CN111381644A

CN111381644A - 一种面向高性能计算机的液冷冷却系统

Info

Publication number: CN111381644A
Application number: CN201811636940.4A
Authority: CN
Inventors: 姜晶菲; 窦勇; 陈旭; 秦步月; 付强; 刘志强
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2018-12-29
Filing date: 2018-12-29
Publication date: 2020-07-07

Abstract

本发明公开了一种面向高性能计算机的液冷冷却系统，目的是避免冷量传输过程的损失，提高能源利用率。本发明由室外侧液冷冷却系统、N个室内侧液冷冷却系统和控制系统组成，控制系统内集成有控制器及与控制器相连的室外侧温度传感器；室外侧液冷冷却系统包括一个冷量分配单元、一个散热排；室内侧液冷冷却系统包括一个冷量分配单元、一个液冷单元；冷冻水在第一冷量分配单元，散热排和N个第二冷量分配单元、N个第二液冷单元中循环；控制器内写有控制软件，控制软件根据温度对第二冷量分配单元进行控制。本发明将液冷单元直接安装于发热设备表面，避免了冷量在传输过程中的浪费；且根据室外温度控制开启室内侧液冷冷却系统的运行数量，达到合理利用资源的目的。

Description

一种面向高性能计算机的液冷冷却系统

技术领域

本发明专利涉及一种面向高性能计算机的液冷冷却系统，属高性能计算机冷却技术领域。

背景技术

计算机散热冷却技术是指为了实现对计算机系统内元器件的温度控制、保证其正常、可靠地工作而采取的传热技术。理论和实践都表明，计算机的性能和可靠性与其工作温度密切相关。高性能计算往往采用当时最高性能的元器件。为了获得更高的性价比，硅片的集成度不断提高。尽管单个门电路的功耗在减小，但由于工作频率和集成度的迅猛提高，芯片的热功耗仍不断提高。伴随着性能的突飞猛进，器件的热功耗也日益上升。当前，众核处理器大行其道，3D封装方兴未艾，从芯片级、机柜级到系统级，功耗和功率密度都不断增大。功耗及功率密度的不断增长，散热冷却技术面临前所未有的技术挑战，主要体现在：1)如何将数十MW设备产生的热量高效传导出去。2)不同设备的热功耗特性和物理电气特征差异越来越大，如何针对较大的差异性实现精确散热以满足可靠性要求。3)随着能耗问题的愈发严峻，如何在实现高效传导散热的同时降低冷却系统自身能耗。4)针对大规模系统的可靠性墙，如何提高可靠性、可维修性和可扩展性。

目前的数据中心或计算中心，冷却系统的耗电占到了总用电量的40％以上。统计表明，冷却系统的电费大约每年增长14％。对大规模计算机而言，冷却系统的运行成本压力更大。绿色计算时代已经来领，在追求高性能计算，努力提高计算机系统单位功耗的计算能力的同时，必须减小冷却系统耗电，降低数据中心PUE(系统总耗电量与供给计算机设备的耗电量之比)。

目前，数据中心机房常用的空调有空气压缩式制冷系统和水冷前门空调系统。空气压缩式制冷系统通过冷却整体机房内的环境温度来降低服务器内的温度，受空调送风距离的限制，容易造成机房内的局部热点；水冷前门空调系统将换热量

直接安装于服务器出风口处，降低服务器的出风温度，但该系统通过冷冻水来冷却服务器的出风温度，冷冻水直接送入机柜前门，具有极大的泄露风险，且该系统降低服务器的出风温度，服务器的出风并非完全是服务器的回风，造成部分的冷量浪费。

从以上几个方案可以看出，上述方案均通过冷却机房空气实现通信设备的降温，冷却能力弱，冷量传输过程中存在较大能量损失。因此，如何实现针对高性能计算机的高效散热，提高能源利用率，是本领域技术人员需要攻克的技术难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提出一种面向高性能计算机的液冷冷却系统，该系统包括室外侧液冷冷却系统、室内侧液冷冷却系统以及控制系统，本发明直接针对计算机设备降温，避免冷量传输过程的损失，提高能源利用率。

