浸没式液冷环境下的高速连接器信号完整性.pdf

第 期 年 月机电元件 收稿日期：试 验 与 检 测浸没式液冷环境下的高速连接器信号完整性代秀云，何洪，白志刚（四川华丰科技股份有限公司；空军装备部驻绵阳地区第二军事代表室，四川绵阳，）摘要：本文主要研究高速信号传输设备和系统在电子冷却液环境中信号传输受到的影响、对信号完整性的影响以及应用于此类环境中高速连接器的研发、设计变化。关键词：电子冷却液；高速传输；信号完整性 ：中图分类号：文献标识码：文章编号：（）引言随着大数据的高算力需求，性能快速提升，单柜功率密度逐年增长，传统的空调散热系统已经不能满足这类高密度机房；同时遭遇到国家“双碳政策”，高能效和低 将是数据中心亟待解决的两大难题，作为高速数据传输链路中的一环的高速连接器也同时面对该局面。近几年高速背板连接器从传统的弯母直公架构优化到新的正交传输架构来改善设备内散热，但目前的风冷依然无法满足高热流密度电子设备的散热。浸没式液冷是目前呼声最高的新型冷却方式，它是以绝缘性液体为冷却液的一种全浸入式解决方案，热量从服务器直接接触式传递给冷却液，冷却液再经过二次换热，实现跟一次侧送进来的冷却液的热交换。最终一次侧回水再跟大气换热，或直接温水回收、废热利用，这套架构即被称为浸没式液冷结构。液冷技术是通过液冷介质与热源接触进行热交换，再由冷却液将热量输出，具有高换热系数、良好的流动性以及稳定的工作能力，因而成为现代电子设备冷却系统首选。和风冷相比较，由于散热液体和部件充分接触，不存在散热死角，可节省大部分的制冷电能。针对高速连接器而言，这种冷却方式将高速连接器完全浸在电子冷却液中，高速连接器的部分传输环境由空气变为电子冷却液，空气的相对 值为 ，而电子冷却液厂家给出的电子冷却液即氟化液的 值为 左右，这个变化对信号传输线没有封在塑胶内高速连接器来说会必定会导致特性阻抗发生明显变化，串扰、插损等指标也会出现不同程度恶化，确认高速连接器实际使用环境匹配的冷却方式后，对其在相应的介质中进行信号完整性仿真才能保证高速连接器在该环境下的传输性能。空气介质环境和电子冷却液环境 对同一高速连接器性能的影响为对比空气和电子冷却液两种不同介质下，高速连接器传输性能的差异，选定一款已开发完成的高速背板连接器分别对其在传统的风冷和浸没式液冷两种环境下仿真，以便探讨后续如何改进基于风冷环境设计的高速连接器从而使其可应用于浸没式液冷环境。空气介质环境下高速连接器性能仿真选定的产品模型导入 进行信号完整性仿真，设置其周围介质为空气，信号完整性仿真结果见下：图 模型周围空气介质仿真结果仿真结果中特性阻抗、插入损耗、串扰等指标均满足设计输入。同一模型将其周围介质环境设置为电子冷却液，仿真结果加下：图 模型周围电子冷却液介质仿真结果由于电子冷却液 值（仿真设置为 ）远大于空气 值，必然导致该环境模型特性阻抗降低，对比两个介质环境模型的仿真结果，电子冷却液传输介质将模型特性阻抗从设计值 欧姆降低到 欧姆左机 电 元 件 年右，这对传输通道阻抗一致性要求来说不可接受。同时，电子冷却液传输介质将传输通道的插入损耗谐振从 提前到 ，该产品的插入损耗要求为 ，显然该指标也不能满足设计要求。另外，本产品要求单组差分周边各攻击对串扰满足 ，处于电子冷却液介质的模型串扰从 开始已经超标不满足设计输入要求。综上特性阻抗、插入损耗、串扰指标对比来看，将针对空气介质设计的高速连接器直接放置于电子冷却液环境中使用并不可行。电子冷却液 值确认电子 冷 却 液 的 化 学 名 是 十 氟 戊 烷（），是无色透明全氟化学品，属于环保型溶剂和导热剂产品，为零，不破坏臭氧层；具有良好的化学惰性、电气绝缘性能、热传导性和独特的低表面张力，广泛应用于半导体制造厂作为热传导介质。电子冷却液具有良好的化学惰性，与电子类部件接触时，不会对其产生任何腐蚀，使用后也不需要特定的清洗步骤，是目前为止应用最为广泛的浸没式冷却液。本文选择 氟化液作为实验样品，通过设计专用液态材料 值测试夹具来测量其 值，以便于提高以其为传输介质的高速连接器仿真准确性。