近年，伴隨著人工智能、大數據、物聯網技術的發展，高功率密度的超算設備成為服務器廠家紛紛布局的產品。目前高（功率）密度服務器中的單顆CPU TDP（Thermal Design Power，散熱設計功耗）200W起步，例如intel Xeon處理器；GPU、NPU、TPU等專業處理器的功耗更大，例如英偉達GPU TeslaV100的TDP達到300W。另一方面，由于高密度服務器內集成的內存數量、傳輸速率較之前都有數量級的提升，伴隨而來的內存散熱問題也越來越得到重視。此外，SSD、I/O設備、VRD等設備功耗的增加也迫使服務器廠家不斷優化散熱設計。

圖1 某品牌高密度服務器

傳統服務器的散熱方式是強迫風冷，該方式的散熱能力取決于換熱系數、換熱面積及換熱溫差。通常的做法有：

1. 給高功耗的處理器加裝散熱翅片，以增大風冷散熱面積；

2. 配置變頻調速的大風量風機，優化服務器內的流場布局，一方面增大了換熱系數，另外也通過大風量實現小溫差傳熱，把處理器的溫度控制在合理范圍內。

強迫風冷散熱方式屬于氣體強制對流換熱方式范疇，因此該種散熱能力的理論上限為20-100W/( m2·········K) 。此外，由于高密度服務器的結構緊湊，可供風道設計的尺寸減小，空氣側的流場阻力隨之增大，風機所能提供的風量由此減小。因此無論從理論上還是工程上，傳統強迫風冷的方式已逐漸無法滿足高密度服務器的散熱要求。

通過CPU強迫風冷傳熱熱阻與CPU散熱風扇轉速的關系曲線，可以使我們對風冷散熱方式的能力上限有一個更直觀的認識（見圖2）。

圖2  服務器CPU散熱熱阻與風機轉速關系

在風機轉速從1000r/min提高到4000r/min的過程中，CPU散熱中對流占主導，空氣流速增加會使強制對流換熱系數顯著增加，即風機轉速的增加可以顯著的改善CPU的散熱性能；在風機轉速超過4000r/min后，傳熱熱阻下降比較平緩，因為此過程中對流換熱能力已經逼近極限，風機轉速的增加只能改善與空氣的導熱傳熱，directadmin授權，即此過程對CPU的散熱性能影響減弱了。

傳統風冷散熱方案已不能滿足高密度服務器的散熱要求，液冷散熱方式成為必然選擇。由于液態載冷劑的比熱容、換熱系數都遠高于空氣，因此更滿足高密度服務器的散熱要求。

通過幾種常見換熱方式的換熱能力對比（圖3），液相單相強制對流換熱能力比空氣強制對流高2個數量級，可滿足高能耗處理器的散熱要求。以Xeon Platinum 8180芯片為例，芯片封裝后的尺寸是75mm×55mm，TDP是205W，如果采用空氣強制對流換熱方式，取換熱溫差40℃、對應最大熱流密度3W/cm2，則最大換熱能力為124W，不能滿足散熱要求。如采用液相單相強制對流換熱方式，取換熱溫差10℃、對應最大熱流密度為30W/cm2，則最大換熱能力是1240W，遠大于處理器的散熱要求，此外還可以實現更小換熱溫差的傳熱。

圖3 幾種換熱形式熱流密度與換熱溫差的關系

處理器的電功耗主要分三部分：空載功耗、靜態功耗、動態功耗，其中靜態功耗與處理器的溫度息息相關。芯片溫度升高，處理器內晶體管的泄漏電流增大，進而增大了處理器的靜態功耗。Zapater用指數形式擬合了靜態功耗Ps與處理器溫度的關系：

c2、c3——經驗系數；Ps——處理器靜態功耗；Td——處理器壁面溫度

液冷方案中實現更小的溫差傳熱，使處理器壁面處于更低的溫度，進而減少了處理器的靜態功耗，即減小了散熱設備的負荷，同時還提高了IT設備的電能利用效率。

綜上所述，高密度服務器的散熱方式必然從傳統風冷向液冷轉變。