TW201941677A - 伺服器之擴展散熱器設計 - Google Patents

Abstract

一種結構，用於改良利用單一冷卻空氣源在例如GPU伺服器的殼體內排成多排發熱電子裝置之間的冷卻效率和溫度均勻性。電子裝置排列成多排，但後排的散熱器位置移動到前排的散熱器上方以佔據冷卻空氣流內的不同位置。在一些實施例中，電子裝置的散熱器向前擴展，以便位於前排的電子裝置的散熱器附近，但處於冷卻空氣的不同流動路徑中。在其他實施例中，為後排的電子裝置提供熱虹吸致冷系統，並且也可以為前排的電子裝置提供熱虹吸致冷系統。

Description

伺服器之擴展散熱器設計

在伺服器設計中，熱量累積是值得關注的 - 特別是在由冷卻風扇提供的初始氣流下游的組件中，其中進入的冷卻空氣在到達下游組件之前被預熱。由於圖形處理單元(graphic processing unit, GPU)和中央處理單元(central processing unit, CPU)所需的功率越來越高，與該些單元的熱量輸出相關的最近發展變得關鍵。本揭露旨在減少上游和下游組件之間的溫度差異而不增加冷卻風扇上的電力負載。使用擴展散熱器設計可降低組件的溫度差異。

在伺服器設計中，應用越來越高的GPU耗能。目前，GPU的最高功率高達300W，但即將增至400W。目前受限於僅靠空氣冷卻的散熱器無法解決GPU之間的溫度差異而使設備的溫度達到規格要求的臨界。

在如第1A圖(習知技藝)所示的示意佈局的伺服器中，係放置八個GPUs模組的一個示例。第1A圖的透視圖係繪示於第1B圖中(習知技藝)。GPU散熱器有2U至3U的高度空間。前面4個GPUs和後面4個GPUs的放置位置如第1A圖及第1B圖所示。從第1A圖中的風扇12的放置可以看出，沿箭頭9方向的初始冷卻空氣將通過第一排的4個GPUs並將其冷卻。但是，由冷卻空氣吸收了第一排的4個GPUs熱量，導致第二排的4個GPUs 18 ~21 中的散熱較少(散熱效果降低)。如第2圖所示(習知技藝)，第一排和第二排GPUs之間將存在溫度差異。由於冷卻空氣的預熱，第一排GPUs的溫度將比第二排GPUs的溫度低6-11ºC。因此，在這個設計中，存在這些問題： （a）較差的溫度分佈導致位於最差位置的GPU在71.8ºC下運行； （b）熱量(thermal)限制可能致使無法支持GPUs運作；及 （c）將最差位置的GPU帶入所要求的溫度規格時，風扇耗能較高。

本揭露提出了一種降低GPUs之間的溫度差異(disparity)而不增加風扇耗能的結構。

於本揭露一實施例中，擴展散熱器結構致使配置八個GPUs伺服器中的GPUs之間有更均勻的冷卻。

在另一實施例中，提供上及下散熱器分為不同的空氣冷卻通道，以降低GPUs之間的溫度差異。

在又一實施例中，熱虹吸管解決方案係被採用，在導管內填充致冷劑，並將導管嵌入擴展散熱器中。

本揭露提供了具有以下優點的最佳熱設計： （a）無預熱冷卻空氣和均勻的溫度分佈，前後兩排GPUs之間的溫差降至3ºC； （b）散熱器的最佳傳熱效率； （c）將最壞情況下的溫度位置降至65ºC；及 （d）降低風扇耗能。

根據本案一實施例，提供一種擴展散熱器(extended heat sink)，位於發熱的複數個處理單元之一陣列中，其中該些處理單元係放置在包含一前排及至少一後排的至少兩排中，且更包含冷卻空氣之一來源，使該冷卻空氣從該前排往該至少一後排的一方向流動，該擴展散熱器包含：從位於該至少一後排中之一處理單元所擴展之一散熱器。

