洞见先机系列深度一：响应AI芯片散热3D打印液冷

　　冷板式液冷无望成为数据核心支流散热方案：从汗青数据看，仅冷却一项可占到数据核心电耗的40%，跟着GPU热设想功耗的不竭提拔，保守风冷散热起头面对瓶颈，而液冷的散热效率远高于风冷，特别是采用微通道液寒天花板更高，按照英伟达数据，通过摆设液体冷却的 GB200 NVL72 系统，一个 50 兆瓦的超大规模数据核心每年可节流跨越 400 万美元。按照中国消息通信研究院数据，2024 年我国智算核心液冷市场规模达到 184 亿元，同比增加 66%，2029 年估计进一步达到 1300 亿元，液冷市场需求无望送来迸发。此中冷板式液冷是使用最广的液冷体例，做为一种间接液冷体例通过拆有液体的铜/铝导热金属形成的封锁腔体来进行导热，因为办事器芯片等发烧器件不消间接接触液体，所以该系统不需对整套机房设备进行从头设想，可操做性更强，因而冷板式液冷成熟度最高、使用最普遍。3D打印无望成为液冷板制制最优手艺线D打印具备保守机加工没有的制制劣势，特别适合液冷板制制：液冷板常见设想方案包罗铲齿式、管道式、盘曲式、针状式、微通道等，此中铲齿式是目前数据核心场景中占比最高的类型。3D打印起首解放了流道设想，流道设想能够通过拓扑优化、仿生设想复杂化以改善散热机能，而3D打印加工因为是分层制制其加工时间、成本对布局设想变化不，反之CNC/铲齿加工正在这方面遭到加大的；同时保守液冷板次要通过钎焊、扩散焊等工艺完成焊接，其布局强度、毗连处热阻弱于3D打印的一体化成型。微通道液冷板成为新趋向，3D打印劣势进一步放大：按照锦富手艺消息，其开辟的0。08mm微通道液冷板已获得某客户的订单，已用于B200芯片的液冷散热系统，针对下一代B300芯片的适配方案也已完成多轮送样测试，反馈优良，进入出产预备阶段，通过微通道手艺进一步加强散热机能大势所趋。一般将当量曲径低于1mm的散热器定义为微通道散热器，因为微通道液冷板涉及极小尺寸的立体复杂布局制制（特别是要实现仿生流道设想），保守铲齿、微铣削、微电火花加工、微冲压等制制工艺均存正在较大，遭到材料厚度和几何布局复杂程度的，难以加工出深宽比大和布局复杂的沟槽，3D打印的加工劣势将进一步放大，而且可避免焊接过程导致微通道布局尺寸改变的问题。目前财产次要通过铲齿工艺进行加工，后续或向3D打印手艺过渡。铜材料打印较难但可冲破，财产已有3D打印液冷板产物落地：铜因为对场景3D打印设备所利用的波段有较高的反射率难以加工，但财产已有采用绿光激光器、蓝光激光器的设备方案，能够显著降低铜的反射率。目前CoolestDC基于于EOS DMLS手艺和高密度EOS Copper CuCP工艺开辟一体式冷板，可承受6bar以上水压让GPU工做温度降低近50%；Fabric8Labs采用奇特的电化学增材制制（ECAM）手艺打印高精度冷板，可实现对芯片热点区域的精准冷却，机能显著高于采用铲齿工艺的微通道冷板；希禾增材通过绿光3D打印手艺实现微通道液冷板制制，打印件最小壁厚可达0。05mm，致密度跨越99。8%。全体来看，3D打印液冷板财产化落地是大势所趋。数据核心从室内热源到冷源设备的换热过程中，按照芯片热量从机柜办事器进入机房冷却水系统的体例分歧，散热可分为风冷散热和液冷散热。风冷散热次要操纵轮回空气带走芯片热量，换热的热阻大，且空气传热能力无限，因而散热效率不高，散热系统能耗大。液冷散热操纵液体带走芯片热量，具有高载热能力的液体为高热流密度的芯片供给高效的散热。从汗青数据看仅冷却一项就占领了数据核心电耗的40%，英伟达GB200 NVL72和GB300 NVL72均支撑机架级的液冷系统，大幅降低电耗优化成本。按照英伟达数据，通过摆设液体冷却的GB200 NVL72系统，一个50兆瓦的超大规模数据核心每年可节流跨越400万美元。