基于拓扑优化一体化冷板的混合冷却技术提升数据中心能效与运行可靠性

论文信息：

Meiyue Yan, Shuai Guo, Ruochen Hong, Lin Qiao and Poh Seng Lee. Enhancing Data Centre Energy Efficiency and Reliability through Hybrid Cooling: A Topology-Optimized Cold Plate Approach. Energy, 2025, 139582.

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.energy.2025.139582

Part.1 研究背景

随着全球数字化转型的加速，尤其是人工智能、高性能计算和云服务的爆发式增长，数据中心已成为现代社会不可或缺的基础设施。然而，其蓬勃发展的背后是日益严峻的能源消耗与环境压力。数据中心目前已消耗全球约1%至1.5%的电力，其碳足迹对实现“净零排放2050”等全球气候目标构成了显著挑战。在此背景下，提升数据中心的能源效率，尤其是优化其冷却系统的能效，成为实现可持续发展的关键突破口。传统数据中心广泛采用的空气冷却方式正面临瓶颈。随着处理器（CPU、GPU）功耗和机架功率密度的持续攀升，空气冷却在散热能力和热稳定性方面已力不从心。为了突破这一限制，液冷技术因其卓越的导热性能被视为更有效的替代方案，能够支持更高的功率密度。然而，液冷技术的大规模商用化也面临两大核心障碍：其一是高性能微通道冷板往往伴随着巨大的泵功消耗，导致系统总能耗增加，形成能效悖论；其二是液体泄漏风险对IT设备的可靠性构成严重威胁，成为运维人员的主要顾虑。此外，当前的数据中心冷却架构通常将空气冷却和液体冷却作为独立的系统进行设计和管理，未能充分发挥两者在散热效率、能效优化及系统冗余方面的互补优势。因此，亟需一种创新的热管理方案，既能突破传统设计的性能极限，又能兼顾能效、可靠性和实际部署的可行性。本研究正是基于这一需求，提出了一种融合拓扑优化设计与增材制造技术的混合式集成冷板（ICP），旨在从根本上解决上述挑战，为下一代高密度数据中心提供一种高效、稳健且可扩展的冷却解决方案。

Part.2研究内容

本研究系统地提出、设计并验证了一款拓扑优化的混合式集成冷板（ICP），旨在实现数据中心冷却系统在能效、可靠性与可扩展性上的全面突破。研究内容遵循“设计概念-实验室验证-系统级集成”的技术路线，通过严谨的实验和仿真，全面评估了ICP的性能表现。

研究首先采用拓扑优化方法对液冷微通道冷板进行结构设计，以压降最小化为目标函数，以平均结温为约束条件，在不同入口边界与温度约束下生成了多组优化结果，如图1(a)所示。图中黑色区域代表固体域，黄色区域代表流体域，冷却液沿水平方向从左向右流动，两侧设置对称边界条件；三组工况（case1-3）分别对应不同的基温约束，最终生成的鳍型细节存在差异，但所有案例中均呈现出一致的结构基元特征。

为兼顾拓扑优化的性能优势与工程可制造性，研究从多组优化结果中提炼出共性结构规律，开发了简化后的斜梯形鳍阵列（OTFA）结构：单个周期内包含多个斜向鳍片与两个梯形鳍片，鳍片沿展向交错偏移、倾角交替变化，沿流向重复周期形成完整连续的鳍道结构。该结构既保留了拓扑优化构型的换热强化能力，又满足了规模化制造的几何公差要求。

为充分发挥风冷与液冷的互补优势、提升系统故障容错能力，研究设计了双层复合的混合冷却结构，如图1(b)所示。冷板整体分为上下两个热功能层：底层为液冷层，采用上述 OTFA 微通道结构，承担主要的散热负荷；顶层为风冷层，通过扩展表面与斜鳍结构强化空气对流换热。两套冷却系统拥有独立的流体通路，正常工况下可协同运行以最大化散热性能；当液冷系统因故障或维护停机时，风冷系统可独立运行，保障服务器持续工作，从架构层面实现了容错能力。

