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一、提高流速对下一代液冷系统的影响

1. GPU的TDP和流速

核心问题: 随着GPU的TDP（热设计功耗）呈指数级增长，冷却系统的流速也必须大幅提升，这会带来一系列连锁问题。

行业标准: 目前普遍遵循OCP建议的“每千瓦1.5升/分钟”的流量标准。

流速增长预测:

• 当前GPU（1200W）：约1.0 LPM。
• 下一代GPU（2400W）：约4.0 LPM。
• 未来GPU（3600W）：约6.0 LPM。

连锁问题: 流速的大幅增加会导致压降、泵功和流速的急剧上升，超出当前基础设施的设计范围。

结论: 需要在刀片内部和外部采用新的架构来应对。

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2. 流速和压降

物理定律:

压降: 根据达西-魏斯巴赫方程，压降（ΔP）与流速（Q）的平方成正比。

泵功: 泵功（Power）与压降和流速的乘积成正比，即与流速的立方成正比。

实际影响: 流速的微小增加会导致压降和泵功的剧烈增长。

举例: 流速从1 LPM增加到4 LPM（4倍），压降可能增加16倍，泵功需求可能增加64倍。

结论: 压降和泵功将从次要问题变为系统设计的关键变量。

3. 机架密度增加

冷却范围扩大: 液冷不再仅限于GPU，客户开始要求对DIMM、SSD、互连等所有组件进行液冷。

影响: 刀片内的总热密度增加，“每千瓦1.5升/分钟”的标准不再适用。

单刀片GPU数量增加: 单个刀片内的GPU数量从2个增加到8个甚至更多。

影响: 刀片的总流速随组件数量线性增加，进一步加剧了高流速带来的挑战。

4. 流速、速度和侵蚀

核心关系: 流速增加，流体速度也随之增加。

行业标准: 目前行业默认的最大流速限制约为3米/秒（10英尺/秒），该标准源自ASHRAE手册，旨在最小化侵蚀。

现状: 该标准正在被讨论和研究中，可能会根据材料、几何形状等因素进行调整。

过高流速的风险:

• 导致材料降解和侵蚀腐蚀。
• 最终后果: 产生泄漏，对昂贵的机架造成巨大风险。

5. 系统级影响仿真模型

模型设定: 使用一维流网络模型模拟传统数据中心部署。

基础设施: 3英寸母管、1.5英寸支管、6个125kW机架并联，由CDU供液。

冷却介质: PG25。

研究目标: 在不改变任何基础设施的前提下，将流量比从0.7 LPM/kW提升至2.0 LPM/kW，观察其影响。

6. 系统级影响仿真结果

关键发现: 压降和泵功需求呈指数级增长。

压降: 从8.0 psid增加到54.1 psid，增长了6.8倍。

泵功: 从0.7 kW增加到13.9 kW，增长了19.4倍。

流速问题: 系统内的流速接近6米/秒，远超3米/秒的安全上限。

结论: 简单地增加流速而不改造基础设施是行不通的，存在物理限制。

7. 刀片中的解决方案

方案一：微通道并行化: 通过增加并行微通道的数量，缩短单个流道长度，在保持高换热效率的同时大幅降低压降。

方案二：高性能几何结构: 采用先进的微通道设计，降低冷板的基础热阻，从而在相同TDP下使用更低的流速。

方案三：两相冷却: 利用冷却液的相变潜热，相比单相冷却，可以在显著降低流速的情况下带走更多热量。

注意: 两相冷却需要对数据中心基础设施进行较大改动。

1）流道并行化示例

仿真对比:

• 标准微通道: 200μm宽，200μm壁厚，40mm长。
• 并行化微通道: 将相同体积分割成9个4mm长的并行通道。
• 测试条件: 使用PGW25，6 LPM流量，45°C入口温度，4kW热负载。

结果:

• 压降: 并行化通道的压降比标准通道低33倍。
• 热性能: 并行化通道的平均壁温比标准通道低7°C。
• 原因: 每个短通道的边界层会重新发展，从而获得更高的有效换热系数。

8. 系统级缓解措施

最小化阻抗: 尽可能使用全通径阀门和连接器。

探索并行路径: 为机架支管和快接头设计并行路径。

面向未来设计:

• 根据未来的流量需求，预先选择更大的管道/软管直径。
• 预留额外的支管和隔离阀，以便未来增加CDU和IT设备机架。

模块化解决方案: 采用模块化CDU和TCS歧管设计，使基础设施能够随负载扩展。

1）未来证明系统示例

改进设计:

• 使用6英寸母管和4英寸支管（带变径至2英寸）。
• 支持并行部署两个CDU。

结果:

• 在2.0 LPM/kW的流量下，所需液压功率为7.5 kW，比之前案例降低了19%。
• 系统内流速降至3米/秒以下，符合安全标准。

核心观点: 提前规划是应对未来高流速挑战的关键。

9. 行动号召

问题重申: 不断上升的流速正对压降、泵功和整个系统设计构成挑战。

行动建议:

• 制定OCP规范: 创建标准化的测量方法和系统级压降预算，用于建模、比较和验证基础设施能否扩展。
• 参与OCP工作流: 积极参与冷板、浸没、门式换热器等冷却环境工作流。
• 联系作者: 欢迎合作与交流。

二、知识小结

要点归纳

趋势对比