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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:蘇敬文
研究生(外文):Su,Jing-wen
論文名稱:伺服器散熱分析與改良研究
論文名稱(外文):Heat Dissipation Analysis and Improvement of a Server
指導教授:雷顯宇
指導教授(外文):HSIEN-YU LEI
口試委員:田華忠何志勤
口試委員(外文):HWA-CHONG TIEN
口試日期:2016-06-13
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣海洋大學
系所名稱:機械與機電工程學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2016
畢業學年度:104
語文別:中文
論文頁數:71
中文關鍵詞:伺服器FLOTHERM數值模擬實驗量測PCB基板材質散熱鰭片
外文關鍵詞:serverFLOTHERMnumerical simulationexperimental measurementPCB substrate materialheat sink
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現今所有的高科技產品講求高效能,電子產品中內部的晶片速度與性能逐年增加,電子元件的散熱問題顯得十分重要。為了要有效的解決電子元件內部熱的問題,故要考慮到內部對流、傳導的方式,而使電子產品中的熱利用對流、傳導的方式及傳至外界,達到電子散熱的目標。在散熱不佳的機房中,刀鋒伺服器比一般的伺服器更容易導致熱當機。為了解決伺服器過熱及熱當機的問題,就必須考慮到伺服器內部電子元件的熱傳導及外部環境間的熱對流效應。
本文採用FLOTHERM模擬軟體並配合實驗量測,來分析單一伺服器內部的熱流場、溫度分佈與晶片構裝體對熱的影響。將其實驗量測的溫度場與模擬軟體所解析出來的溫度場進行比較分析,結果顯示了最大相對誤差為3.89%,在可容許的誤差值範圍(10%)之內及模擬模型之網格數量超過160萬,所以驗證並顯示出FLOTHERM模擬軟體分析的結果的精確性;之後再針對伺服器內部發熱元件進行4種散熱的途徑的方法進行改良分析。
由模擬分析可得知,熱傳導、熱對流為伺服器主要散熱方式,本文選擇將中高發熱的電子元件進行散熱改良分析,並藉由改變PCB基板材料、晶片封裝材料、散熱鰭片研究分析、及散熱風扇的研究等方式來降低晶片元件溫度與改善伺服器之內整體溫度,最後將合併改良結果與原始模型進行比較,是否有達到改良散熱的結果。
可以從觀察溫度分佈圖與總體改良的結果得知,由模擬結果顯示選擇改變PCB基板材質會達到比晶片封裝材料、散熱鰭片研究分析、散熱風扇轉速的提升等分析的改變可使發熱元件達到更佳的散熱效果,如CPU、南北橋晶片等。最佳的散熱改良順序為PCB基板材質>散熱鰭片研究分析>提升散熱風扇轉速>晶片封裝材料。
最後將合併改良結果與原始模型進行比較,本模擬原始模型的16個監控點平均溫度在47.54℃,而綜合改良後平均溫度降為43.24℃,模擬結果內部發熱元件溫度下降大約或超過10℃,而導致伺服器溫度分佈圖熱量分佈很平均,因此推定本模擬分析已達到降低原先模型溫度及改良散熱的效果,可以有效的改善伺服器內部之積熱問題,以承受更高的環境及操作溫度。為了解決目前伺服器放置於機房之機櫃內發生機房之機櫃熱源集中及熱當機的問題發生,未來將可朝向改善散熱鰭片孔洞分析及模擬整體機房機櫃之熱流場分析。

The heat dissipation of electronic components has been becoming more and more important in late years since the chip’s computation speed in a modern high performance electronic product has increased dramatically. Components heat conduction and air convection are the two major modes of heat transfer to achieve electronic cooling effectively. A high performance server has higher tendency to have a thermal crash caused by poor heat dissipation mechanism in its cabinet or its environment. The heat conduction inside electronic components and forced convection have to be taken into accounted in order to avoid the problem of overheating and thermal crash in a server.
In this thesis, the FLOTHERM commercial code are applied, with experimental measurements and verifications, to analyze a server’s internal forced flow velocity, temperature, and its response to major chip components. A total of 16 experimental temperature measurements are compared with those of FLOTHERM simulation. Results shows a maximum relative error is 3.89%, which is less than the general allowance range of 10% when the 3D simulation grids is over 1.6 million, so the accuracy of FLOTHERM 3D simulation is verified. The simulation model is then applied to study 4 possible ways of improving cooling of major chip components.