针对传统冷板装配复杂、泄漏风险高的问题，研究采用选择性激光熔化（SLM）增材制造工艺，将风冷层与液冷层一体成型为单块铜质构件，如图1(c)所示。铜基材兼具高导热性与耐腐蚀性，可支撑服务器长期稳定运行；一体化结构消除了传统多部件装配的密封界面，显著降低了冷却液泄漏风险，同时简化了服务器内的安装流程。

图1. (a) 液冷微通道冷板拓扑优化结果：黑色区域为固体域，黄色区域为流体域，冷却液自左向右流动，模型两侧施加对称边界条件(case1: v1 = 0.05 m/s, Tbase =63.43 °C; case2: v1 = 0.05 m/s, Tbase =65.43 °C; case3: v1 = 0.05 m/s, Tbase =67.43 °C)；(b) 双层结构混合冷却设计：上层为风冷结构，下层为液冷结构；(c) 采用增材制造（AM）工艺制备的一体化冷板结构

为在可控条件下验证冷板的热工水力性能，研究搭建了闭环实验台，其原理与实物装置如图2所示。液冷回路包含测试段、冷凝器、水箱、数字齿轮泵、流量计等核心部件，采用去离子水作为工质；通过嵌入式电加热器模拟芯片发热，在回路关键位置布置温度、压力传感器，由集中式数据采集系统实现参数的实时监测。

图2. 实验测试平台

图3详细展示了测试段的结构与空气冷却能力。其中，图3(a)和(b)说明了空气侧的风道设计和风速测量方法，确保气流的均匀和测量的准确。图3(c)的爆炸视图清晰揭示了测试段的核心组件，包括集成了OTFA液冷流道和顶部空冷翅片的ICP本身。在验证ICP的故障容错能力时，图3(e)的结果至关重要：在仅依靠空气冷却（模拟液冷泵失效）的情况下，当风速达到商用服务器典型值的9.5 m/s时，ICP能够在基板温度分别为60 °C、70 °C和80 °C时，独立散去35.3%、46.0%和59.0%的TDP。这一关键实验结果首次证实了ICP设计的核心价值——即液冷失效时，仍能通过空气冷却维持相当程度的散热能力，确保CPU不会立即过热关机，保障了系统运行的连续性。

图3. 混合一体化冷板测试段结构示意图与性能表征；(a) 风冷段结构示意图；(b) 采用中心轴线法测量空气流速的测试方法；(c) 测试段爆炸视图，包含四大核心部件：底部基座、下壳体、上壳体与混合一体化冷板；(d) 混合一体化冷板装配实物样机；(e) 液冷系统关停状态下，风冷系统的散热性能

本文在完成基础特性验证后，研究重点转向寻找ICP的最佳节能运行区间。通过对不同热负荷和冷却液流量下的系统性能进行系统评估，图4清晰地揭示了这一优化过程。图4(a)所示为基板温度随流量和加热功率的变化趋势，结果表明，在116 W至450 W的功率范围内，ICP存在一个最优流量区间。基于此，研究明确指出，对于所设计的ICP，其最佳冷却液流量范围为1.25至1.5 L/(min·kW)。图4(b)和(c)进一步验证这一结论：它们分别展示了在此流量范围之外，继续增加流量所带来的进出口温差减小和换热系数（HTC）提升均趋于平缓，即边际收益极低，反而会因泵功率的急剧上升而降低系统总能效。这一发现为ICP在实际数据中心中的节能运行提供了明确的指导依据。

图4. 不同冷却液流量与热负荷工况下的温度变化规律及换热特性；(a) 基板温度随流量的变化曲线，基板温度指混合一体化冷板与铜块接触面的界面温度；(b) 冷却液进出口温差随流量的变化曲线；(c) 对应工况下的换热系数（HTC）数值

