今年年初，科幻電影《流浪地球2》一經上映，熱度居高不下。影片中一係列前沿科技引發觀眾(zhong) 熱議，在劇情中扮演關(guan) 鍵角色的智能量子計算機更是將劇情推向高潮。

　　無論是什麽(me) 樣的電子產(chan) 品，發熱始終是困擾用戶的一大難題。電影中，使用者將計算機泡在液體(ti) 中冷卻。這種“泡澡”的冷卻方式，一時引發廣大網友的熱議。

　　計算機為(wei) 什麽(me) 要“泡澡”？給計算機“泡澡”是否可行？今天就由我們(men) 來為(wei) 您揭秘——

　　電腦“過熱”要“罷工”

　　眾(zhong) 所周知，芯片是計算機的“大腦”，擔負著計算和處理任務的職責。和人腦一樣，芯片的工作效率也受其自身狀態的影響。

　　隨著芯片性能的不斷增強，其功耗也不斷攀升，一些商用服務器處理器的功耗甚至可達驚人的700瓦，這幾乎和一台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，短時間內(nei) ，芯片“體(ti) 溫”便會(hui) 急劇升高。

　　這裏所說的芯片“體(ti) 溫”實際上就是芯片表麵的殼溫。一般來講，芯片表麵的殼溫要控製在85℃以內(nei) ，才可以保證芯片正常工作。倘若工作產(chan) 生的廢熱無法散出，芯片的“體(ti) 溫”就會(hui) 在短時間內(nei) “越過安全線”，出現一係列異常症狀。

　　這種症狀和人類發燒時有些相似。“頭腦發熱”會(hui) 導致芯片“無精打采”，工作效率降低。倘若不及時散熱，芯片溫度將進一步升高，用不了多久就會(hui) “發高燒”。這時芯片功耗增大，內(nei) 部元器件還會(hui) 受熱膨脹，導致不同元器件互相擠壓，從(cong) 而使芯片出現裂紋，甚至可能激發高能載流子擊穿晶體(ti) 管，嚴(yan) 重降低芯片使用壽命或者導致芯片報廢。

　　此外，芯片過熱還會(hui) 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增大。倘若此時不及時散熱還要繼續長時間大負荷工作，將會(hui) 產(chan) 生大量熱量，芯片可能會(hui) 因高熱而起火，對財產(chan) 和工作人員安全造成嚴(yan) 重威脅。

　　因此，在擁有大量計算機同時工作的數據中心，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”下長時間高效工作。

　　電腦“退燒”刻不容緩

　　起初，由於(yu) 計算機功耗小，計算機內(nei) 部芯片產(chan) 生的熱量僅(jin) 僅(jin) 需要自然對流即可散出。因此，計算機工程師們(men) 並不需要關(guan) 注冷卻技術。

　　隨著芯片技術不斷進步，集成度不斷提高，芯片功耗急劇增大，僅(jin) 僅(jin) 依靠自然冷卻已經無法解決(jue) 散熱問題。於(yu) 是，工程師們(men) 開始引入強迫對流風冷散熱技術，即利用高導熱的金屬翅片將熱量導出，再通過風扇高速旋轉將熱量散出——這也是為(wei) 什麽(me) 我們(men) 經常能聽到電腦發出“嗡嗡”的聲音。

　　風冷技術憑借結構簡單、可靠性高等優(you) 勢，在相當長時間內(nei) 占據了市場主流。然而，當芯片功耗變高、甚至達到300瓦時，采用風冷技術會(hui) 使得散熱器和風機的體(ti) 積變得更大，風機高速旋轉帶來的噪音也會(hui) 令人難以忍受。

　　為(wei) 此，工程師們(men) 又提出了第二條路：液冷技術。

　　液冷技術憑借液體(ti) 高比熱容的特性，通過直接或間接接觸熱源，可比風冷技術帶走更多的熱量。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嶽等，均采用了以水作為(wei) 冷卻介質的冷板式液冷技術。在係統性能、芯片功率、組裝密度、運行噪音等許多方麵，液冷技術的應用給數據中心和超級計算帶來了極大的提升。

　　當然，冷板式液冷技術也有其缺點：一方麵，以水為(wei) 冷卻介質，一旦發生泄漏，將會(hui) 損害電子元器件；另一方麵，如果想要實現計算機內(nei) 部所有元器件的散熱，冷板結構將會(hui) 變得極其複雜，設計難度極大。

