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(guān)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(wú)論是什么樣的電子產(chǎn)品，發(fā)熱始終是困擾用戶(hù)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(shí)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(lái)為您揭秘——

　　電腦“過(guò)熱”要“罷工”

　　眾所周知，芯片是計算機的“大腦”，擔負著(zhù)計算和處理任務(wù)的職責。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(zhù)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驚人的700瓦，這幾乎和一臺1匹的空調功耗相當。試想一下，一塊小小的芯片以極高的功耗工作，短時(shí)間內，芯片“體溫”便會(huì )急劇升高。

　　這里所說(shuō)的芯片“體溫”實(shí)際上就是芯片表面的殼溫。一般來(lái)講，芯片表面的殼溫要控制在85℃以?xún)龋趴梢员ＷC芯片正常工作。倘若工作產(chǎn)生的廢熱無(wú)法散出，芯片的“體溫”就會(huì )在短時(shí)間內“越過(guò)安全線(xiàn)”，出現一系列異常癥狀。

　　這種癥狀和人類(lèi)發(fā)燒時(shí)有些相似。“頭腦發(fā)熱”會(huì )導致芯片“無(wú)精打采”，工作效率降低。倘若不及時(shí)散熱，芯片溫度將進(jìn)一步升高，用不了多久就會(huì )“發(fā)高燒”。這時(shí)芯片功耗增大，內部元器件還會(huì )受熱膨脹，導致不同元器件互相擠壓，從而使芯片出現裂紋，甚至可能激發(fā)高能載流子擊穿晶體管，嚴重降低芯片使用壽命或者導致芯片報廢。

　　此外，芯片過(guò)熱還會(huì )使周邊阻容元件異常，導致芯片的供電電壓和供電電流同時(shí)增大。倘若此時(shí)不及時(shí)散熱還要繼續長(cháng)時(shí)間大負荷工作，將會(huì )產(chǎn)生大量熱量，芯片可能會(huì )因高熱而起火，對財產(chǎn)和工作人員安全造成嚴重威脅。

　　因此，在擁有大量計算機同時(shí)工作的數據中心，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(cháng)時(shí)間高效工作。

　　電腦“退燒”刻不容緩

　　起初，由于計算機功耗小，計算機內部芯片產(chǎn)生的熱量?jì)H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(zhù)芯片技術(shù)不斷進(jìn)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(wú)法解決散熱問(wèn)題。于是，工程師們開(kāi)始引入強迫對流風(fēng)冷散熱技術(shù)，即利用高導熱的金屬翅片將熱量導出，再通過(guò)風(fēng)扇高速旋轉將熱量散出——這也是為什么我們經(jīng)常能聽(tīng)到電腦發(fā)出“嗡嗡”的聲音。

　　風(fēng)冷技術(shù)憑借結構簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)勢，在相當長(cháng)時(shí)間內占據了市場(chǎng)主流。然而，當芯片功耗變高、甚至達到300瓦時(shí)，采用風(fēng)冷技術(shù)會(huì )使得散熱器和風(fēng)機的體積變得更大，風(fēng)機高速旋轉帶來(lái)的噪音也會(huì )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(guò)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)的應用給數據中心和超級計算帶來(lái)了極大的提升。

　　當然，冷板式液冷技術(shù)也有其缺點(diǎn)：一方面，以水為冷卻介質(zhì)，一旦發(fā)生泄漏，將會(huì )損害電子元器件；另一方面，如果想要實(shí)現計算機內部所有元器件的散熱，冷板結構將會(huì )變得極其復雜，設計難度極大。

　　在市場(chǎng)需求的不斷驅動(dòng)下，一種浸沒(méi)式液冷技術(shù)開(kāi)始興起。該技術(shù)通過(guò)將整個(gè)主板直接浸泡在冷卻性能好、且具備絕緣特點(diǎn)的冷卻液中，以實(shí)現對所有元器件的散熱。2022年12月，精密浸沒(méi)式液冷領(lǐng)域的全球領(lǐng)導者Iceotope宣布了與Meta合作的一項新研究。研究證實(shí)了機架級液體冷卻技術(shù)的效率、實(shí)用性和有效性，可以滿(mǎn)足超大規模數據中心廣泛部署和高頻使用的高密度存儲磁盤(pán)的冷卻要求。該研究也成功證明精密浸沒(méi)式冷卻比傳統的冷板式液冷更加有效。

　　據了解，液冷技術(shù)正在成為全球數據中心發(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(kāi)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；谷歌在其數據中心采用液冷技術(shù)，并持續推動(dòng)數據中心降溫方式向液冷轉變；全球最大的浸沒(méi)式液冷數據中心阿里巴巴浙江云計算仁和數據中心，已經(jīng)在2020年投入使用浸沒(méi)式液冷技術(shù)，可為數據中心節能70%以上。

　　液冷技術(shù)未來(lái)可期

　　如今，冷卻技術(shù)已成為各國科技競爭的熱點(diǎn)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(shí)現約1100瓦的散熱；2019年《自然》雜志公布了一種集成在芯片內部微流道冷卻技術(shù)，可以在1平方厘米芯片上實(shí)現約1700瓦的散熱，或將成為未來(lái)實(shí)現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(méi)液冷技術(shù)，在整個(gè)散熱過(guò)程中幾乎沒(méi)有額外的電能輸入，有望實(shí)現“零能耗”冷卻……

　　中國工程院院士孫凝暉曾說(shuō)過(guò)一句話(huà)：“當一個(gè)國家的計算力指數達到40分以上時(shí)，指數每提升1點(diǎn)，對于GDP增長(cháng)的拉動(dòng)將提高到1.5倍。”液冷技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)了服務(wù)器設備算力的穩定輸出及計算性能的高效提升，進(jìn)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(zhù)越來(lái)越大的作用。

　　戰場(chǎng)上，液冷技術(shù)應用于指揮所計算機系統，可以使系統集成度大幅提高。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(cháng)的續航時(shí)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(shí)擁有更小的體積，從而有利于提高武器系統的快速部署能力；有源相控陣雷達采用液冷技術(shù)，可以大幅提升雷達功率，使得雷達探測距離更遠，探測精度和可靠性更高。

　　強大的火力系統也離不開(kāi)液冷技術(shù)。為了確保火力系統長(cháng)時(shí)間穩定輸出，許多武器裝備直接配備液冷系統。比如，著(zhù)名的馬克沁重機槍就是采用液冷技術(shù)，以確保子彈高速穩定輸出。

　　此外，液冷技術(shù)已經(jīng)走進(jìn)了人們的日常生活。有科技公司將液冷技術(shù)應用于定制的個(gè)人電腦中，大大提升了電腦的性能，使用戶(hù)擁有了更好的體驗感。國內某電動(dòng)車(chē)公司將液冷技術(shù)應用于電動(dòng)車(chē)電機上，獨特的液冷降溫法不僅解決了行業(yè)“老大難”的退磁續航能力，還一站式地解決了電機生銹、易退磁等問(wèn)題，這對于電動(dòng)車(chē)行業(yè)來(lái)說(shuō)是顛覆性的創(chuàng )新。在超導領(lǐng)域，可以將超導線(xiàn)纜浸泡在液氦等極低溫液體中，以實(shí)現零損耗輸電，相關(guān)技術(shù)有望應用在高壓輸電上。

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

　　逯心一 鄧 增 高莉華