来源：WHITE PAPER: COLD PLATE DEVELOPMENTAND QUALIFICATION

01 引言

随着数据中心算力需求的爆炸式增长，处理器（CPU、GPU等）及其他IT组件的功耗和功率密度也在持续攀升。传统风冷技术在高热设计功耗（TDP）环境下逐渐显现出散热瓶颈，而液冷技术，尤其是单相液冷冷板（Cold Plate）方案，正在成为高性能计算（HPC）及数据中心热管理的核心技术之一。OCP（Open Compute Project）社区聚焦于开放式计算架构的优化，其中冷板的开发与验证成为液冷系统可靠性和性能优化的关键环节。本文将围绕冷板技术的设计、制造、测试与验证展开深入探讨，并分析其在未来数据中心液冷系统中的发展趋势。

图1：冷板组件示例

02 问题与挑战

冷板作为液冷系统的核心部件，其主要任务是通过流经内部流道的冷却液，快速有效地将计算设备的热量导出。然而，冷板的设计和应用面临以下几个关键挑战：

1. 机械结构设计复杂性
   冷板不仅需要具备良好的散热性能，还需要满足结构强度、尺寸公差、安装便捷性等要求。特别是在高密度服务器环境中，冷板的机械设计必须兼顾轻量化和高可靠性。

2. 热性能优化难度
   冷板的热阻（Thermal Resistance）直接决定了散热效率，微通道结构、材料选择、冷却液流速等因素均会影响其性能。如何优化冷板内部流道设计，以最大化热传输效率，同时控制流动阻力，是冷板开发的重要研究方向。

3. 可靠性与长期稳定性
   数据中心对设备稳定性的要求极高，冷板需要经过严格的可靠性测试，包括耐压测试（Hydrostatic Pressure Test）、腐蚀测试（Corrosion Test）、动态振动测试（Shock & Vibration Test）及温度循环测试（Temperature Cycling Test）等，以确保长期运行的安全性和可靠性。

4. 制造与成本控制
   冷板的制造涉及钎焊（Brazing）、搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding, FSW）、焊接（Soldering）及O型密封圈（O-ring）等不同工艺。不同制造方式在成本、机械强度、耐压能力及化学兼容性等方面存在差异，如何在性能与成本之间取得平衡，是产业界关注的焦点。

03 核心技术与解决方案

针对上述挑战，OCP社区在冷板技术开发过程中提出了一系列优化方案：

1. 机械设计优化

• 采用模块化设计，例如两片式（2-piece）冷板，将流体换热器（Fluid Heat Exchanger）与固定支架（Retention Bracket）分离，以便于跨代兼容不同的处理器封装，降低更换成本。

• 通过精密制造控制冷板底部的平整度（Flatness）和表面粗糙度（Roughness），确保与热源（如CPU IHS）之间的良好接触，提高热传导效率。

2. 热性能优化

• 采用微通道（Micro-channel）结构或直刻流道（Skived Fin）设计，提高换热面积并优化流体流动路径，以降低流体热阻。

• 通过实验测定不同冷却液流速（Flow Rate）对冷板热阻的影响，确保液冷系统能够在合理的泵功率下提供最佳散热性能。

3. 可靠性测试与评估

OCP建议采用一系列标准化测试方法来验证冷板的可靠性：

• 耐压测试（Hydrostatic Pressure Test）：根据IEC 62368-1标准，对冷板进行最大工作压力3倍的耐压测试，确保无泄漏。

• 腐蚀测试（Corrosion Test）：采用ASTM B117盐雾测试（Salt Spray Test）评估冷板的抗腐蚀能力，并结合流体兼容性测试（ASTM D2570）分析冷却液对金属材料的影响。

• 振动与冲击测试（Vibration & Shock Test）：在服务器模拟工作环境下进行振动与冲击测试，以确保冷板在运输和运行过程中不会出现机械故障。

• 温度循环测试（Temperature Cycling Test）：模拟数据中心运行环境中的温度波动，评估冷板在长期冷热交替过程中是否存在疲劳失效。

4. 制造工艺改进

OCP社区对不同制造工艺的优势和劣势进行了对比，并提出以下建议：

• 钎焊（Brazing）：适用于高强度冷板制造，但成本较高，并可能导致铜材软化。

• 搅拌摩擦焊（FSW）：不影响材料硬度，适用于单件或两片式冷板，但加工成本高。

• 焊接（Soldering）：成本较低，但可能导致焊点脆性增加，降低可靠性。

• O型密封圈（O-ring）：适用于塑料或复合材料冷板，成本低，但耐压能力有限。

04 未来发展方向

随着数据中心向高密度、高算力方向发展，冷板技术的未来发展趋势主要体现在以下几个方面：

1. 新材料与涂层技术
   未来冷板可能采用高导热陶瓷、金刚石复合材料（Diamond Composite）、超疏水涂层（Superhydrophobic Coatings）等新材料，以提升导热能力并增强耐腐蚀性。

2. 智能液冷管理系统
   结合传感器和AI算法，实时监测冷板内部流体温度、流速及热阻变化，实现智能化动态调控，提高能效比（PUE）。

3. 双相冷板（Two-phase Cold Plate）
   采用相变材料（PCM）或冷凝/蒸发换热技术，以进一步降低数据中心的散热能耗。

4. 模块化与标准化
   未来冷板设计将更加趋向模块化与标准化，以便适配不同服务器架构，并降低冷却系统的部署与维护成本。

05 结论

冷板技术作为数据中心液冷系统的核心组件，正经历从单相液冷向高性能、高可靠性、多功能化的快速演进。OCP社区的研究表明，通过优化机械设计、提高热性能、增强可靠性测试以及改进制造工艺，可以显著提升冷板的整体性能，并推动液冷技术在数据中心的广泛应用。未来，随着新材料、新工艺及智能控制技术的发展，冷板将在高密度计算与绿色数据中心建设中发挥更重要的作用。

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