AI伺服器燒燙燙！散熱模組產業有望趁勢雞犬升天？

前言

隨著2024 Computex的落幕，「AI串聯，共創未來」的展會主題成功把AI時代推向新高度，像是Nvidia推出的資料中心GB200 NVL72就扮演著會場中最閃耀的星。其不管是效能還是工藝技術接令人驚嘆。受惠於AI的蓬勃發展，AI訓練中心，也就是包含推論伺服器和訓練伺服器的需求都將激增不止。根據資策會產業情報研究所（MIC）調查，2023年AI伺服器產值已達全球伺服器過半的總產值，而臺灣伺服器產業出貨原本即占全球伺服器出貨八成以上，其中AI伺服器的生產組裝代工更已占全球九成，可見台灣在AI伺服器中扮演舉足輕重的角色。MIC預估，2024年全球AI伺服器出貨量為194.2萬台，且將一路成長至2027年320.6萬台，2022-2027年間年複合成長率（CAGR）為24.7%。

但更高速的運算意味著會產生更多熱能，因此需要散熱模組去協助熱能排放，避免晶片過熱導致效能不穩定甚至影響其壽命。本文將帶領讀者一起認識散熱模組業的發展。

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認識散熱模組

「散熱模組」顧名思義就是要幫助機器散熱的模組，由許多散熱元件所組成，依照其不同的解決方案會使用各自不同的元件。在PC時代散熱就十分重要，他能確保機器維持穩定進而發揮其最佳功效。在邁入AI的大時代，伺服器的功耗越來越高，意味著需要更多不同的散熱模組解決方案才能完成其目標。以下將介紹3大散熱模組的解決方案：

1. 氣冷式方案 (Air Cooling)

主要由導熱墊片（Thermal Interface Material；TIM）、均溫板（Vapor Chamber；VC）或熱導管先將熱導出，再由散熱鰭片（Heat Sink）和風扇與空氣對流進行散熱。目前氣冷領域最先進的技術是3D VC，即原本傳統熱板的變化形態，將熱板結合熱管成為一個立體的圓柱體，內部不論是氣體、還是液體都可自由移動，來做為熱傳導。氣冷式方案的優點是成本低廉，但是其常需搭配冷氣及風扇自主轉動都十分耗電。

2. 水冷式方案 (Liquid Cooling)

又稱液冷式、直接液冷(Direct Liquid Cooling; DLC)、直達晶片液冷(Direct-to-Chip; D2C)等等。其散熱原理跟氣冷相似，只是把介質從空氣換成水冷液。搭配水冷板(Cold Plate)、冷卻水分配裝置(CDU)、冷卻水歧管(CDM)及冷卻器和風扇背門或是背門式熱交換器(Rear Door Heat Exchanger，RDHx)來達成水冷液降溫。目前雖建置成本較高，但隨著GB200 NVL72的採用，加上其較氣冷省電更容易符合法規，慢慢成為散熱顯學。值得注意的是，水冷比氣冷的風扇來的更多，以確保散熱效果。

水冷式又能分為「液對氣」及「液對液」：

• 液對氣（Liquid to air）：將熱交換器安裝在伺服器的機櫃內，把熱能排放到空氣中，使液冷式伺服器能直接部署在氣冷式的資料中心使用。
• 液對液（Liquid to Liquid）：將水冷液傳送到伺服器機房的液體冷卻管線，透過固定設施的冷卻管路與散熱機制統一排熱。解熱能力比液對氣方案更勝一籌，但必須在機房設計時就要預留液體冷卻管線，因此無法透過氣冷的機房改建。

3. 浸沒式冷卻方案 (Immersion Cooling)

亦即將電子元件整個浸泡在不導電的液體中，像是幫伺服器洗泡泡浴。原理是讓熱源直接接觸到冷卻液或礦物油，能更快速地降溫，提升資料中心的能源效率。可分為單相式與雙相式兩種：

• 單相式：把吸熱過的冷卻液抽出，直接透過熱交換器排熱
• 雙相式：透過氣體蒸發與凝結的自然循環來做散熱

在同樣的標準下，浸沒式的耗電量是三者之中最低，但其目前在技術上仍有諸多挑戰，比方浸泡的冷卻液跟各零件的化學反應需要3～5年長期檢測，且未來每一世代材質可能推陳出新，伺服器業者必須跟時間賽跑，不斷測試新材質的兼容性。