其次本文进行了性能对比和机理分析。为了定量评估所提出的OTFA结构的先进性，研究通过数值模拟将其与传统的直流道（CSC）和圆形针翅（CPF）冷板进行了全面对比。在相同几何尺寸和边界条件下，图5所示了三者在热-水力性能上的差异。如图5(a)所示，在所有测试雷诺数（Re）范围内，OTFA的努塞尔数（Nu）都显著高于CSC和CPF，表明其具有更强的对流换热能力。更值得注意的是，图5(b)表明，OTFA的摩擦因子（f）不仅低于CPF，甚至在低Re时还略低于结构最简单的CSC，这意味着它在提升换热的同时并未引入过高的流动阻力。

图6通过综合性能指标——性能因子（FOM）给出了更为直观的对比。该指标权衡了换热增强与流动阻力的得失。结果显示，与基线CSC相比，OTFA的FOM值在三个不同Re下分别提升了57.4%、63.1%和67.1%，而CPF的提升则微乎其微。这一结论明确证实了OTFA设计的优越性。

图7所示的流场和温度场仿真结果为上述性能优势提供了物理机理层面的解释。通过对比三种结构可以发现，CSC内部流体呈稳定的层流状态，热边界层持续发展，限制了换热效率。CPF虽能诱发一定的流动分离和二次流，但其后方形成的低速回流区反而削弱了局部换热。而OTFA的结构设计巧妙地实现了两种增强机制：一方面，斜翅片周期性中断并重新启动边界层，有效降低了热阻；另一方面，翅片引导流体产生横向流动、迪恩涡和混沌对流，极大地增强了冷热流体的混合。这两大协同效应使得OTFA在换热性能和流动阻力之间达到了卓越的平衡。

图5. 不同雷诺数下斜梯形鳍阵列（OTFA）、圆柱针鳍结构（CPF）与直通道结构（CSC）的 (a) 努塞尔数、(b) 摩擦因子对比

图6. 不同雷诺数工况下，斜梯形鳍阵列（OTFA）、圆柱针鳍（CPF）与直通道（CSC）的性能评价指标（FOM）对比

图7. 不同翅片设计通道的模拟结果对比（入口流体温度26.85 °C，入口速度0.0744 m/s，热流密度25 W/cm2）

然后研究团队将ICP集成到一台Dell R760服务器中，替代其原有的商用冷板（CP），并在真实CPU负载下进行测试。图8对比了在100% TDP热负载和相同风扇转速下，ICP与商用CP的核心温度与能效比（COP）。如图8(a)所示，在相同的泵功下（如0.05 W），ICP能将CPU核心温度控制在约51 °C，比商用CP的57 °C低了6 °C。更重要的是，ICP下两颗CPU的温差仅约1 °C，远小于商用CP的3 °C，证明其消除了传统直流道常见的流量分配不均问题，有效避免了局部热点。图8(b)则进一步表明，ICP的COP值约是商用CP的三倍，意味着在散除相同热量时，ICP所需的泵功大幅降低，能效优势显著。

图8. 满载热设计功耗、风机占空比50%工况下，混合一体化冷板（ICP）与商用常规冷板（CP）的性能对比：(a) 芯片核心温度；(b) 制冷性能系数（COP）

混合ICP的核心优势之一是液冷故障时的容错运行能力，该研究通过数值模拟与服务器实验验证了纯风冷模式下的承载能力。图9所示为纯风冷工况下的温度场仿真结果：在风速9.5 m/s、热负荷200 W（约67% TDP）时，核心区域最高温度为84.85 ℃，与实验实测的84±1 ℃偏差仅2%–3%，验证了仿真模型的准确性，且温度低于85 ℃的可靠性阈值。

