熊仕鹏 刘 磊 杨 睿 周成果 孔冬冬

（中电科蓉威电子技术有限公司，成都 610000）

随着现代工业对电子设备高性能、小型化和抗恶劣环境适应性的要求不断提高，机箱的散热设计在高功耗、空间和环境温度3个方面面临着很大挑战。首先，高功耗方面。服务器是数据中心的主要功能部件和主要能耗部分，数据中心高能耗、高热流密度的特点对数据中心服务器的安全散热提出了更高的要求[1-2]。例如，腾云S2500是飞腾公司2020年7月发布的高性能国产服务器芯片，良好散热设计是其应用保证。其次，空间方面。服务器在室内和车载环境中一般采用上架安装形式，其外形尺寸由国家和行业标准规定。本文针对1U和2U标准上架机箱展开散热分析。最后，环境温度方面。相对室内环境，车载环境的条件要求更加严格。采用GJB 322A车载加固计算机温度要求作环境温度时，使用散热方案具有更广泛的适用性。

1 腾云S2500相关参数

腾云S2500是飞腾公司生产的可扩展多路服务器芯片，采用16 nm工艺制造，核心面积约400 mm2，具有64个FTC663架构的核心，支持2～8路中央处理器（Central Processing Unit，CPU）并行。与FT2000+相比，在性能提升的同时，其设计热功耗也达到了200 W。腾云S2500散热设计相关参数如表1所示。

表1 腾云S2500散热设计相关参数表

2 车载环境温度

如表2所示，《军用便携式计算机通用规范》（SJ 20521—1995）中对车载GJB 322A加固型有空调环境和无空调环境计算机的高温要求是分别是40 ℃和50 ℃。本文取严格环境温度50 ℃作为设计值。

表2 GJB 322A加固型计算机车载环境工作高温

3 上架机箱要求

《面板、机架和机框的基本尺寸系列》（GJB 100—86）和《插箱、插件基本尺寸系列》（GJB/Z 28A—99）中对标准上架机箱和机柜的外形尺寸作出明确的规定，针对1U和2U设备，其机箱高度分别为44.45 mm和88.90 mm，标准机柜深度为400 mm、450 mm、500 mm、550 mm等。综合考虑室内机房、车载通用机柜尺寸和服务器内部器件布局等因素，选取机箱深度为550 mm。

4 散热方案分析

4.1 散热方式

已知1U和2U设备的外形尺寸，根据电子设备的热密度计算方式，即总功耗除以设备表面积得到1U和2U设备的表面热密度[3]。如表3所示，1U和2U设备的表面积约为5 839 cm2和6 728 cm2，强迫风冷表面系数为0.31，由最大功耗等于表面积乘以表面系数计算得到强迫风冷设计最大支持的整机功耗分别是1 810.09 W和2 085.68 W。根据服务器的常规硬件配置（如CPU、主板、内存、显卡、硬盘、电源、风机、网卡和RAID卡等），最大整机热功耗1 810.09 W和2 085.68 W基本满足服务器配置要求，故采用强迫风冷开展设计。

表3 1U和2U机箱表面热密度计算

4.2 散热器设计

散热器的设计主要考虑两个方面。一方面是如何快速导出热量。因此，散热器应具备良好的导热性能，且接触热阻应尽量小，能够将200 W的芯片热量充分传导到散热器上。另一方面是如何快速带走热量。由于机箱空间限制，尤其是1U和2U机箱厚度方向尺寸限制了散热器的尺寸，同时空间影响散热风机的选择，因此需合理设计风冷方案[4-5]。

4.2.1 散热器材料

在行业范围内，散热器主要采用纯铜和铝合金材质。从导热性能上比较，由ANSYS Icepak软件标准材料库可知，纯铜的热导率为387.6 W·m-1·K-1，铝合金6061-T4的导热率为154 W·m-1·K-1，因此纯铜的导热性能优于铝合金。从经济性和质量等方面比较，铝合金的制作成本较低，且密度也小于纯铜。综合分析芯片功耗、散热器导热率、制作成本和质量等因素，散热器材料可从纯铜散热器和铝合金散热器+热管两种组合中选取。其中，热管主要嵌入散热器基板和鳍片，利用热管良好的导热性能将热量快速传导到各个鳍片。

假设散热器结构形式一致（基板、鳍片和外形），从热量传导效果上对比，考虑到热管焊接时可靠性难以控制等问题，以上方案中纯铜散热器较优；从经济性和质量方面对比，铝合金散热器+热管方案较优；分析机箱结构，1U机箱的空间有限，且散热难度更大，因此采用纯铜散热器方案。

