今年年初，科幻電影《流浪地球2》一經(jīng)上映，熱度居高不下。影片中一系列前沿科技引發(fā)觀眾熱議，在劇情中扮演關(guān)鍵角色的智能量子計算機更是將劇情推向高潮。

　　無論是什么樣的電子產(chǎn)品，發(fā)熱始終是困擾用戶的一大難題。電影中，使用者將計算機泡在液體中冷卻。這種“泡澡”的冷卻方式，一時引發(fā)廣大網(wǎng)友的熱議。

　　計算機為什么要“泡澡”？給計算機“泡澡”是否可行？今天就由我們來為您揭秘——

　　電腦“過熱”要“罷工”

　　眾所周知，芯片是計算機的“大腦”，擔(dān)負(fù)著計算和處理任務(wù)的職責(zé)。和人腦一樣，芯片的工作效率也受其自身狀態(tài)的影響。

　　隨著芯片性能的不斷增強，其功耗也不斷攀升，一些商用服務(wù)器處理器的功耗甚至可達(dá)驚人的700瓦，這幾乎和一臺1匹的空調(diào)功耗相當(dāng)。試想一下，一塊小小的芯片以極高的功耗工作，短時間內(nèi)，芯片“體溫”便會急劇升高。

　　這里所說的芯片“體溫”實際上就是芯片表面的殼溫。一般來講，芯片表面的殼溫要控制在85℃以內(nèi)，才可以保證芯片正常工作。倘若工作產(chǎn)生的廢熱無法散出，芯片的“體溫”就會在短時間內(nèi)“越過安全線”，出現(xiàn)一系列異常癥狀。

　　這種癥狀和人類發(fā)燒時有些相似?！邦^腦發(fā)熱”會導(dǎo)致芯片“無精打采”，工作效率降低。倘若不及時散熱，芯片溫度將進一步升高，用不了多久就會“發(fā)高燒”。這時芯片功耗增大，內(nèi)部元器件還會受熱膨脹，導(dǎo)致不同元器件互相擠壓，從而使芯片出現(xiàn)裂紋，甚至可能激發(fā)高能載流子擊穿晶體管，嚴(yán)重降低芯片使用壽命或者導(dǎo)致芯片報廢。

　　此外，芯片過熱還會使周邊阻容元件異常，導(dǎo)致芯片的供電電壓和供電電流同時增大。倘若此時不及時散熱還要繼續(xù)長時間大負(fù)荷工作，將會產(chǎn)生大量熱量，芯片可能會因高熱而起火，對財產(chǎn)和工作人員安全造成嚴(yán)重威脅。

　　因此，在擁有大量計算機同時工作的數(shù)據(jù)中心，往往都有一套甚至多套高效且完善的芯片散熱方案，確保芯片能夠在“健康溫度”下長時間高效工作。

　　電腦“退燒”刻不容緩

　　起初，由于計算機功耗小，計算機內(nèi)部芯片產(chǎn)生的熱量僅僅需要自然對流即可散出。因此，計算機工程師們并不需要關(guān)注冷卻技術(shù)。

　　隨著芯片技術(shù)不斷進步，集成度不斷提高，芯片功耗急劇增大，僅僅依靠自然冷卻已經(jīng)無法解決散熱問題。于是，工程師們開始引入強迫對流風(fēng)冷散熱技術(shù)，即利用高導(dǎo)熱的金屬翅片將熱量導(dǎo)出，再通過風(fēng)扇高速旋轉(zhuǎn)將熱量散出——這也是為什么我們經(jīng)常能聽到電腦發(fā)出“嗡嗡”的聲音。

　　風(fēng)冷技術(shù)憑借結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等優(yōu)勢，在相當(dāng)長時間內(nèi)占據(jù)了市場主流。然而，當(dāng)芯片功耗變高、甚至達(dá)到300瓦時，采用風(fēng)冷技術(shù)會使得散熱器和風(fēng)機的體積變得更大，風(fēng)機高速旋轉(zhuǎn)帶來的噪音也會令人難以忍受。

　　為此，工程師們又提出了第二條路：液冷技術(shù)。

　　液冷技術(shù)憑借液體高比熱容的特性，通過直接或間接接觸熱源，可比風(fēng)冷技術(shù)帶走更多的熱量。目前，美國的超級計算機Frontier、我國的超級計算機神威太湖之光、日本的超級計算機富岳等，均采用了以水作為冷卻介質(zhì)的冷板式液冷技術(shù)。在系統(tǒng)性能、芯片功率、組裝密度、運行噪音等許多方面，液冷技術(shù)的應(yīng)用給數(shù)據(jù)中心和超級計算帶來了極大的提升。

　　當(dāng)然，冷板式液冷技術(shù)也有其缺點：一方面，以水為冷卻介質(zhì)，一旦發(fā)生泄漏，將會損害電子元器件；另一方面，如果想要實現(xiàn)計算機內(nèi)部所有元器件的散熱，冷板結(jié)構(gòu)將會變得極其復(fù)雜，設(shè)計難度極大。