　　在市場需求的不斷驅動下，一種浸沒式液冷技術開始興(xing) 起。該技術通過將整個(ge) 主板直接浸泡在冷卻性能好、且具備絕緣特點的冷卻液中，以實現對所有元器件的散熱。2022年12月，精密浸沒式液冷領域的全球領導者Iceotope宣布了與(yu) Meta合作的一項新研究。研究證實了機架級液體(ti) 冷卻技術的效率、實用性和有效性，可以滿足超大規模數據中心廣泛部署和高頻使用的高密度存儲(chu) 磁盤的冷卻要求。該研究也成功證明精密浸沒式冷卻比傳(chuan) 統的冷板式液冷更加有效。

　　據了解，液冷技術正在成為(wei) 全球數據中心發展的新技術方向。IBM、穀歌、英特爾等國際巨頭公司已紛紛在該領域展開布局。IBM發布相關(guan) 液冷超算機，可以降低40%以上的能源消耗，減少85%的碳排放；穀歌在其數據中心采用液冷技術，並持續推動數據中心降溫方式向液冷轉變；全球最大的浸沒式液冷數據中心阿裏巴巴浙江雲(yun) 計算仁和數據中心，已經在2020年投入使用浸沒式液冷技術，可為(wei) 數據中心節能70%以上。

　　液冷技術未來可期

　　如今，冷卻技術已成為(wei) 各國科技競爭(zheng) 的熱點領域：有工程師研發出射流衝(chong) 擊液冷技術，可以在1平方厘米的芯片上實現約1100瓦的散熱；2019年《自然》雜誌公布了一種集成在芯片內(nei) 部微流道冷卻技術，可以在1平方厘米芯片上實現約1700瓦的散熱，或將成為(wei) 未來實現超大功率芯片冷卻的有效技術手段；還有工程師提出沸騰浸沒液冷技術，在整個(ge) 散熱過程中幾乎沒有額外的電能輸入，有望實現“零能耗”冷卻……

　　中國工程院院士孫凝暉曾說過一句話：“當一個(ge) 國家的計算力指數達到40分以上時，指數每提升1點，對於(yu) GDP增長的拉動將提高到1.5倍。”液冷技術的進步，推動了服務器設備算力的穩定輸出及計算性能的高效提升，進而對許多領域都產(chan) 生了積極影響。

　　軍(jun) 事領域，液冷技術也發揮著越來越大的作用。

　　戰場上，液冷技術應用於(yu) 指揮所計算機係統，可以使係統集成度大幅提高。尤其是在野外或者坑道中，液冷技術使得指揮所計算機具備更強的性能、更長的續航時間以及更好的隱蔽性，從(cong) 而更好地保障指揮決(jue) 策。

　　在裝備方麵，激光武器應用液冷技術，可以提升激光輸出功率密度以及光束的質量，在增大激光武器殺傷(shang) 性能的同時擁有更小的體(ti) 積，從(cong) 而有利於(yu) 提高武器係統的快速部署能力；有源相控陣雷達采用液冷技術，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。

　　強大的火力係統也離不開液冷技術。為(wei) 了確保火力係統長時間穩定輸出，許多武器裝備直接配備液冷係統。比如，著名的馬克沁重機槍就是采用液冷技術，以確保子彈高速穩定輸出。

　　此外，液冷技術已經走進了人們(men) 的日常生活。有科技公司將液冷技術應用於(yu) 定製的個(ge) 人電腦中，大大提升了電腦的性能，使用戶擁有了更好的體(ti) 驗感。國內(nei) 某電動車公司將液冷技術應用於(yu) 電動車電機上，獨特的液冷降溫法不僅(jin) 解決(jue) 了行業(ye) “老大難”的退磁續航能力，還一站式地解決(jue) 了電機生鏽、易退磁等問題，這對於(yu) 電動車行業(ye) 來說是顛覆性的創新。在超導領域，可以將超導線纜浸泡在液氦等極低溫液體(ti) 中，以實現零損耗輸電，相關(guan) 技術有望應用在高壓輸電上。

　　總而言之，液冷技術是當下芯片性能提升後，計算機係統不可或缺的重要技術之一。在各國政府越來越重視數據中心能耗指標的大環境下，更多的風冷數據中心未來將會(hui) 被淘汰，液冷技術正逐漸取代前者成為(wei) 國內(nei) 外的主流技術。未來，大到超級計算機係統，小至個(ge) 人計算機，均有可能實現全液冷散熱。在人類與(yu) 信息設備聯係愈發密切的未來，液冷技術將為(wei) 我們(men) 的生活提供越來越優(you) 質的服務。

　　逯心一 鄧 增 高莉華