未来10年冷板市场增长率高达16%，英特尔等引领技术创新

高性能计算和人工智能大模型训练等行业都依赖于高性能处理器。由于这些处理器需要处理大量的计算任务，会产生巨大的热量。因此，容纳大量处理器和网络设备的数据中心会产生大量热量。高效的冷却解决方案对于防止处理器过热和保持最佳性能至关重要。

与传统的空气冷却方法相比，液体冷却的散热效率更高。液体具有更高的热容量和热传导性，能更有效地将热量从电子设备中带走。随着现代电子设备功能越来越强大，产生的热量也越来越多，液体冷却系统的发展备受重视。

冷板式液冷是一种应用广泛且发展潜力巨大的冷却方案，IDTechEx 的最新研究报告"Thermal Management for Data Centers 2023-2033"预测，未来10年，数据中心冷板液冷的复合年增长率将达到 16%，同时其他液体冷却替代方案也将强劲增长。

图片服务器CPU冷板冷却套件（图源：X. Tan et al., "Investigation on Advanced Cold Plate Liquid Cooling Solution for Large Scale Application in Data Center," 2023 22nd IEEE Intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems (ITherm), Orlando, FL, USA, 2023, pp. 1-7, doi: 10.1109/ITherm55368.2023.10177559.）

IDTechEx指出，冷板独特的差异化因素在于其内部的微观结构。目前，采用微通道的冷板方案是数据中心冷却应用和研究焦点。

微通道冷板能够提供较大的传热能力，然而，微小异物沉积导致的微通道堵塞；热通量过大时，微通道中流体从单相转变为预期外的两相，产生的气泡未能快速移除可能造成通道的局部干涸，等等，这些问题将导致微通道冷板传热性能的下降。

传统平行直微通道液冷板热流密度低、流量分布不均匀，面临高性能服务器芯片散热挑战。为此，研究人员通过各种间断结构（肋、针翅等）、特殊通道图案（波浪形、锯齿形、分形、蛇形、和双层微通道等）来破坏平稳流动，促进流体湍流并增加传热面积等对策来强化冷板传热，但这时往往导致更大的压降，需要精心的冷板微结构设计和流体动力学模拟。

图片平行微通道冷板及基本几何外形示意图

冷板液冷技术在提高各种系统的整体性能、可靠性和能效方面发挥着重要作用。冷板微结构的创新至关重要。当前，通过流动扰动增强传热以及与处理器封装直接集成以降低界面热阻，成为研究的重点。下面，列举一些案例并简要说明：

2021年，GE 公司开发了封装集成旋流冷却器（PICCO）的原型。研究人员在涡流传热的热流控模型指导下，通过增材制造在冷却器壁面上构建有序排列的三角形鳍片，以形成漩涡流体而去除冷却器壁面上的气泡，并将其限制在冷却器的中心部位，然后通过轴向流将气泡输送走。研究人员认为，这种技术消除了两相流体冷却的风险。经量化测试，PICCO 将传热系数提高了一倍，而压降只增加 13%。

图片扁平化的 PICCO 原型

2022 年 OCP 全球峰会上，数据中心 IT 基础设施提供商纬颖科技的热技术开发高级经理 Lentis Pai 也介绍了他们正在开发的芯片封装级液体冷却技术。通过将冷板与芯片封装外壳集成来提高热效率。随着 3D 堆叠芯片等先进技术的迅速发展，他们认为，这项创新将能够更好地应对芯片功率增长的热挑战。

图片开发封装集成液体冷却技术应对未来高功率 IC 热挑战（图片来源：Wiwynn，OCP Summit 2022）

IDTechEx 在研究报告中还提到了，当前，英特尔创新的设计方法也是将冷板直接集成到封装中，消除了 TIM2的使用，并降低了整体热阻。这种集成在热管理方面具有优势。然而，冷板与处理器的封装集成，也带来了更大的设计复杂性。

英特尔的这种创新的液体冷却技术设计被称为微通道集成散热器（Microchannel IHS，即 MC-IHS）。2021 年第 20 届 iTherm 会议上，英特尔首次在会议论文中展示了 MC-IHS 原型。热测试结果表明，MC-IHS 技术的冷却能力比标准冷板高出约 30%，在冷却负荷大于1000 W 的情况下，Rf-in 可达到约 0.05 °C/W。

图片英特尔MC-IHS 原型和集成结构示意图

冷板式液冷是替代传统空气冷却，满足高热流密度处理器以及高密度服务器冷却需求的热门解决方案。然而，随着处理器功率的增长和设备集成度的提升，传统冷板的不足正被逐渐放大，因此，需要创新设计以满足未来 500W 或 1000W 处理器的冷却需求。

冷板液冷系统原理图

参考文献：

1.X. Tan et al., "Investigation on Advanced Cold Plate Liquid Cooling Solution for Large Scale Application in Data Center," 2023 22nd IEEE Intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems (ITherm), Orlando, FL, USA, 2023, pp. 1-7, doi: 10.1109/ITherm55368.2023.10177559.

2.Zhiling Chen, Yi Jian, Jiahan Yan, Fei Dong, Bifeng Yin, A numerical comprehensive evaluation of a micro-type plate autothermal methanol steam reformer with different channel configurations, Chemical Engineering Science, 10.1016/j.ces.2022.118006, 262, (118006), (2022).

3.Miorini, R., Sharar, D., Gowda , A., Hoel , C., Whalen , B., and de Bock, P. (September 24, 2021). "A Novel Package-Integrated Cyclone Cooler for the Thermal Management of Power Electronics." ASME. J. Electron. Packag. June 2022; 144(2): 021105. https://doi.org/10.1115/1.4052071

4.J. -Y. Chang et al., "Package-Level Integration of Liquid Cooling Technology with Microchannel IHS for High Power Cooling," 2021 20th IEEE Intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems (iTherm), San Diego, CA, USA, 2021, pp. 18-23, doi: 10.1109/ITherm51669.2021.9503290.

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