考虑到电子冷却液是液体，具有一定流动性，设计的测试夹具为测试时必须是密封状态，同时要求测试夹具便于拆卸，便于测试时将被测液体装入测试夹具。测试夹具方案及内部结构见图 所示。图 测试夹具结构图 测试状态时电子氟化液充入图 黑色腔体部分。图 被测液体填充测试夹具示意图将测试夹具模型导入 软件中，设置各组成结构材料属性并对其仿真，将电子冷却液 值设置为标称值 时，其仿真结果见图 ，阻抗仿真结果为 欧姆。图 被测液体仿真结果实际测试夹具及测试状态见图 ，测试夹具通过测试高频头与网络分析仪连接进行测试，测试结果见图 ，测试频率为 时，单端阻抗约为 欧姆，与电子冷却液 设置为 的标称值带入仿真时的结果 欧姆差异较大。图 被测液体实际测试结果第 期代秀云等：浸没式液冷环境下的高速连接器信号完整性为得到待测液体准确的 值，返回仿真模型对被测液体 值进行调整，仿真结果与实际测试结果一致时，得到被测试液体的实际 值，具体见图 。图 被测液体仿真回归仿真模型中被测液体 值调整在 时，仿真结果阻抗为 欧姆，接近实际测试结果。不同频率下的电子冷却液 值使用该专用测试夹具，我们同时还分别测试待测液体在 、的阻抗值，测试结果见图 。图 被测液体不同测试频率测试结果从测试结果来看，待测液体在不同测试频率下 值波动基本也忽略，可推断待测液体在 以内 值随频率变化波动很小。浸没式液冷技术发展下高速连接 器设计思路随着服务器和交换机性能不断提升，功耗增加带来的散热问题已引起业界重视，特别是 及更高传输速率加剧了系统设计工程师、制造商和数据中心面临的散热挑战。用电效率（）是行业中常用的评估数据中心的能源效率，定义为数据中心的总功耗除以运行其中 设备的功率。是理想的，表示进入数据中心的所有功率被产生计算能力的 设备直接消耗。（互联网数据中心）为能耗大户，其中散热能耗占比超 。据工信部公布，年我国数据中心耗电量为 ，亿 千瓦时，占社会总耗电量的 ，相当于 个上海市的总社会用电量。据通信院公布，我国 电费占 （整体运营支出）的 。据赛迪统计，年中国 能耗中，用于 设备散热，基本与 的 设备自身能耗持平，可见减少散热从而控制 是节能减耗的核心方向，传统数据中心的 仍有较大改进空间。近年来我国关于数据中心 的政策不断在提高，具体见图 。据 报告，目前全国数据中心 平均水平为 ，传统风冷数据中心 在 （的服务器正常运转需 电量），与国家要求 年达到平均 以下还有较大的差距。浸没式液冷技术可以将 系列 降到 以下，联合其他技术可使 趋近于 ，浸没式液冷技术是数据中心制冷技术不断革新的必然结果，据浪潮信息，液体导热能力是空气的 倍，同体积液体带走热量是同体积空气的近 倍，在耗电量方面，液冷系统约比风冷系统节省电量 。浸没式液冷在云数据中心、边缘计算、高性能计算和其他大规模应用中获得了显著的吸引力。浸没式液冷技术已经被证明是一个行之有效的解决方案，如何改进基于风冷环境设计的互联系统从而使其可直接应用于浸没式液冷环境是一个亟待解决的技术难题。图 是 阿里发布的论题中的截图，针对同一个测试链路分别测试空气和两种不同 值得冷却液的实际测试结果，三种环境介质在 以前，插入损耗基本一致，在 以上，环境介质介电常数就改变了高速连接器插入损耗的谐振点，在空气介质谐振大于 ，介电常数为 的电子冷却液谐振点为 ，而介电常数为 的电子冷却液谐振点前移到 ，较高的介电常数会降低该高速连接器传输链路的带宽。机 电 元 件 年图 数据中心 要求图 同一测试链路风冷与液冷不同测试环境测试结果高速连接器阻抗变异是高速连接器应用于浸没式液冷环境性能下降的关键因素，为保证该环境下通道的传输性能，有必要在高速连接器设计方案阶段将环境介质 值变化导入信号完整性仿真，保证高速连接器满足该应用环境。参考文献：关于进一步加强数据中心项目节能审查的若干规定 全国数据中心应用发展指引（）（）（）第 期代秀云等：浸没式液冷环境下的高速连接器信号完整性