎn)移出去，但熱量隨后會散入機箱中，這會抬高系統(tǒng)的整體環(huán)境溫度。液體冷卻器通過散熱器上的風扇將熱量轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)外，這方面做得更好。
綜上
選擇液體冷卻還是空氣冷卻，取決于如何使用計算機以及預(yù)期的性能和工作負載。如果希望工作時幾乎沒有噪音，冷卻效果最好，且不介意可能更高的價格，液體冷卻將是合適之選；如果尋找的解決方案要有更低的價格，安裝要簡單，并能犧牲一定的性能和降噪效果，建議采用空氣冷卻。
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融界2024年3月29日消息，據(jù)國家知識產(chǎn)權(quán)局公告，華為技術(shù)有限公司申請一項名為“用于筆記本電腦的散熱元件和冷卻系統(tǒng)以及制造散熱元件的方法“，公開號CN117795281A，申請日期為2021年7月。
專利摘要顯示，提供了一種用于筆記本電腦液體冷卻系統(tǒng)的散熱元件(102)。所述散熱元件包括：入口(104)，布置在所述筆記本電腦的屏幕部分(108)的下角(106)中，并用于接收加熱流體；出口(112)，布置在所述屏幕部分的相對下角(114)中以返回冷卻流體。所述散熱元件包括：上升部分(116)，布置成將所述流體從所述入口攜帶到所述屏幕部分的頂角(118)；和下降部分(120)，布置成將所述流體從所述上升部分攜帶到所述出口。所述散熱元件提高了熱性能，即用于吸收所述筆記本電腦熱量的流體被冷卻到環(huán)境溫度水平。結(jié)果，所述散熱元件提高了冷卻效率。此外，所述散熱元件提供均勻的熱量分布。
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