摘要：互联网的迅猛发展加快了服务器硬件更新换代的步伐，随着服务器内部硬件的散热量越来越高，服务器的散热问题成为制约服务器发展的一大障碍，内部紧凑的机架式服务器尤有甚之。该文就现今机架式服务器散热系统的散热方式、结构、材料及改进方案进行了相关分析、阐述和总结。
关键词：散热；服务器散热系统；应用
1.引言
随着电子设备的发展，机房内高热密度服务器数量逐渐增多，其散热量也以惊人的速度增长，仅增加穿过架空地板或者天花板的冷空气供应量不仅不能满足高热密度服务器机柜散热的需要，而且造成能源浪费。本文对某数据机房的温度和空调耗电量进行了测量和分析。为保证高热密度服务器的正常工作，减少能源的浪费。
即使使用最好的抑制策略与高效率冷却系统，机架中的服务器热点任然会因为计算设备次优选择或放置而产生。
意外的障碍物或空气流路偶然变化可能产生热量。举例来说，拆下服务器机架的护板，让空气流入机架计划外的位置，会削弱流动到其他服务器的空气，增加出口温度。
大幅度增加服务器能耗，同样会引起散热问题。例如，用高级刀片服务器系统替换几台1U服务器，会极大提高机架的能源开销，并且空气流量不足会直接影响到刀片机的所有模块组件。如果冷却系统不是为这样的服务器而设计，很可能经常出现热点。
2.散热方式
散热的方式包括热传导、热对流和热辐射。热传导实质是由大量物质的粒子热运动互相撞击，而使能量从物体的高温部分传至低温部分，或由高温物体传给低温物体的过程。在热传导的过程中物体中的分子不发生相对位移，固体、液体和气体都能以这种方式传热；热对流又称对流传热，是指流体中质子发生相对位移而引起的热量传递过程，热对流可分为自然对流和强制对流，这种传热方式仅发生在液体和气体中；热辐射也可称为辐射传热，是物质由于本身温度自发产生电磁波而被另一低温物体吸收后，又重新全部或部分转化为热能的过程。辐射传热不需要任何介质做媒介，它可以在真空中传播，一般只有物体温度大于400摄氏度时，才有明显的热辐射。多数的散热系统采用混合方式，比如现实中用一个带风扇（可以形成强制对流）的铝基座（热的良导体）散热器给处理器芯片散热降温。散热的关键是如何快速的将大功率热源产生的热量传递出去。
3.机架式服务器对散热系统的限制条件
机架式服务器是指按照工业标准可以直接安装到标准19英寸机柜当中的服务器。机架式服务器的主要作用是节省空间，将许多服务器装的一个机柜中，便于统一管理，服务器的高度有1U、2U、4U、5U、7U等规格。机架式服务器主要内部硬件包括硬盘、电源、主板（附带cpu、内存、显卡等）、风扇等。由于服务器需要具备高速度的运算能力、长时间的可靠运行、强大的外部数据吞吐能力等特点，在81.28cm（L）*48.26cm（W）*4.45cm（H）（1U服务器）的小空间之中放置了大量的高功率产热原件，这已经对服务器的散热系统构成了较大威胁。
4.高热密度机架式服务器散热问题
即使使用最好的抑制策略与高效率冷却系统，机架中的服务器热点任然会因为计算设备次优选择或放置而产生。意外的障碍物或空气流路偶然变化可能产生热量。举例来说，拆下服务器机架的护板，让空气流入机架计划外的位置，会削弱流动到其他服务器的空气，增加出口温度。大幅度增加服务器能耗，同样会引起散热问题。例如，用高级刀片服务器系统替换几台1U服务器，会极大提高机架的能源开销，并且空气流量不足会直接影响到刀片机的所有模块组件。如果冷却系统不是为这样的服务器而设计，很可能经常出现热点。在增加服务区机架密度时，运营组织需要考虑投资数据中心基础设施管理和其他系统管理工具，收集来自机架内热传感器所提供的数据并生成报告。它们可以发现超过发热限制的情况并采取必要措施，如通知技术人员，自动调用工作负载迁移或关闭系统，以防止设施过早失效。当服务器机架规划产生热点时，IT团队可以重新分配硬件。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆与填充单个机架不同，若空间允许，移动一半或一、二架设备到其他机架上，或关闭过热的系统。如果空间不足以进行重新设计，加入一些可移动、自带空调并可在数据中心内使用的冷却设备。如果机架使用紧凑型行内或机架内冷却单元，设置温度点可以比打开密闭单元，增加冷却设备更有效的实现冷却效果。
