來源：WHITE PAPER: COLD PLATE DEVELOPMENTAND QUALIFICATION

01 引言

隨著數據中心算力需求的爆炸式增長，處理器（CPU、GPU等）及其他IT組件的功耗和功率密度也在持續攀升。傳統風冷技術在高熱設計功耗（TDP）環境下逐漸顯現出散熱瓶頸，而液冷技術，尤其是單相液冷冷板（Cold Plate）方案，正在成為高性能計算（HPC）及數據中心熱管理的核心技術之一。OCP（Open Compute Project）社區聚焦于開放式計算架構的優化，其中冷板的開發與驗證成為液冷系統可靠性和性能優化的關鍵環節。本文將圍繞冷板技術的設計、制造、測試與驗證展開深入探討，并分析其在未來數據中心液冷系統中的發展趨勢。

圖1：冷板組件示例

02 問題與挑戰

冷板作為液冷系統的核心部件，其主要任務是通過流經內部流道的冷卻液，快速有效地將計算設備的熱量導出。然而，冷板的設計和應用面臨以下幾個關鍵挑戰：

1. 機械結構設計復雜性
   冷板不僅需要具備良好的散熱性能，還需要滿足結構強度、尺寸公差、安裝便捷性等要求。特別是在高密度服務器環境中，冷板的機械設計必須兼顧輕量化和高可靠性。

2. 熱性能優化難度
   冷板的熱阻（Thermal Resistance）直接決定了散熱效率，微通道結構、材料選擇、冷卻液流速等因素均會影響其性能。如何優化冷板內部流道設計，以最大化熱傳輸效率，同時控制流動阻力，是冷板開發的重要研究方向。

3. 可靠性與長期穩定性
   數據中心對設備穩定性的要求極高，冷板需要經過嚴格的可靠性測試，包括耐壓測試（Hydrostatic Pressure Test）、腐蝕測試（Corrosion Test）、動態振動測試（Shock & Vibration Test）及溫度循環測試（Temperature Cycling Test）等，以確保長期運行的安全性和可靠性。

4. 制造與成本控制
   冷板的制造涉及釬焊（Brazing）、攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding, FSW）、焊接（Soldering）及O型密封圈（O-ring）等不同工藝。不同制造方式在成本、機械強度、耐壓能力及化學兼容性等方面存在差異，如何在性能與成本之間取得平衡，是產業界關注的焦點。

03 核心技術與解決方案

針對上述挑戰，OCP社區在冷板技術開發過程中提出了一系列優化方案：

1. 機械設計優化

• 采用模塊化設計，例如兩片式（2-piece）冷板，將流體換熱器（Fluid Heat Exchanger）與固定支架（Retention Bracket）分離，以便于跨代兼容不同的處理器封裝，降低更換成本。

• 通過精密制造控制冷板底部的平整度（Flatness）和表面粗糙度（Roughness），確保與熱源（如CPU IHS）之間的良好接觸，提高熱傳導效率。

2. 熱性能優化

• 采用微通道（Micro-channel）結構或直刻流道（Skived Fin）設計，提高換熱面積并優化流體流動路徑，以降低流體熱阻。

• 通過實驗測定不同冷卻液流速（Flow Rate）對冷板熱阻的影響，確保液冷系統能夠在合理的泵功率下提供最佳散熱性能。

3. 可靠性測試與評估

OCP建議采用一系列標準化測試方法來驗證冷板的可靠性：

• 耐壓測試（Hydrostatic Pressure Test）：根據IEC 62368-1標準，對冷板進行最大工作壓力3倍的耐壓測試，確保無泄漏。

• 腐蝕測試（Corrosion Test）：采用ASTM B117鹽霧測試（Salt Spray Test）評估冷板的抗腐蝕能力，并結合流體兼容性測試（ASTM D2570）分析冷卻液對金屬材料的影響。

• 振動與沖擊測試（Vibration & Shock Test）：在服務器模擬工作環境下進行振動與沖擊測試，以確保冷板在運輸和運行過程中不會出現機械故障。

• 溫度循環測試（Temperature Cycling Test）：模擬數據中心運行環境中的溫度波動，評估冷板在長期冷熱交替過程中是否存在疲勞失效。

4. 制造工藝改進

OCP社區對不同制造工藝的優勢和劣勢進行了對比，并提出以下建議：

• 釬焊（Brazing）：適用于高強度冷板制造，但成本較高，并可能導致銅材軟化。

• 攪拌摩擦焊（FSW）：不影響材料硬度，適用于單件或兩片式冷板，但加工成本高。

• 焊接（Soldering）：成本較低，但可能導致焊點脆性增加，降低可靠性。

• O型密封圈（O-ring）：適用于塑料或復合材料冷板，成本低，但耐壓能力有限。

04 未來發展方向

隨著數據中心向高密度、高算力方向發展，冷板技術的未來發展趨勢主要體現在以下幾個方面：

1. 新材料與涂層技術
   未來冷板可能采用高導熱陶瓷、金剛石復合材料（Diamond Composite）、超疏水涂層（Superhydrophobic Coatings）等新材料，以提升導熱能力并增強耐腐蝕性。

2. 智能液冷管理系統
   結合傳感器和AI算法，實時監測冷板內部流體溫度、流速及熱阻變化，實現智能化動態調控，提高能效比（PUE）。

3. 雙相冷板（Two-phase Cold Plate）
   采用相變材料（PCM）或冷凝/蒸發換熱技術，以進一步降低數據中心的散熱能耗。

4. 模塊化與標準化
   未來冷板設計將更加趨向模塊化與標準化，以便適配不同服務器架構，并降低冷卻系統的部署與維護成本。

05 結論

冷板技術作為數據中心液冷系統的核心組件，正經歷從單相液冷向高性能、高可靠性、多功能化的快速演進。OCP社區的研究表明，通過優化機械設計、提高熱性能、增強可靠性測試以及改進制造工藝，可以顯著提升冷板的整體性能，并推動液冷技術在數據中心的廣泛應用。未來，隨著新材料、新工藝及智能控制技術的發展，冷板將在高密度計算與綠色數據中心建設中發揮更重要的作用。

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