2019年5G正式商用,超高密度的信息接入将产生海量数据。作为处理、存储数据的基础——数据中心服务器,其运行能耗势必增加。目前,大部分数据中心内冷却系统的能耗与IT设备的运行能耗几乎持平。在保证IT设备安全运行的前提下,开发更加节能的冷却技术迫在眉睫。服务器运行过程中消耗的电能绝大部分都转换为废热,若机柜内的这部分热量无法及时转移到周围环境中,机柜内芯片的运行温度将急剧升高。当机柜内的芯片温度升高至70℃以上,无法保证芯片稳定运行。为保证服务器芯片能安全、稳定运行,对数据中心服务器芯片冷却系统提出了更高的要求。当前,绝大多数的数据中心仍然采用风冷散热技术冷却芯片。由于空气作为冷却工质的传热性能较差,随着芯片工作热流密度的不断提升,效率低下的风冷散热技术已逐渐不能满足服务器的散热需求。为保证IT设备稳定运行并降低数据中心的冷却能耗,研发高效、节能的冷却系统意义重大。水的比热容相当于空气的5倍,具有更好的传热负载能力。与风冷散热技术相比,芯片水冷系统的运行能耗低且无噪音。因此,服务器机柜水冷散热技术目前受到广泛的关注。目前,数据中心水冷散热技术的研究已成为热点,CPU冷却技术研究主要集中于单体散热器的开发与性能分析方面。由于多种原因,未能建立服务器机柜整套水冷散热系统。难于将多个水冷散热器应用于服务器基板CPU的热管理。针对上述理论与技术现状,本文研究内容如下:(1)利用COMSOL软件,在冷却水流量0.6-3.0L/min、温度20-30℃的多种参数下,分析并联集成散热器冷却三个芯片的工作性能。确定了冷却水在三个并联散热器内流动不平衡性;以温度方差衡量了三个散热器在冷却性能方面的差异;在冷流体的最佳运行参数下,分析了并联集成散热器的综合性能。(2)利用COMSOL软件建立内含12块芯片的机柜水冷散热模型,机柜内部12个散热器的水路以并联方式连接。针对机柜运行功率6.0-7.5kW、散热系统水流量4.8-12.0L/min及进口水温20-30℃的多种运行参数,开展机柜内芯片水冷散热系统流动性能和冷却性能的数值模拟研究。通过确定不同参数下维持机柜芯片安全运行所要求的最小冷却水流量,对后续的系统能耗分析和系统优化提供指导。(3)利用瞬时系统仿真软件TRNSYS,分别建立基于闭式冷却塔冷源、基于空冷式冷水机冷源及基于混合冷源的三种数据中心服务器芯片水冷散热系统模型。以天津典型气象年数据提供的环境温度为依据,分析机柜(功率为7.5kW)稳定运行时,三种冷源系统的能耗,计算出相应的PUE值。结果表明:在天津典型气象年数据提供的环境温度条件下,冷却塔无法在全年内提供稳定的冷却效果以满足机柜散热需求。而采用冷却塔和冷水机共同作为冷源,可以在满足机柜散热需求的情况下,进一步降低散热系统能耗。冷源切换温度会影响该散热系统的运行能耗,将环境温度14℃作为冷源切换温度时,水冷散热系统能耗最低,其PUE值为1.189。(4)利用数据中心服务器芯片水冷散热系统实验台,开展水冷散热实验,并验证水冷系统的冷却性能和系统的能耗模拟结果。结果表明,实验与数值模拟所得芯片温度之间的误差最大为27.2%,有8块(共12块)芯片的温度误差在10%以内;两者在系统运行能耗方面的误差在20%以内。