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在過去的20年間，PC的CPU和GPU功耗隨著性能的提升而迅速增長。20年前，主流PC的CPU（如Intel Pentium 4和AMD Athlon XP）的熱設計功耗（TDP）大約在50W至90W之間，而GPU（如NVIDIA GeForce 4和ATI Radeon 9000系列）的功耗則在30W至60W左右。10年前，隨著多核心處理器和高性能顯卡的興起，CPU功耗增長至65W至150W（如Intel Core i7和AMD FX系列），而GPU的功耗則達到150W至250W（如NVIDIA GeForce GTX 600系列和AMD Radeon HD 7000系列）。到今天，現代高端CPU（如Intel Core i9和AMD Ryzen 9）和GPU（如NVIDIA GeForce RTX 3000系列和AMD Radeon RX 6000系列）的功耗已經分別達到250W以上和350W以上。
隨著PC硬件功耗的顯著增長，對散熱效能的需求也不斷提升。傳統風冷技術，依賴風扇和散熱片通過空氣對流來帶走熱量，其散熱效率受到空氣的比熱容（約1.005 J/g·K）和熱導率（約0.026 W/m·K）的限制。根據熱傳導方程式 Q=h⋅A⋅ΔT，其中 Q 是散熱量，h 是對流換熱係數，A 是散熱面積，ΔT是溫差，要提高散熱效果，可以增加散熱片的表面積（A）或增大風扇的風量以提高對流換熱係數（h）。然而，隨著功耗的增加，風冷系統的體積和噪音也必然增大，這使得高效風冷系統越來越笨重且難以實現高效安靜的運行。
相比之下，水冷技術利用冷卻液（如水或乙二醇混合物）的高比熱容（約4.186 J/g·K）和更高的熱導率（約0.6 W/m·K），能夠在相同溫差下吸收和傳導更多的熱量。根據相同的熱傳導方程式，水冷系統能夠以較小的體積和更低的噪音達到更高的散熱效率。當需要更大的散熱效果時，風冷方案往往因為需要大面積的散熱片和高風量的風扇而顯得過於龐大和吵雜，而水冷系統則能夠在更緊湊的設計中實現優異的散熱性能。
因此，隨著PC硬件功耗的增長，風冷技術逐漸難以應對這種需求，特別是在高性能和高密度應用中。水冷技術的崛起正是回應了這種挑戰，提供了更高效、更安靜的散熱解決方案，並成為了未來高效能計算設備的冷卻技術的主流選擇。
現代水冷技術的演進與關鍵
相較於其他冷卻技術，如風冷和自然冷卻，液體冷卻技術具備多項顯著的優勢。首先，液體的高熱容量和導熱性使得液冷系統能夠更快速和有效地吸收並散發熱量，這對於高功耗、高熱密度的設備而言尤其重要。其次，液冷系統通常運行更安靜，因為其依賴冷卻液循環而非高轉速風扇來移除熱量，這使得液冷成為那些需要安靜環境的應用（如家庭娛樂系統或音頻工作站）的理想選擇。此外，液冷技術還具有更好的長期穩定性和可靠性，因為液冷系統不容易受到灰塵和顆粒物的影響。
現代液冷技術的核心在於其設計的多樣性和高度的可擴展性。典型的液冷系統包括了冷板或冷頭、冷卻液、液泵和散熱排等關鍵元件。冷板通常由高熱導率的材料（如銅或鋁）製成，直接接觸到發熱元件，吸收熱量並通過冷卻液的流動將熱量帶走。液泵的作用是推動冷卻液在整個系統中的循環流動，確保熱量能夠快速且有效地移除。隨著技術的進步，現代液冷系統還引入了數位控制技術和傳感器，用於精確控制冷卻液的流速和溫度，從而進一步優化冷卻效果。
除了傳統的單相液冷系統，雙相液冷技術的興起也是液冷領域的一個重要發展。雙相液冷利用冷卻液的相變過程（如汽化和冷凝）來提高熱傳導效率。這種系統能夠在更高的熱流密度下運行，非常適合那些需要長時間高負載運行的設備，如數據中心的伺服器和超算集群。
液冷機構的設計與運作原理