图10展示了不同风扇转速下，纯风冷模式的CPU功率与核心主频变化。在最低风速（25% PWM）下，CPU 出现热降频，仅能维持113 W（38% TDP）与500 MHz 主频；随着风速提升，承载能力逐步增强；在满速风扇（100% PWM）下，CPU 可稳定运行在200 W（67% TDP）、主频2.7 GHz以上，核心温度控制在85 ℃以内。该结果证明，液冷系统停机时，混合ICP可通过风冷维持服务器部分算力，避免业务中断，大幅提升了数据中心的运行韧性。

图9. 仅风冷工况下混合一体化冷板（ICP）的仿真温度分布云图

图10.仅风冷时，不同空气流速下CPU功耗与核心时钟频率的变化曲线

最终，ICP的性能在位于新加坡的可持续热带数据中心测试平台（STDCT）上得到了大规模验证。如图11所示，在真实机架环境中，ICP在单机架和三机架配置下均表现出优异的可扩展性，能够稳定地将CPU核心温度维持在约52.5 °C的最佳工作点。图12更为直观地展示了ICP在能效上的巨大优势：在相同的泵功消耗下，ICP可使CPU核心温度再降低约4 °C；而要将CPU核心温度都控制在52.5 °C，ICP所需的泵功比商用CP节省了约50%。这意味着在现有冷却基础设施下，数据中心可支持的服务器密度理论上可以翻倍。

图11. 最优冷却液流量工况下服务器芯片核心温度性能曲线

图12. 机架层级下混合一体化冷板与商用冷板的芯片核心温度及泵送功耗对比

图13的(a)-(d)所示了STDCT的整体布局和机架配置，而图13(e)则对比了在全部22个机架满负荷运行下，IT设备的整体功耗。数据表明，采用ICP后，整个数据中心的IT设备总功耗相比使用商用CP时降低了3.7%。这一方面得益于核心温度降低减少了芯片的漏电流功耗。最终，图14的综合能耗分析量化了这一改进对数据中心整体能效指标PUE的影响。在使用商用CP时，基线数据中心的PUE为1.38。而得益于ICP带来的IT功耗降低3.7%以及泵功耗节省50%，数据中心的整体PUE被显著优化至1.23，降幅达10.9%，这构成了一个巨大的能效进步，直接降低了运营成本和碳排放。

图13. 热带可持续数据中心试验平台（STDCT）服务器机架整体布置概况；(a) 热带可持续数据中心试验平台（STDCT）场馆整体布局；(b) 22 台服务器机架排布方式；(c) 搭载混合一体化冷板的服务器机架；(d) 搭载传统商用冷板的服务器机架

图13. 热带可持续数据中心试验平台（STDCT）的功耗变化曲线

Part.3未来与展望

综上所述，本研究成功地设计、制造并验证了一款面向未来高密度数据中心的混合式集成冷板（ICP），为数据中心冷却技术的革新提供了一份全面且极具说服力的解决方案。通过深度融合拓扑优化算法、增材制造技术以及创新的液-空混合冷却架构，ICP不仅在热性能和能源效率上显著超越了传统的商用冷板，更在系统可靠性和运行韧性上实现了质的飞跃。研究结论表明，ICP在多个关键维度上均取得了突破。首先，它实现了能源效率的跨越式提升。在服务器层面，其能效比（COP）是传统产品的三倍；在数据中心层面，它将PUE从1.38大幅改善至1.23，IT设备功耗降低3.7%，泵功耗节省高达50%。其次，ICP展现出卓越的热性能，在相同泵功下可将处理器核心温度降低4-6 °C，有效遏制了热点问题，为芯片性能的充分发挥和寿命的延长创造了条件。最后，ICP具备无与伦比的故障容错能力，其集成的空气冷却层作为坚实的后备，能在液冷系统完全失效时，独立承担高达67%的TDP散热任务，确保CPU温度始终保持在85 °C的安全红线以下，从根本上消除了业界对液冷可靠性的担忧，为关键业务应用的连续性提供了坚实保障。

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