根據本案一實施例，提供一種伺服器，包含發熱的複數個處理單元之一陣列，該些處理單元排列在一前排及至少一後排並位於一殼體內，該陣列中的各處理單元包含一散熱器及一熱虹吸(thermo siphon)致冷電路；在該至少一後排之各處理單元的該致冷電路包含用於儲存致冷劑的一第一儲存器、接觸各該處理單元用於儲存致冷劑的一第二儲存器、及至少一導管以從該第二儲存器輸送蒸汽致冷劑到該第一儲存器、以及一第二導管以輸送該第一儲存器中的液體致冷劑至該第二儲存器；該前排之各處理單元的該致冷電路包含儲存致冷劑的一第三儲存器、接觸該前排的各處理單元用於儲存致冷劑的一第四儲存器、及至少一導管以從該第四儲存器輸送蒸汽致冷劑到該第三儲存器、以及一第三導管以輸送該第三儲存器中的液體致冷劑至該第四儲存器。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：

本發明係參考附圖而被描述，其中在所有附圖中使用相同的附圖標記來表示相似或等同的元件。附圖不是按比例繪製的，且僅用於說明本發明。本發明的幾個方面係參照用於說明的示例應用而說明於下。應理解的是，闡述了許多具體細節、關係和方法以提供對本發明的全面理解。然而，相關領域的具有通常知識者將容易認識到，本發明可以在沒有一個或多個具體細節或者採用其他方法的情況下被實現。在其他情況下，已知的結構或操作未詳細示出，以避免模糊本發明。本發明不受限於所示的行為或事件的排序，因為一些行為可能以不同的順序發生和/或與其他行為或事件同時發生。此外，並非所有示出的行為或事件都需要實施根據本發明的方法。

如第1A及2A圖所示，係根據習知技藝之八個GPUs的伺服器10。在伺服器10中，風扇12提供冷卻空氣流動朝箭頭9的方向，流經伺服器10中的各個GPUs的相關聯散熱器的上方。散熱器是傳統散熱器，例如鰭片型(finned)散熱器，並且每個散熱器與各自的GPUs相關聯。GPUs各自具有它們單獨關聯的散熱器，GPUs被配置成兩排，分別包含GPUs 13、14、15和16的前排或第一排11、以及包含GPUs 18、19、20、21的後排或第二排17。每個GPUs相關聯的散熱器的高度相同於伺服器10中的任何其他散熱器。因此，散熱器全部由相同的冷卻氣流所影響(impinge)或冷卻。

冷卻空氣將影響包含GPUs 13、14、15和16的第一排11，並且將這些GPUs冷卻至工作溫度規格內。然而，在冷卻空氣到達GPUs 18、19、20和21的第二排17之前，冷卻空氣會由第一排11的GPUs預熱。由穿過第一排11的冷卻空氣攜帶的額外熱量將意味著，在影響第二排17的GPUs時，冷卻效率將不會達到峰值或最佳值。

從第2圖中可以看出，即使兩排受到相同的冷卻空氣，且即使所有GPUs都以相同的功率級運行，第一排11與第二排17 GPUs之間的溫度差異在6ºC-11ºC之間。冷卻空氣的低效率不僅因為冷卻空氣通過GPUs的第一排11時被預熱，而且還因為預熱不僅升高了冷卻空氣的溫度，而且還導致冷卻空氣流中的渦流(eddies)，這進一步導致冷卻空氣無效率的影響GPU的第二排17s。第二排GPUs的溫度導致各個GPUs在溫度規格之外運行，並進一步降低GPUs伺服器10的輸出。

為了克服習知技藝中八個GPUs之伺服器中的溫度差異，本案創建了八個GPUs之伺服器30的結構，如第3圖所示。由風扇12在箭頭9的方向上產生的冷卻空氣流動仍然通過伺服器30中的各個GPUs。然而，本案已經將前排散熱器和後排散熱器分隔為不同的空氣冷卻路徑。

不同冷卻路徑的一個實施例係繪示在第4圖中的示意圖， GPU散熱器(第2圖)中的前排(或第一排)11設計為1U至1.5U的高度，但位於比擴展的後排(或第二排)GPU散熱器較低的位置。後排GPU散熱器設計在1.5U至2.0U的上方位置，由此將上方散熱器和下方散熱器定位在殼體48內的不同冷卻空氣路徑中。另一個實施例藉由放置後排散熱器在接近於或靠近於前排的散熱器之處，但位於不同的冷卻空氣流動路徑中，藉以放置第一排散熱器及第二或後排的散熱器於不同的冷卻空氣流動路徑中。

