当今的计算工作负载日益繁重，服务器机架功耗现已超过 2 千瓦。这使得传统冷却方法逼近其物理极限，意味着热设计已成为下一代数据中心架构师的首要考量。

稳定的温度水平直接决定了系统性能、整体能效和运营成本。大规模人工智能与高性能计算数据中心的部署能力，越来越依赖于能够最大限度降低整体能耗的创新冷却方法。即使是微小的热管理改进，也能通过降低现代设施的功耗，带来显著的经济与环境效益。

空气、混合还是液体系统?

空气与液体

传统上，数据中心依赖空气冷却作为主要的热管理方法。风扇、散热器和优化的气流模式使服务器机房能够高效、经济地运行，并控制了维护需求。

然而，随着半导体功率密度激增、单位机架空间需要散发的热量扩大，情况已发生改变。在高密度环境中，仅靠气流已无法足够快地传递热量来维持可接受的工作温度，除非消耗过多电力或采用体积过大、不切实际的空气处理系统。

此外，交替冷热通道等空气冷却方法已成为人工智能数据中心的一大弊端，因为它们占用了宝贵的地板空间。这限制了可部署的服务器机架数量，从而制约了数据中心的总计算输出和扩展潜力。

液体冷却作为一种替代方案正日益受到青睐。液体的比热容远高于空气，使其在相同体积下能承载更多的热能。这种传热能力使液体冷却技术能更有效地管理下一代处理器的热输出。液体冷却也面临挑战，因为冷却液泄漏可能造成灾难性后果;工程师必须设计出确保长期泵体可靠性、同时将流体输送网络集成到现有机架架构中的系统。

图1

混合

混合冷却解决方案也应运而生，融合了两种方法的最佳特性。例如，列间换热器系统包含带有泵和风机盘管的独立单元，使冷却液流经直接安装在处理器上的冷板。

列间换热器系统包括配水柜、泵单元和风机盘管，能在对设施基础设施改动最小的情况下实现精准液体冷却。运行时，冷却液被循环输送到服务器，通过冷板分配，升温后的液体返回列间换热器，在那里被风扇风冷后再循环。

另一种混合冷却方法是后门换热器。后门换热器是一种先进的热管理解决方案，作为液转空气冷却系统运行。它集成在服务器机架的后门，从服务器吸入热空气，使其通过含有循环冷却液的盘管。空气中的热量传递给液体，冷却后的空气返回数据中心通道，直接在机架层面中和热量。

液体冷却：直接芯片冷却与浸没式

第三种方法，直接芯片冷却，通过将冷却液直接流经安装在芯片上的冷板，使液体与 CPU、GPU 等发热组件直接接触。这提供了卓越的传热效率，非常适合许多高要求工作负载。

浸没式冷却是另一种方法，将服务器或网络设备物理浸没在非导电磁流体中。

在单相浸没冷却中，流体被持续循环到热交换器以去除吸收的热量。第二种选择是双相浸没冷却，使用低沸点流体。在这里，高效的沸腾和冷凝过程将热量从组件传递到冷却表面。

两种浸没式方法都依赖于精密电机控制，以在不同负载和运行条件下可靠地运行泵和风扇。

在高频电源中，使用氮化镓和碳化硅等宽带隙半导体对于实现钛金级效率至关重要。然而，这些快速开关组件需要高带宽磁电流传感器和集成隔离式栅极驱动器，以确保精确控制和保护。通过用集成磁传感器取代传统的基于分流器的架构，设计人员可以将 I²R 功耗降低高达 90%，并大幅减少电源转换产生的热量。

图2

冷却中的磁场定向控制

当今数据中心冷却技术的核心要素在于磁场定向控制的实现。磁场定向控制是一种控制无刷直流电机的先进方法，它持续将电机的磁场矢量与其转子位置对齐以优化扭矩。

这是通过克拉克和帕克变换实现的，该变换将复杂的三相交流电流转换为简单的直流参考系，从而能够精确、独立地控制电机的扭矩和磁通。与正弦和梯形换向相比，磁场定向控制提供了卓越的电机换向效率和更安静的操作。

通过精确的电机驱动器配对可进一步增强这一优势。先进的驱动器针对用户高效电机的特定参数(例如具有更多绕组匝数的电机)进行调整，以优化电流控制，实现最高效的运行。在超大规模数据中心，数千台电机运行以管理热量，即使是微小的效率提升也会迅速累积，看似不大的 1% 的风扇或泵效率提升，就能为整个设施带来显著的年度节能。

磁场定向控制换向还能减少扭矩纹波、声学噪声和机械振动，实现更安静、更稳定的运行。

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简化设计

高度集成的“免代码”电机驱动器架构可以在无需大量固件开发的情况下简化电机控制。

具有集成速度环控制和片上配置数据存储的电机驱动器，使设计人员能够通过简单的逻辑电平接口微调系统行为。这些器件优化了正弦换向，与梯形换向相比，可实现更低的可听噪声、更高的效率和更低的扭矩纹波。

集成保护

过流、过热和过压保护等安全措施可防止电气和热应力造成的系统损坏。电机驱动器还必须集成先进的诊断和响应特性，以支持预测性维护并增强系统弹性。

掉电制动功能可在故障期间防止风扇反转，保持适当的气流并最大限度地减少能源浪费。失速检测通过监控反电动势和频率估计等关键参数来识别失速电机并启用保护措施，从而增强系统可靠性。这些及其他智能保护机制可延长组件寿命，并提高数据中心的热管理和能源效率。

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热管理挑战

热管理已成为现代数据中心最关键、最复杂的挑战之一。随着行业从传统空气冷却向混合和全液冷架构发展，驱动泵和风扇的组件成为系统中更为重要的部分。磁场定向控制优化了泵和风扇中无刷直流电机的控制方式。这对效率以及稳定/可靠运行都至关重要。

用于开发热管理系统的电机驱动器解决方案必须高效、可靠，并适应不断变化的数据中心性能需求。磁场定向控制、免代码可编程性、集成保护以及紧凑且可扩展的设计等方面的创新，有助于应对这些挑战。