Parametric study of simulation shows that the conduction of chip components and forced convection through installed fins are major factors to achieve effective cooling. Several mid to high heat generation chips are chosen to study the possible improvements in cooling, which are change of, PCB substrate material, chip package material, fins configuration, and cooling fans speed and layout. The simulations results by changing each single parameter are presented and compared. Finally, an optimal combination model is proposed to investigate its cooling improvements by comparing with those of original model.
It is found that the change of PCB substrate material has the most significant cooling effectiveness from the simulation results of key components temperature, such as CPUs and bridge chips. The sequence of importance are as following; PCB substrate material > fin configuration > fan speed and layout > chip package material.
An optimal combined model, based on the studies stated above, is simulated and compared with the original model. The average temperature of a total 16 monitor points are 47.54℃ and 43.24℃, respectively. The key components temperature drops are about or more than 10℃, which results in a more uniform temperature distribution inside server. Numerically, it’s proved the new optimal combined model could be operated under higher environment temperature and more severe computation condition without the risk of thermal lock off. It is suggested that future works could involve the flow and heat transfer analysis of whole server room and hollow fin configurations in server so that the heat accumulation problem inside server cabinet and server room could be studied.

摘 要 I
ABSTRACT II
目錄 IV
圖目錄 VI
表目錄 VIII
符號說明 X
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機與目的 1
1.3 文獻回顧 1
第二章 熱傳學理論與伺服器原理 3
2.1 熱傳學基礎理論 3
2.1.1 熱傳導(Conduction Heat Transfer) 3
2.1.2 熱對流(Convection Heat Transfer): 3
2.1.3 熱輻射(Radiation Heat Transfer) 4
2.2 伺服器概述 4
2.2.1 伺服器基本分類 5
2.2.2 伺服器與雲端運算 5
2.2.3 中央處理器與南北橋晶片功能介紹 7
第三章 實驗設備與方法 9
3.1 實驗設備與量測方法 9
3.2 實驗步驟與結果 9
3.2.1 實驗步驟 9
3.2.2 實驗結果 10
第四章 數值模擬與模型分析 19
4.1 數值模擬理論 19
4.1.1 FLOTHERM電子散熱模擬軟體 19
4.1.2 統御方程式 21
4.1.3 交錯式網格 ( Staggered Cell ) 22
4.1.4 離散化 23
4.2 數值模擬分析 28
4.2.1 物理模型建構及步驟分析 28
4.2.2 物理幾何模型的建構 29
4.2.3 系統及環境屬性設置 32
4.2.4 求解域(Overall Domain)設定 33
4.2.5 網格設定(Grid Setting) 35
4.2.6 數值模擬結果判定 37
4.2.7 數值模擬與實驗量測之分析比較 39
第五章 結果與討論 42
5.1 原始模型之散熱分析 42
5.2 環境溫度對伺服器之影響分析 43
5.3 改良規劃流程 44
5.4 PCB改良分析 44
5.4.1 銅層含量對PCB板溫度影響 45
5.4.2 PCB基板材料分析 47
5.4.3 晶片封裝材料之溫度影響 49
5.5 散熱鰭片模組分析 50
5.5.1散熱鰭片高度分析 51
5.5.2散熱鰭片厚度分析 53
5.5.3散熱鰭片模組材料分析 54
5.5.4散熱鰭片數量分析 55
5.6散熱風扇的研究分析 57
5.7綜合改良及比較分析 62
第六章 結論與未來展望 66
6.1 結論 66
6.2 未來展望 67
參考文獻 70

[1] 王盟仁,“電子構裝散熱數值模擬”,國立清華大學動力機械工程學系碩士論文,2000年。
[2] 張世徵,“FLOTHERM在筆記型電腦之熱設計與應用”,國立清華大學工程與系統科學學系碩士論文,2001年。
[3] 盧峻德,“運用Flotherm 配合田口法於伺服器之散熱管理”,大同大學機械工程研究所碩士論文,2004年。
[4] 林天文,“1U伺服器專用電源供應器之散熱研究與分析”,國立台灣科技大學機械工程碩士論文,2010年。
[5] Patankar,Acharya, S. and Patankar, S. V., “Laminar Mixed Convection in a Shrouded Fin Array,” J. Heat Transfer, Vol. 103, pp. 559-565,,1981年。
[6] 羅甫聿,“LED燈具散熱鰭片設計之數值研究”,屏東科技大學車輛工程系所碩士論文,2011年。
[7] 雲端科技的演進:http://www.wzjinqiao.cn/page/s90304a123_pixnet_net/blog/post/37324172-%E9%9B%B2%E7%AB%AF%E9%81%8B%E7%AE%97%E5%88%B0%E5%BA%95%E8%A9%B2%E5%A6%82%E4%BD%95%E7%AF%80%E8%83%BD%E5%BD%A2%E6%88%90%E7%B6%A0%E8%83%BD%E7%94%A2%E6%A5%AD?