此外，為了進一步提高冷卻效率，通過提供連接在擴展散熱器和第二排GPUs之間的熱虹吸(thermo siphon)致冷系統來增加氣流。

具體參照第4圖，其中GPU的配置承載於主板40上，用於GPU 21的擴展散熱器42被放置在冷卻空氣的流動路徑9中，其高度位於下方GPU 16的散熱器的冷卻空氣流動路徑之上。此外，以熱虹吸系統形式的致冷系統一般性地繪示為43，並包括與擴展散熱器42結合的腔室(chambor)或儲存器(reservoir)44。GPU 21還包含腔室或儲存器45，其可通過一對導管46、47連接到儲存器44。致冷系統43中的致冷劑可以是任何已知的冷卻劑(coolant)，例如水或在低於水沸點的溫度下沸騰的其它液體，例如底下詳細討論的致冷劑(refrigerant)。冷卻劑通過GPU 21吸收其熱量致使產生的蒸汽沿著箭頭50方向流經導管47，直到抵達儲存器44而被凝結。儲存器44中凝結的冷卻劑在重力作用下沿箭頭49的方向通過導管46進入儲存器45，在儲存器45中再次被加熱和汽化。應理解的是，以GPU 21所示之相同的方式，對於後排每個GPUs 20、19、及18存在類似的擴展散熱器設置。

如圖5所示，根據本實施例的改良冷卻結構的進一步改進中，前排11(在第2圖中)也可以設置致冷系統，其結構與作用類似如上第4圖討論的熱虹吸系統。如第5圖所示，如第4圖所描述相同之擴展散熱器42和致冷系統43係被提供。然而，熱虹吸系統形式的附加致冷系統53也被提供至前排，如GPU 16所例示。與通過GPU 21示例之第二排GPUs的致冷系統43的作用類似，致冷系統53係提供於第一排GPUs。在擴展散熱器52中的儲存器54包含例如水的冷卻劑，或在比低於水沸點的溫度下沸騰的其它液體，例如致冷劑。可以使用諸如R134a、R22、R12、R407c、R410a等及其組合的致冷劑，其中R134a是較佳的。儲存器54係連接到與GPU 16相關聯的儲存器55。儲存器54和55分別通過導管56和57而連接，其中蒸汽由於GPU 16的加熱而離開儲存器55，經由導管57行進而在儲存器54中凝結。凝結的液體致冷劑受重力而通過管道56流動，直到抵達儲存器55，循環再次開始。雖然為導管46、47、56和57提供了圖示，但是實際上，散熱器可以被鰭片圍繞以提高它們的冷卻效率，使得導管不可被看見(invisible)，並且散熱器可被繪示為一個整體。

第3圖之各個GPUs的示意性溫度分佈係如第6圖所示，根據本實施例的擴展散熱器的使用，將GPUs的第一排11和第二排17之間的溫差降低到約3℃或更低。因此，在不增加冷卻風扇耗能的情況下，各個GPUs的工作溫度可以降低並保持在其操作規格內。

上述舉例說明具有兩排八個的發熱GPUs陣列，然本文揭露的原理適用於具有發熱電子設備的任何設備，所述發熱電子設備包括配置成兩排或更多排的八個或更多個單元，例如是伺服器的熱來源。如此，具有通常知識者應知本揭露的教導可以應用於其他發熱電子設備的冷卻，例如CPU的冷卻。

這裡使用的術語僅用於描述特定實施例的目的，而不意圖限制本發​​明。如本文所使用的，除非上下文另外清楚地指出，否則單數形式“一”，“一個”和“該”旨在也包括複數形式。此外，就在詳細描述和/或申請專利範圍中使用術語“包括”，“包含”，“具”，“具有”，“有”或其變體的範圍而言，這些術語旨在是包括以類似於術語“包括”的方式。

除非另外定義，否則此處使用的所有術語(包括技術和科學術語)具有與本發明所屬領域的具有通常知識者通常理解的相同的含義。應進一步理解的是，例如在常用字典中定義的那些術語應被解釋為具有與其在相關領域的上下文中的含義一致的含義，並且不會被理解為理想化或過度形式化的意義，除非明確如此定義。

綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

9、49、50‧‧‧箭頭

10、30‧‧‧伺服器

11‧‧‧前排(第一排)