本发明的技术方案为：

本发明由室外侧液冷冷却系统、N(4<N<10，且N为偶数)个室内侧液冷冷却系统和控制系统组成，控制系统内集成有控制器及与控制器相连的室外侧温度传感器；

室外侧液冷冷却系统包括一个第一冷量分配单元、一个散热排；

一个室内侧液冷冷却系统包括一个第二冷量分配单元、一个液冷单元；

控制系统包括室外侧温度传感器和控制器，控制器连接室外侧温度传感器；N个室内侧液冷冷却系统的第二冷量分配单元分别和控制器连接，N个液冷单元串行连接；

所述的室外侧液冷冷却系统提供的冷冻水在第一冷量分配单元中与N个第二冷量分配单元换热。冷冻水在第一冷量分配单元，散热排和N个第二冷量分配单元、N个液冷单元中循环；

所述的散热排与第一冷量分配单元相连，将第一冷量分配单元中冷冻水的热量传到空气中。

第二冷量分配单元将冷冻水传输给液冷单元。液冷单元直接布置于高性能计算机的发热设备(主要指CPU)上，通过底部冷冻水的泡状蒸发带走高性能计算机的发热设备散发的热量，蒸发后的制冷液在上层制冷液内冷凝；

室内侧液冷冷却系统从1-N进行编号，其第二冷量分配单元被控制系统控制开启或关闭；

控制器是一个写在可编程逻辑器件(如FPGA)，其内写有控制软件，控制软件对第二冷量分配单元的控制流程如下：

第一步，设置温度控制点T1和T2，T1＞T2，T1为15～25℃中的某一值，T2为-2～2℃中的某一值；

第二步，控制器从室外侧温度传感器分别接收温度值，根据温度值进行以下工作：

2.2若室外温度大于T1，控制器控制开启N个第二冷量分配单元将冷冻水传输给N个液冷单元；

2.2若室外温度大于T2且小于等于T1，控制器控制开启N/2个第二冷量分配单元将冷冻水传输给相应的N/2个液冷单元；

2.3若室外环境温度小于等于T2，控制器控制开启一个第二冷量分配单元将冷冻水传输给相应的液冷单元。

本发明可以达到以下技术效果：

1、本发明与现有的技术相比，将液冷单元直接安装于发热设备表面，避免了冷量在传输过程中造成的浪费；

2、根据室外温度环境参数控制开启室内侧液冷冷却系统的运行数量，达到合理利用资源的目的。

附图说明

图1液冷冷却系统组成示意图。

具体实施方式

为了使本发明专利的技术手段、创新特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明的技术方案。

参见图1，本发明提供了一种面向高性能计算机的液冷冷却系统，其特征在于，包括室内侧液冷冷却系统和室外侧液冷冷却系统以及控制系统三部分；所述的控制系统包括室外侧温度传感器和控制器，控制器连接室外侧温度传感器；所述的室外侧液冷冷却系统包括第一冷量分配单元和散热排，所述室内侧液冷冷却系统包括第二冷量分配单元和液冷单元，所述N个室内侧液冷冷却系统受控于控制系统，N个室内侧液冷冷却系统的第二冷量分配单元分别和控制系统的控制器连接，N个室内侧液冷冷却系统的液冷单元串行连接，所述的液冷单元直接布置于发热设备上。

Claims

1.一种面向高性能计算机的液冷冷却系统，其特征在于面向高性能计算机的液冷冷却系统由室外侧液冷冷却系统、N个室内侧液冷冷却系统和控制系统组成，N为正整数；室外侧液冷冷却系统包括一个第一冷量分配单元、一个散热排；一个室内侧液冷冷却系统包括一个第二冷量分配单元、一个液冷单元；控制系统包括室外侧温度传感器和控制器，控制器连接室外侧温度传感器；N个室内侧液冷冷却系统受控于控制系统，N个第二冷量分配单元分别和控制器连接，N个液冷单元串行连接；

室外侧液冷冷却系统的冷冻水在第一冷量分配单元中与N个第二冷量分配单元换热，冷冻水在第一冷量分配单元，散热排和N个第二冷量分配单元、N个液冷单元中循环；

散热排与第一冷量分配单元相连，将第一冷量分配单元中冷冻水的热量传到空气中；

第二冷量分配单元将冷冻水传输给液冷单元；液冷单元直接布置于高性能计算机的发热设备上，通过底部冷冻水的泡状蒸发带走发热设备散发的热量，蒸发后的制冷液在上层制冷液内冷凝；

控制器是一个写在可编程逻辑器件，其内写有控制软件，控制软件控制室内侧液冷冷却系统的第二冷量分配单元的开启或关闭。

2.如权利要求1所述的一种面向高性能计算机的液冷冷却系统，其特征在于N满足：4<N<10，且N为偶数。

3.如权利要求1所述的一种面向高性能计算机的液冷冷却系统，其特征在于控制软件对第二冷量分配单元的控制流程如下：

第二步，控制器室外侧温度传感器接收温度值，根据温度值进行以下工作：

2.2若室外温度大于T1，控制器控制开启N个第二冷量分配单元进行冷却；

2.2若室外温度大于T2且小于等于T1，控制器控制开启N/2个第二冷量分配单元进行冷却；

2.3若室外环境温度小于等于T2，控制器控制开启一个第二冷量分配单元进行冷却。