从长远来看，突破性的技术能够帮助热量管理。水冷式机架可以通机柜门或其他路径传输冷却水。水冷式机架能能够解决大部分发热问题——尤其当只靠低温空气和高温空气对流散热不起作用时。中浸没式冷却技术可以将服务器浸入充满像矿物油，却非导电、非腐蚀性冷却物质的浴缸中。这种技术有望实现高效率、几乎没有噪声以及接近零损耗的热传输。然而，这些热门技术选项更适合于新数据中心架构，而不是普通的技术周期更新。
5.服务器散热系统的应用
当今服务器的主要散热系统主要由强制对流（风扇）散热器和（未普及的）水冷散热器构成。
5.1强制对流散热器
强制对流散热器的构成主要由散热基座、散热片、固定部件、风扇等部件，散热基座大部分由热导率较高的金属铜加工而成，该部件可以更快的将热量传递到散热片；散热片一般采用铝合金加工而成，一方面，铝合金比铜更容易加工；另一方面，铝合金又可以弥补纯铝易氧化、易腐蚀的缺点。散热片主要是通过增大与冷空气的接触面积来使冷空气迅速将散热片中的热量带走。风扇的作用就是为散热片提供足够强的风力。机架式服务器中的散热系统并不是只由强制对流散热器构成，它由防尘罩、过滤网、鼓风机、风扇、散热片构成，热源通过散热器将热量传到空气中，然后由风扇（鼓风机）将热量传到外界，而防尘罩和过滤网的作用就是阻止空气中的灰尘进入机箱内。这种散热方式的优点是，全部构件已经标准化，成本大大降低，整个机箱散热结构相对简单，稳定性较高。但是随着电子器件的热功率不断升高，风扇的性能也在不断提升并逐渐达到极限；机箱内部风扇数量越来越多（现在风扇的数量已经高达到八枚）；风扇长时间的运作所带来的噪声越来越大；机房中的大环境温度不断升高……，这些都会导致风冷散热系统对机架式服务器所要求的高稳定、低温度力不从心。
5.2水冷散热器
水冷散热器的构成主要由初级水冷装置（不是必需的）和次级水冷装置，初级和次级之间的水流互不串流，初级水冷装置由冷冻机组、循环水泵、储冷罐、全封闭式水冷机柜等构成，主要负责传输次级水冷装置传递过来的热量；而次级水冷装置由水冷头、水冷排、水泵、水箱、水冷液、水管等构成，负责将热源产生的热量传递到外界。次级水冷散热装置运转的时候不需要空气的参与，因此可将机箱内部全部封闭起来，完全阻绝灰尘的进入，增强系统稳定性。另外，机箱内部水冷散热装置的运用替代了原有风扇的使用，降低了噪声，达到“超静音”的效果；减少风扇的使用，也是对电力资源的极大节省。同时降低电子配件设备的使用温度，增加使用寿命，提高企业效益。水冷散热装置也具备很多缺点，其最大缺点就是加工工艺的低劣导致漏液情况，漏液将会导致整块主板直接报废，甚至还会牵连与之相近的处理器、内存等器件；水冷散热装置的安装也是非常麻烦的，安装时要使金属器件尽可能的远离主板上的微小器件，防止短路。初级水冷装置通过热交换器件可将服务器中次级水冷装置的热量传递到机房外部。因此，这种散热方法可以降低机房中的温度和噪声，既提升了电子器件的使用寿命，也改善了工作人员的工作环境。
结语
随着高热密度机架式服务器及其它机器服务器运行速度的越来越快，对服务器的散热器效果要求日益增高。只有不断的优化产品设计方案和制造出既能高效散热又能防尘的新型散热器，才能满足各类日新月异服务器的高效散热和稳定持久运行的需求。
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基金项目：广东电网有限责任公司职工技术创新项目：031300KK52180026
论文作者:陈卫忠,郭德孺
论文发表刊物:《电力设备》2018年第14期
论文发表时间:2018/8/21
标签：服务器论文; 水冷论文; 机架论文; 系统论文; 散热片论文; 风扇论文; 热量论文; 《电力设备》2018年第14期论文;