液體冷卻技術的多樣性反映在其多種不同的設計方案上。主要的液冷機構包括冷板液冷、浸沒式液冷和單/雙相液冷系統，每種技術都有其獨特的運作原理和設計考量。
冷板液冷是目前最為常見的一種液冷技術，通常應用於CPU、GPU等高熱量元件的冷卻。其設計原理是利用一個與電子元件緊密接觸的冷板，通過冷卻液在冷板內部的通道流動來吸收並帶走熱量。隨後，熱量隨冷卻液的流動被帶到散熱排（通常是裝有風扇的散熱片），冷卻液通過散熱排與外部空氣進行熱交換，將熱量散發出去。這種冷卻方式能夠提供針對性的散熱效果，特別適合冷卻局部高熱區域。 此外，冷板液冷系統可以設計成模組化結構，易於維護和升級。
浸沒式液冷則是將整個電子設備（如伺服器或超算機櫃）直接浸入到不導電的冷卻液中（如氟化液、礦物油等）。這種設計能夠在最大限度上提高散熱效率，因為冷卻液能夠直接接觸所有發熱元件。再吸收熱量後，自然對流或通過冷卻液循環系統將熱量帶到外部的散熱器或冷凝器，再通過冷凝器將熱量釋放到環境中。 浸沒式液冷系統尤其適合用於高密度、高性能計算環境中，如大型數據中心。儘管浸沒式液冷的初始安裝成本較高，但其運行效率和長期運行成本優勢使其成為未來數據中心的一個重要選擇。
單相液冷是冷卻液在系統內部保持液態狀態的冷卻方式。無論是冷板液冷還是浸沒式液冷，只要冷卻液在運行過程中始終保持在液態，且不發生相變（例如液態轉變為氣態），都屬於單相液冷系統。
雙相液冷則是利用冷卻液在吸熱過程中由液態變成氣態的相變現象來帶走大量熱量。當冷卻液汽化後，熱量隨蒸氣一起轉移到冷凝器中，然後通過冷凝器的冷卻過程重新凝結回液態，完成冷卻液的循環。 雙相液冷能夠在相對較低的冷卻液流速下實現高效的散熱，因為相變過程（如蒸發和冷凝）能夠吸收和釋放大量熱量，這大大提高了整個系統的熱傳導效率。 此技術能夠在高熱流密度的環境中提供極高的冷卻效率，非常適合應用於需要極高散熱性能的計算系統中，如金融建模、天氣預報和基因組學研究等領域。
發展課題與技術突破
成本 :
液冷系統首當其衝的問題就是成本，液冷系統比風冷系統更為複雜，需要更多的元件（如泵、管道和散熱排）以及更精細的安裝和維護，這增加了初始安裝成本和運行成本。
除了本身的機構成本問題外，周邊的成本也必須一起考量。在液冷系統中，冷卻液的導電度可能隨著時間增加，這通常是由於冷卻液中溶解的雜質、腐蝕產物、或材料釋出的離子所引起的。高導電度會增加電流泄漏的風險，並可能導致電子元件短路或損壞。因此需要有能夠實時監控導電度變化、化學檢測、PH值等等的設備是不可或缺的。
冷卻液 :
冷卻液的選擇和開發成為液冷技術進一步發展的核心之一。傳統的冷卻液如水和乙二醇基混合物(PG25)雖然具有良好的散熱性能，但其跟鋁金屬之間存在導電性、電腐蝕性和環境影響方面存在一定的問題。未來的研究重點將集中在開發新型冷卻液上，這些冷卻液不僅需要具有更高的熱傳導性能和更低的導電性，還需要在環境友好和安全性方面具備更高的標準。
密封設計 :
其次，液冷系統的長期穩定性和密封性也是一大挑戰。冷卻液的洩漏會造成部分金屬元件腐蝕而釋放出鐵元素，鐵離子會增加液體的導電性形成「電橋」造成短路損壞電子設備，甚至導致數據中心運行中斷，因此，如何提升液冷系統的密封技術並確保長期穩定運行是液冷技術發展中的一個重要課題。未來的液冷技術可能會借助新材料的應用，如高強度的密封材料和自修復材料，以提升系統的可靠性。
發展方向 :
液冷技術的趨勢將朝著小型化、智能化和模組化方向發展。隨著技術的進一步成熟和成本的降低，液冷技術有望進一步普及，並成為從家庭PC到大型數據中心的標準冷卻方案。特別是在需要處理大量數據和高效能運算的領域，如AI訓練、深度學習和邊緣計算，液冷技術的應用將更加廣泛。未來的液冷系統還可能結合物聯網和人工智能技術，實現對冷卻過程的智能化監控和管理，進一步提升系統的能效和運行效率。