　　在市場需求的不斷驅(qū)動下，一種浸沒式液冷技術(shù)開始興起。該技術(shù)通過將整個主板直接浸泡在冷卻性能好、且具備絕緣特點的冷卻液中，以實現(xiàn)對所有元器件的散熱。2022年12月，精密浸沒式液冷領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)者Iceotope宣布了與Meta合作的一項新研究。研究證實了機架級液體冷卻技術(shù)的效率、實用性和有效性，可以滿足超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心廣泛部署和高頻使用的高密度存儲磁盤的冷卻要求。該研究也成功證明精密浸沒式冷卻比傳統(tǒng)的冷板式液冷更加有效。

　　據(jù)了解，液冷技術(shù)正在成為全球數(shù)據(jù)中心發(fā)展的新技術(shù)方向。IBM、谷歌、英特爾等國際巨頭公司已紛紛在該領(lǐng)域展開布局。IBM發(fā)布相關(guān)液冷超算機，可以降低40%以上的能源消耗，減少85%的碳排放；谷歌在其數(shù)據(jù)中心采用液冷技術(shù)，并持續(xù)推動數(shù)據(jù)中心降溫方式向液冷轉(zhuǎn)變；全球最大的浸沒式液冷數(shù)據(jù)中心阿里巴巴浙江云計算仁和數(shù)據(jù)中心，已經(jīng)在2020年投入使用浸沒式液冷技術(shù)，可為數(shù)據(jù)中心節(jié)能70%以上。

　　液冷技術(shù)未來可期

　　如今，冷卻技術(shù)已成為各國科技競爭的熱點領(lǐng)域：有工程師研發(fā)出射流沖擊液冷技術(shù)，可以在1平方厘米的芯片上實現(xiàn)約1100瓦的散熱；2019年《自然》雜志公布了一種集成在芯片內(nèi)部微流道冷卻技術(shù)，可以在1平方厘米芯片上實現(xiàn)約1700瓦的散熱，或?qū)⒊蔀槲磥韺崿F(xiàn)超大功率芯片冷卻的有效技術(shù)手段；還有工程師提出沸騰浸沒液冷技術(shù)，在整個散熱過程中幾乎沒有額外的電能輸入，有望實現(xiàn)“零能耗”冷卻……

　　中國工程院院士孫凝暉曾說過一句話：“當(dāng)一個國家的計算力指數(shù)達(dá)到40分以上時，指數(shù)每提升1點，對于GDP增長的拉動將提高到1.5倍?！币豪浼夹g(shù)的進步，推動了服務(wù)器設(shè)備算力的穩(wěn)定輸出及計算性能的高效提升，進而對許多領(lǐng)域都產(chǎn)生了積極影響。

　　軍事領(lǐng)域，液冷技術(shù)也發(fā)揮著越來越大的作用。

　　戰(zhàn)場上，液冷技術(shù)應(yīng)用于指揮所計算機系統(tǒng)，可以使系統(tǒng)集成度大幅提高。尤其是在野外或者坑道中，液冷技術(shù)使得指揮所計算機具備更強的性能、更長的續(xù)航時間以及更好的隱蔽性，從而更好地保障指揮決策。

　　在裝備方面，激光武器應(yīng)用液冷技術(shù)，可以提升激光輸出功率密度以及光束的質(zhì)量，在增大激光武器殺傷性能的同時擁有更小的體積，從而有利于提高武器系統(tǒng)的快速部署能力；有源相控陣?yán)走_(dá)采用液冷技術(shù)，可以大幅提升雷達(dá)功率，使得雷達(dá)探測距離更遠(yuǎn)，探測精度和可靠性更高。

　　強大的火力系統(tǒng)也離不開液冷技術(shù)。為了確保火力系統(tǒng)長時間穩(wěn)定輸出，許多武器裝備直接配備液冷系統(tǒng)。比如，著名的馬克沁重機槍就是采用液冷技術(shù)，以確保子彈高速穩(wěn)定輸出。

　　此外，液冷技術(shù)已經(jīng)走進了人們的日常生活。有科技公司將液冷技術(shù)應(yīng)用于定制的個人電腦中，大大提升了電腦的性能，使用戶擁有了更好的體驗感。國內(nèi)某電動車公司將液冷技術(shù)應(yīng)用于電動車電機上，獨特的液冷降溫法不僅解決了行業(yè)“老大難”的退磁續(xù)航能力，還一站式地解決了電機生銹、易退磁等問題，這對于電動車行業(yè)來說是顛覆性的創(chuàng)新。在超導(dǎo)領(lǐng)域，可以將超導(dǎo)線纜浸泡在液氦等極低溫液體中，以實現(xiàn)零損耗輸電，相關(guān)技術(shù)有望應(yīng)用在高壓輸電上。

　　總而言之，液冷技術(shù)是當(dāng)下芯片性能提升后，計算機系統(tǒng)不可或缺的重要技術(shù)之一。在各國政府越來越重視數(shù)據(jù)中心能耗指標(biāo)的大環(huán)境下，更多的風(fēng)冷數(shù)據(jù)中心未來將會被淘汰，液冷技術(shù)正逐漸取代前者成為國內(nèi)外的主流技術(shù)。未來，大到超級計算機系統(tǒng)，小至個人計算機，均有可能實現(xiàn)全液冷散熱。在人類與信息設(shè)備聯(lián)系愈發(fā)密切的未來，液冷技術(shù)將為我們的生活提供越來越優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

　　逯心一 鄧 增 高莉華