4.2.2 接触热阻

为减小接触热阻，散热器与芯片接触面通常采用导热垫或导热硅脂。与导热硅脂相比，导热垫在厚度方向有压缩量，可以给芯片带来缓冲和减振效果，更适合较为复杂的环境。因此，本文采用导热垫，根据行业经验，其导热系数为6 W·m-1·K-1。

4.2.3 风机选择

风机性能方面，综合考虑行业内主流风机的特性曲线，从风压和风量指标上确定风机选型。风机规格方面，由于1U和2U机箱厚度方向上空间有限，需结合机箱的内部布局考虑风机选型。

针对1U机箱，其厚度方向尺寸为44 mm，除去机箱厚度，风机尺寸可选择40 mm×40 mm及更小的风机。40 mm×40 mm的风机（以下简称40风机）尺寸是行业内风机的标准尺寸，选型范围较多，本文优先选用40风机。另外，由于风机的CPU贴装于印制板上，而CPU和印制板都需要占用厚度方向空间，但40风机只能放置于印制板外侧，因此风机和散热器之间应增加风道，以保证空气能够充分在散热鳍片间流动。本文风机数据采用某公司的40风机，其外形尺寸如图1所示，风机特性曲线如图2所示。

针对2U机箱，其厚度方向尺寸为88 mm，减去机箱厚度，风机尺寸可选择80 mm×80 mm及更小的风机。为简化内部布局设计，选用60 mm×60 mm的风机（以下简称60风机）作为散热风机。60风机和80风机是风机标准尺寸，相较于80 mm×80 mm的风机，60风机在2U空间内安装形式更加灵活。本文风机数据采用某公司的60风机，其外形尺寸如图3所示，风机特性曲线如图4所示。

5 仿真分析

5.1 散热方案

1U设备的散热器材质为纯铜，40风机置于主板外侧，距离散热器较远（本文风机与散热器设计距离值为80 mm），因此采取抽风方式更有利于风量集中。同时，风机与散热器之间采用密封风道设计，能够避免空气从印制板底部或散热器四周逸出；散热器单侧开通风孔，能够使空气只从散热器鳍片一侧流入。2U机箱空间采用60风机的吹风方式，散热器采用铝合金散热器+4个热管形式和纯铜两种方式进行比较，60风机位于散热器一侧。其中：1U散热器尺寸为长l1=91.0 mm、宽d1=88.5 mm、厚h1=26.2 mm；2U散热器的尺寸为长l2=88.5 mm、宽d2=74.0 mm、厚h2=64.0 mm；热管简化为横切面为5 mm×5 mm的矩形条，散热鳍片厚度为0.5 mm，间距为1.5 mm。

5.2 仿真模型

先在三维软件中将模型简化并导入到ANSYS Icepak中，再设置部件属性，如材料、风机参数、计算域等，然后划分网格进行后处理。1U散热模型网络如图5所示，2U散热模型网络如图6所示。

5.3 结果分析

5.3.1 1U结果分析

通过后处理分析得到1U温度云图，如图7所示。从图7中可以看出，在车载高温50 ℃下，模型最高温度在CPU芯片处，最高温度为75.47 ℃，温升为25.47 ℃，预计当前方案能够满足S2500芯片结温90 ℃的要求。

5.3.2 2U结果分析

后处理分析得到2U温度云图，铝合金散热器+热管方案仿真温度云图如图8所示，纯铜方案仿真温度云图如图9所示。从图8中可以看出，在车载高温50 ℃下，模型最高温度在CPU芯片处，最高温度为79.24 ℃，温升为29.24 ℃。从图9中可以看出，在车载高温50 ℃下，模型最高温度在CPU芯片处，最高温度为72.74 ℃，温升为22.74 ℃。两种方案相较，铝合金散热器+热管方式散热器的温度分布较均匀。从散热效果来看，纯铜方案优于铝合金散热器+热管方式。

6 结语

本文对车载环境下1U和2U空间的腾云S2500散热方案进行分析，旨在为特定高温环境下高功耗芯片散热提出一种有效的设计方案。然而，实现高功耗元器件散热的方案远不止文中提到的两种，本文建立的散热模型仅是行业内使用广泛，成本较低，且适合于1U和2U机箱空间的实现方式。另外，由于服务器内部硬件配置不同，布局各异，本文仅对腾云S2500进行散热分析，忽略了服务器内部环境对仿真的影响，实际设计过程中应考虑其影响。