12‧‧‧風扇

13~16、18~21‧‧‧GPU

17‧‧‧後排(第二排)

40‧‧‧主板

42、52‧‧‧擴展散熱器

43、53‧‧‧致冷系統

44、45、54、55‧‧‧儲存器

46、47、56、57‧‧‧導管

48‧‧‧殼體

第1A圖繪示依照習知技藝之與散熱風扇有關之八個GPUs佈局之示意圖。 第1B圖繪示依照習知技藝之第1A圖之八個GPUs 佈局之透視圖。 第2圖繪示第1A及第1B圖之八個GPUs佈局中各個GPU的運作溫度的示意圖。 第3圖繪示依照第一實施例之八個GPUs結構之散熱器結構的透視圖。 第4圖繪示第3圖之八個GPUs結構的側視圖。 第5圖繪示第一排GPUs之致冷系統的第二實施例之側視圖。 第6圖繪示依照本揭露實施例之第3圖的八個GPU佈局中各個GPU的運作溫度的示意圖。

Claims (10)

1. 一種擴展散熱器(heat sink)，位於發熱的複數個處理單元之一陣列中，其中該些處理單元係放置在包含一前排及至少一後排的至少兩排中，且更包含冷卻空氣之一來源，使該冷卻空氣從該前排往該至少一後排的一方向流動，該擴展散熱器包含：從位於該至少一後排中之一處理單元延伸之一散熱器。
2. 如申請專利範圍第1項所述之擴展散熱器，其中該前排及該至少一後排係包含在一伺服器的一殼體中。
3. 如申請專利範圍第1項所述之擴展散熱器，其中該擴展散熱器更包含一致冷(refrigeration)電路；該致冷電路包含： 位於該擴展散熱器中用於儲存致冷劑的一第一儲存器； 用於儲存致冷劑的一第二儲存器，接觸該至少一後排的至少一GPU； 至少一導管(conduit)，用以從該第二儲存器輸送蒸汽致冷劑(vapor refrigerant)到該第一儲存器；以及 一第二導管，用以輸送該第一儲存器中的液體致冷劑(liquid refrigerant)至該第二儲存器。
4. 如申請專利範圍第3項所述之擴展散熱器，其中輸送該第二導管中的液體致冷劑係由重力所影響。
5. 如申請專利範圍第1項所述之擴展散熱器，其中該陣列包含八個處理單元，其中四個處理單元排列於該前排，及其他四個處理單元排列於該至少一後排，且該至少一後排的各處理單元係關聯於自身的擴展散熱器。
6. 如申請專利範圍第3項所述之擴展散熱器，其中該致冷劑係從由R134 a、R22、R12、R407c、及R410a所組成的群組中至少擇一。
7. 如申請專利範圍第5項所述之擴展散熱器，其中位於該前排之一處理單元及位於該至少一後排之一處理單元的溫度差係3 ºC或更小。
8. 如申請專利範圍第1項所述之擴展散熱器，其中該冷卻空氣之該來源包含至少一風扇。
9. 一種伺服器，包含發熱的複數個處理單元之一陣列，該些處理單元排列在一前排及至少一後排並位於一殼體內，該陣列中的各處理單元包含一散熱器及一熱虹吸(thermo siphon)致冷電路；在該至少一後排之各處理單元的該致冷電路包含用於儲存致冷劑的一第一儲存器、接觸各該處理單元用於儲存致冷劑的一第二儲存器、及至少一導管以從該第二儲存器輸送蒸汽致冷劑到該第一儲存器、以及一第二導管以輸送該第一儲存器中的液體致冷劑至該第二儲存器；該前排之各處理單元的該致冷電路包含儲存致冷劑的一第三儲存器、接觸該前排的各處理單元用於儲存致冷劑的一第四儲存器、及至少一導管以從該第四儲存器輸送蒸汽致冷劑到該第三儲存器、以及一第三導管以輸送該第三儲存器中的液體致冷劑至該第四儲存器。
10. 如申請專利範圍第9項所述之伺服器，其中有四個處理單元在該前排中、及另外四個處理單元在該至少一後排中，且在該至少一後排的各該處理單元各包含的該散熱器之位置高於該前排的任一處理單元的該散熱器。