按照中国消息通信研究院数据，2024年我国智算核心液冷市场规模达到184亿元，同比增加66%，2029年估计进一步达到1300亿元。数据核心液冷按冷却液接触形式分为间接接触和间接接触（通过高导热率固体导热材料接触电子芯片）两大类，再按接触体例、冷却液类别、冷却液能否相变进行梯次划分。一般认为液冷的实现体例有8种。此中冷板式液冷做为间接液冷体例发烧期间不间接接触液体，而是通过拆有液体的冷板（凡是为铜、铝等导热金属形成的封锁腔体）来导热，然后通过液体轮回带走热量。因为办事器芯片等发烧器件不消间接接触液体，所以该系统不需对整套机房设备进行从头设想，可操做性更强，因而冷板式液冷也是液冷体例中成熟度最高、使用最普遍的。液冷系统次要由冷源、液冷分派单位（CDU）、快速接头、从轮回水泵及管道构成。热量颠末一次冷却、此中一次冷却过程次要将芯片端热量传送至CDU，受热后的高温冷却液正在CDU和二次冷媒进行换热，降温后回流至芯片端完成一轮轮回。二次冷却过程是将一次冷却过程导出的热量传至室外的过程，二次冷媒正在冷量分派单位(CDU)内取冷却液进行热互换，此后高温的二次冷媒正在轮回泵的驱动下进入冷源或热收受接管设备等冷却安拆，将照顾的热量传到中或进行收受接管操纵，冷却后的二次冷媒回流至热互换器，完成一个完整的轮回。3D打印手艺又称为增材制制(Additive Manucture，AM)手艺，正在航空航天、医疗、工业等范畴具有广漠成长前景。3D打印手艺从模子起头，将3D模子进行“切片”使其成为多个能够理解为2D平面的薄层，再通过雷同喷墨打印机的体例进行逐层的打印取堆叠，从而通过逐层节制材料正在3D空间的和黏合力来制制物体。通过粉末进行成型是目前工业范畴常用的3D打印加工体例，例如激光熔化（SLM）手艺，通过逐层铺粉进行粉末烧结完成金属成型。正在SLM手艺的根本上，LMD手艺、熔丝堆积等手艺带来了加工效率的进一步提拔，但没有带来决定性的手艺变化。从减材制制到增材制制，3D打印冲破保守制制体例，带来完全分歧的设想。保守机械加工方式次要是减材制制，正在其制制过程中材料逐步削减以完成最终成型，或利用模具完成等材制制。3D打印所属的增材制制则打破了保守制制体例，操纵数字化手艺间接完成产物成型，让3D打印完全了原有制制业设想体例，创制了为增材制制而设想的产物。3D打印正在可加工材料、加工精度、概况粗拙度等方面取保守细密加工还存正在差距，但取此同时也具有不成替代的庞大劣势：1）缩短产物研发取迭代周期。3D打印由模子间接成型，能够极大的降低产物研制周期，节约高贵的模具费用，提高产物研发迭代速度。2）一体化高效成型复杂布局。3D打印道理为用二维截面叠加制制三维几何体，可制制保守细密加工难以制制的复杂布局件，连结产质量量的同时提高良率。同时能够通过从头设想优化复杂部件布局使其变为简单布局，大幅降低分量。3）高材料操纵率。取保守细密加工手艺比拟，金属3D打印手艺可节约大量材料，出格是对较为高贵的金属材料而言，可节约较大的成本。4）实现优秀力学机能。以金属3D打印为例，其成型后内部冶金质量平均致密，无其他冶金缺陷，同时材料内部组织为藐小亚布局，成型零件可正在不丧失塑性的环境下使强度获得较大提高。3D打印无需特殊东西即可制制零部件，较低的启动成本使其成为小批量出产和定制零部件的优异处理方案。当前越来越多的工程和制制公司正正在操纵3D打印手艺的前进来设想和制制机能更高的奇特零件，并提高产量以至用于批量出产。液冷板常见的设想方案包罗铲齿式、管道式、盘曲式、针状式、微通道等，此中铲齿式是目前数据核心场景中占比最高的类型。3D打印起首解放了流道设想，持续提拔散热机能。对液冷板机能影响最大的是液冷板的流道设想，需要考虑冷板上总的热负载、单个器件的热耗密度、系统供给的冷却液流量、要求的器件概况温度和冷却液入口温度等。