[8] 伺服器服務架構圖示意圖:http://www.coolpc.com.tw/phpBB2/portal.php
[9] 公有雲、私有雲、混合雲示意圖:三種雲以及三種服務的結合圖,圖片來源:國立交通大學科技與社會中心授權刊登http://scitechvista.most.gov.tw/zh-tw/feature/c/0/1/10/1/78.htm
[10] 伺服器的產值分析:http://www.eec168.com/zhinenkeji/jiadianyingyin/805.html
[11] 專業伺服器與雲端應用之處理器(22核心):http://www.mobile01.com/newsdetail.php?id=18442
[12] 熱電偶之種類與溫度適用範圍:威宏儀器http://well-head.com.tw/products-02.php?aV9wcm9kdWN0c19pZD0xOSZpX3IwPTAmaV9wMD0xJmlfcHJvZHVjdHNfaW5oZXJpdD02Jl9TWVNfTE5HPVRX
[13] 席貝克效應:http://electricalengineerworld.blogspot.tw/2014/01/other-important-laws.html
[14] 二維交錯式網格圖:黃建民,計算流體力學交錯式網格http://wangqingyun84.blog.163.com/blog/static/790836172010112693413148/
[15] 殘差曲線圖:FLOTHERM軟體基礎與應用實例
[16] 機房機櫃:http://www.digitimes.com.tw/tw/showimg.asp?source=0000407792_Y8V8WM1D81JEYC3RNXP68&filename=407792-3-NXP68.jpg&sourcetype=1#
[17] CPU水冷散熱器: https://www.nzxt.com/
[18] iDataPlex採用水冷式散熱:http://www.netadmin.com.tw/article_content.aspx?sn=1204120001&jump=2
[19] 綠能系-散熱基板-phase 1-3pdf
[20] FLOTHERM軟體基礎與應用實例
[21] 林唯耕,“以 FLOTHERM 模擬白光LED 發熱元件之溫度場分佈”,國立清華大學工程與系統科學學系,中國機械工程學會第二十四屆全國學術研討會論文集。
[22] 朱書宏,“運用數值模擬於網通設備之散熱管理”,大同大學機械工程研究所碩士論文,2010年。
[23] Hp伺服器型號與規格,HP ProLiant DL385 Generation 2 (G2)。
[24] 袁倫康,“雲端伺服器機櫃流場與熱傳分析”,國立台灣海洋大學輪機工程學系碩士論文,2012年。
[25] Brant Chang ,“Thermal Design Strategy of Server and Storage Products for 1U and 2U System”。
[26] A. D. Kraus, Avram Bar-Cohen, Thermal Analysis and controlof Electronic Equipment. Washington : Hemisphere Public Corporation, 1983, ch. 13, p303-339.
[27] De Lorenzo, High density server thermal research. Intel Technology Symposium, Seattle, WA, 27-28 September 200I.
[28] 伊藤謹司、國峰尚樹、杜光宗,“避免故障之電子機器的熱對策設計”建宏出版社,1995年。
[29] 林淵傑,“平板電腦熱分析與改良研究”,國立台灣海洋大學機械與機電工程學系碩士論文,2014年。
[30] Gurrum, S.P., Edwards, D.R., Marchand-Golder, T., Akiyama, J., Yokoya, S., Drouard, J., Dahan, F., “Generic Thermal Analysis for Phone and Tablet Systems”, IEEE 62nd Electronic Components and Technology Conference (ECTC),pp . 1488 - 1492,2012 .

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