计算机热管理中的液体金属散热方法研究

发布时间：2020-06-18 04:31

【摘要】： 随着高集成计算机芯片的发展,传统的冷却方法将趋于其散热极限,对高性能芯片冷却的需求已上升到前所未有的层面。为了克服此类芯片所引发的热障问题,低熔点金属或其合金被引入计算机热管理。这一崭新的芯片散热方法引申出了大量的理论、试验及实际器件研制等方面的问题。本论文旨在对这一课题进行研究,所取得的进展如下: 1、二元低熔点合金热物性的研究室温金属流体在芯片散热领域中正日益显示重要价值,但相关材料的热物性比较缺乏。本文基于Faber-Ziman理论,采用Ashcroft-Langreth硬球模型偏结构因子以及空核心模型赝势计算了液态二元镓铟及钠钾合金的电阻率,在此基础上结合Wiedemann-Franz-Lorenz(WFL)定律,得到了两类合金的热导率。作为对比,本文同时也对镓铟合金的热导率进行了实验测定。采用Iida唯象二元合金粘度理论分别计算了液态钠钾和镓铝合金粘度随原子组分浓度的变化关系。 2、电磁驱动室温金属流体的数值模拟与实验研究作为电磁驱动室温金属流体散热系统的动力源,电磁泵直接影响着最终散热性能。为深入认识电磁泵驱动室温金属流体的特性,本文建立了相应的磁流体动力学方程,针对两类不同流道结构的电磁泵,采用有限元方法模拟得到了金属流体在电磁泵内的流速分布、电流分布以及进出口压差。同时,采用浇注方法制作了透明的室温金属流体电磁泵,开展了初步的静压测试,验证了计算方法和仿真程序的准确性;结果表明,室温金属流体电磁泵的进出口压差与磁感应强度和输入的电极电流成线性关系。 3、基于NaK77.8芯片散热技术的数值评估采用CFD软件Fluent,对采用NaK77.8合金和水作为冷却工质的冷头性能进行了数值评估。数值结果表明:NaK77.8作为工质时的冷头性能要优于同等条件下水作为换热介质;NaK77.8较低的体积比热使其出口平均温度要比相同条件下的水来得高,同时在较高流速下的冷头性能更为优越;在高热流密度和极端环境下,基于液体金属NaK77.8冷头同样有着很好的性能。利用热分析软件Icepak对基于NaK77.8的芯片散热技术的冷却性能进行了系统级热仿真,考察和分析了远端散热器对整个冷却系统性能的影响。结果表明:远端散热器更易成为整个系统的散热瓶颈,阻碍热量的有效散发。 4、液体金属散热技术应用于台式机和笔记本系统的研究在前期工作的基础上,对液体金属散热技术在实际计算机系统的应用进行了尝试。本文研制出一套可用于台式电脑的液体金属冷却系统,并对其联机后的实际应用性能进行了初步评估,测试结果表明液体金属冷却系统能有效地将台式计算机产生的热量带走。针对内部空间狭小和芯片高度集成的笔记本电脑,本文提出了液体金属冷却系统的笔记本解决方案。利用Icepak软件对其性能进行了数值评估,其结果令人满意。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（理化技术研究所）
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TP303.2
【图文】：

半导体技术,热设计,蓝图,国际

图 1-1 2004 年国际半导体技术蓝图对 CPU 热设计功耗的预测[7]计算机热管理中的典型液冷技术1 管路水冷散热管路水冷冷却是最常用的一种液冷方式，如图 1-2 所示，其工作驱动水循环通过一个贴在芯片上的吸热块（热沉），当水流经吸热热的芯片传到较冷的液体，受热液体随后流到远端散热器，利用风过散热器，将热量传到外部的环境中，冷却后的液体重新流回到重复上述过程，即可完成热量的输运。目前国内外生产宏观管路水厂商如 SWIFTECH、KOOLANCE、AHANIX 和奥柯玛等，都有其冷系统，并在该领域不断进行技术投入与开发。

示意图,管路,示意图,液体

目前管路水冷冷却是最常用的一种液冷方式，如图 1-2 所示，其工作原理为：流体泵驱动水循环通过一个贴在芯片上的吸热块（热沉），当水流经吸热块，热量从发热的芯片传到较冷的液体，受热液体随后流到远端散热器，利用风扇强迫空气流过散热器，将热量传到外部的环境中，冷却后的液体重新流回到 CPU 吸热块，重复上述过程，即可完成热量的输运。目前国内外生产宏观管路水冷系统的主要厂商如 SWIFTECH、KOOLANCE、AHANIX 和奥柯玛等，都有其独特设计的液冷系统，并在该领域不断进行技术投入与开发。

【参考文献】