例如将曲线流道通过拓扑优化改为雷同动物叶脉状的流道可以或许显著提拔散热机能。流道设想的复杂化对加工时间、质量的影响显著弱于CNC等体例，让流道设想有持续优化的空间。例如正在上述流道设想优化的根本上，还通过拓扑优化+仿生设想能够进一步优化为双标准流道，此中宏不雅流道能够提高流动的平均性，降低功耗散，微不雅叶脉流道能够无效的愈加流热互换面积，加强热传导提拔散热机能，且加强均温性。同时因为3D打印为一体化成型，布局强度、毗连处热阻也均优于保守焊接工艺制制的冷板。液冷板常用的密封焊接体例次要有实空钎焊、扩散焊、搅拌摩擦焊、电子束焊等工艺体例。按照锦富手艺消息，其定制开辟的0。08mm铲齿散热架构已获得某客户的订单，已用于B200芯片的液冷散热系统，可无效处理1800W-2000W及以上功耗处置器的TDP热效应问题，保障处置器模组低温不变运转。此外，反馈优良，进入出产预备阶段。为了尽可能增大散热接触面积，目前财产次要通过铲齿工艺制制微通道液冷板，将铜间接切出小的翅片，一般将当量曲径低于1mm的散热器定义为微通道液冷板。曲通道是最根本的微通道类型，适合使用正在要求低压降的工做中，对曲通道布局进行调整后能够改善其传热机能，例如采用高锥度的锥形通道能够让流体更早过渡到湍流，正在较低的雷诺数下具有更大的传热系数和更高的压降。因为微通道液冷板涉及极小尺寸的立体复杂布局制制（特别是要实现仿生流道设想），保守铲齿、微铣削、微电火花加工、微冲压等制制工艺均存正在较大，遭到材料厚度和几何布局复杂程度的，难以加工出深宽比大和布局复杂的沟槽，通过3D打印进行制制前景更好。近年多孔布局也逐步被使用于微通道中来加强换热，因其可以或许无效拓展传热面积而加强传热，还为气泡形核、发展供给了大量的微孔和抱负的空间从而缓解了流动不不变性，已被证明具有很是好的强化传热结果。所以分析三者而言，微通道骨架为多孔布局具有最优的散热结果。而通过采用3D打印手艺，能够间接将金属颗粒烧结成多孔基质，再正在多孔基质内部制备微型通道即构成了微通道骨架为多孔布局的微通道，进一步加强散热机能。按照微通道液冷板布局设想，虽然通过实空钎焊和扩散焊能够实现平面焊缝焊接，但因为微通道液冷板宽度不脚1mm，采用实空钎焊工艺，焊料熔化后流动会填充微通道，形成微通道的堵塞。采用扩散焊工艺，扩散焊过程中的压力将导致微通道布局尺寸的改变，影响流阻及换热机能。3D打印一体成形则能够避免这些问题。但要实现铜的3D打印较为坚苦，次要因为纯铜对于支流的激光器波长会有很高的反射率，通过激光熔化和激光融化成形时难以堆积，还容易发生球化、孔洞、微裂痕等冶金缺陷。一般激光器波长大于1060nm，进行铜3D打印需要选用例如450nm波光的蓝光激光器或515nm的绿光激光器，能够显著降低铜的反射率。也就是说纯铜或铜合金进行3D打印的手艺线可行，但涉及蓝/绿光激光器使用、粉末球形度选择、打印手艺线（SLM/LMD/EBSM/BJ等）、激光器功率、扫描速度/间距、光斑曲径等较多变量，我们认为手艺壁垒较高。CoolestDC基于EOS DMLS手艺和高密度EOS Copper CuCP工艺开辟一体式冷板。冷板一体式设想无垫片、无接头并可承受6bar以上水压。和风冷比拟CPU芯片和内核温度降低10度，GPU工做温度降低接近50%。Fabric8Labs采用奇特的电化学增材制制（ECAM）手艺打印高精度冷板，可实现对芯片热点区域的精准冷却，机能显著高于采用铲齿工艺的微通道冷板。希禾增材通过绿光3D打印手艺实现微通道液冷板制制，打印件最小壁厚可达0。05mm，致密度跨越99。8%。新手艺推广不及预期：3D打印正在液冷板加工潜力较大，但仍面对概况加工质量节制、成本节制等方面问题，若后续手艺成熟度提拔不及预期，将对相关企业成长形成影响。