Alloy Enterprises利用堆疊鍛造3D打印打造數(shù)據(jù)中心液冷卻的未來

導讀：據(jù)麥肯錫公司預測，到 2030 年，全球?qū)?shù)據(jù)中心容量的需求可能每年增長19-20%，到2030 年底，年消耗量將達到171 至 219 千兆瓦。

2025年8月8日，南極熊獲悉，總部位于伯靈頓的合金企業(yè) (Alloy Enterprises)憑借美國制造的直接液冷 (DLC) 冷板來滿足這一領域日益增長的需求。這些冷板旨在提高 GPU 服務器機架效率，將功耗降低 21%，并將泵送壓力降低四倍。

Alloy 使用專有的金屬增材制造技術Stack Forging 來生產(chǎn)零部件。該工藝將激光切割的鋁板和銅板層熔合在一起，形成完全致密的高性能部件。據(jù)公司首席執(zhí)行官 Ali Forsyth 介紹，這種方法可以創(chuàng)建小至 50 µm 的內(nèi)部微通道。她還表示表示2024年GPU和歧管冷卻的潛在市場規(guī)模將達到11億美元，預計復合年增長率為36%。Forsyth稱堆疊鍛造是滿足數(shù)據(jù)中心冷卻日益增長的需求的理想增材制造工藝，并透露Alloy正在擴展DLC解決方案以實現(xiàn)量產(chǎn)。

Alloy公司每月可生產(chǎn)15,000個零部件，成品率高達92%，使用鋁材成本不到每公斤10美元，比激光粉末床熔合（LPBF）工藝中使用的6061鋁材便宜20倍。Alloy還將銅融入DLC解決方案中，與單獨使用鋁材相比，熱性能提高了約30%。Forsyth強調(diào)了減少數(shù)據(jù)中心碳排放的迫切需要，指出核聚變等更清潔的能源是避免迫在眉睫的能源危機的關鍵。

△AlloyEnterprises 首席執(zhí)行官 Ali Forsyth。圖片來自 Alloy Enterprises。

什么是堆疊鍛造？

Alloy Enterprises 成立于 2020 年初，致力于開發(fā)一種能夠以比現(xiàn)有金屬 3D 打印方法更高的產(chǎn)量和更低的成本生產(chǎn)完全致密的鋁部件的工藝。

Forsyth解釋道：“我們的目標就是讓大量的金屬通過機器運轉，制造出高性能的部件。我們相信，如果我們能夠創(chuàng)造出一種能夠做到這一點的制造工藝，就能在更大批量生產(chǎn)的基礎上，開辟一些新的市場機會?！?

Forsyth的公司目前在生產(chǎn)車間實行兩班倒，部分設備全天候運行。過去兩年，Alloy 的先進熱管理需求不斷增長，主要原因是客戶希望為高功率設備提供更好的冷卻效果。最初，客戶的興趣主要集中在光子學和國防領域，但很快擴展到半導體設備、數(shù)據(jù)中心和 GPU 冷卻領域。

如今，Alloy公司專注于熱管理硬件，尤其是數(shù)據(jù)中心服務器機架的熱管理硬件。Forsyth 解釋說，他們向全球 15 家客戶交付經(jīng)過認證的組件，其中包括一些“業(yè)內(nèi)巨頭”。公司主要客戶是服務器機架OEM、超大規(guī)模企業(yè)和芯片制造商。   

Alloy 技術的核心是專有的疊層鍛造工藝：首先采用 6061 鋁合金或 C110 銅薄板，厚度通常為 350 至 400 微米。每一層都經(jīng)過激光切割，以定義零件的幾何形狀，包括復雜的內(nèi)部通道和多部件嵌套。然后，將一種類似脫模劑的抑制劑選擇性地打印到表面，然后將各層堆疊并放入“粘合機”。粘合機在受控環(huán)境中提供熱量和壓力，以形成堅固、致密的組件。最后，對零件進行熱處理，以增強強度和硬度。  

值得注意的是，這些單片組件完全無泄漏，這對于使用液體冷卻價值數(shù)百萬美元的GPU機架來說，是一個至關重要的優(yōu)勢。Forsyth說道：“降低這種極其昂貴且高價值的硬件發(fā)生泄漏的可能性至關重要?！?/div>

另一個關鍵差異在于Alloy的精度以及制造傳統(tǒng)制造方法無法實現(xiàn)的封閉復雜幾何形狀的能力。更精細的微通道可提供更高的熱性能，這是優(yōu)化高功率電子產(chǎn)品的關鍵因素。

Forsyth 強調(diào)，疊層鍛造優(yōu)于其他金屬增材制造工藝。她指出：“使用 LPBF 制造的最小可比通道尺寸可達 300 µm 左右，而疊層鍛造可達到 50 µm。而我們正在努力縮小到10 µm。 此外，由于 Alloy 的方法避免了熔化、燒結或熔合，因此所生產(chǎn)的組件無孔隙，并具有卓越的機械強度?！?/div>

Stack Forging 在打印速度和吞吐量方面也具有顯著優(yōu)勢，單臺激光器吞吐量是 LPBF 的 9 倍。在材料方面，Alloy 的鋁板比粉末基 6061 鋁板便宜 20 倍，而且更容易處理。與需要耗能霧化和復雜后處理的金屬粉末不同，Alloy 的片狀原料具有較低的碳足跡，并消除了粉末滯留在狹窄內(nèi)部通道中的風險。

同時，廢料（主要是支撐部分）可以輕松收集和回收。Forsyth補充道：“我們的工藝設計充分考慮了可重復利用性，鋁和銅廢料都可以重新熔化并制成板材，最大程度地減少浪費。”

△AlloyEnterprises 采用 Stack Forging 工藝制造的鋁制部件。圖片來自 Alloy Enterprises。

增強數(shù)據(jù)中心的熱管理

保持數(shù)據(jù)中心低溫運行是一項緊迫的挑戰(zhàn)。隨著數(shù)字基礎設施的擴張，服務器處理的數(shù)據(jù)量越來越大，并產(chǎn)生大量的熱量。由于服務器機架的平均功率密度很高，支持人工智能的數(shù)據(jù)中心尤其耗電。

據(jù)麥肯錫稱，平均功率密度將從2022年的8千瓦增加一倍多，達到2024年的17千瓦，預計到2027年將達到30千瓦。像OpenAI的ChatGPT這樣的訓練模型，每個機架可能需要超過80千瓦的功率。在今年的GTC AI大會上，NVIDIA首席執(zhí)行官黃仁勛展示了公司全新的NVL576機架，機架的功率高達600千瓦。

Forsyth表示：“芯片制造商正在生產(chǎn)更大、更熱的處理器，這使得高效冷卻成為數(shù)據(jù)中心的關鍵問題?！彼赋觯鋮s這些系統(tǒng)會消耗數(shù)據(jù)中心總電力的20%以上，因此熱效率至關重要。

△AMDMI300 冷板的 CT 掃描圖，帶有內(nèi)部冷卻通道。視頻來自Alloy Enterprises

Alloy Enterprises 旨在通過直接液冷 (DLC) 解決方案應對這些挑戰(zhàn)，冷卻板具有復雜的內(nèi)部微毛細管，可提高冷卻效率。據(jù)稱，這些復雜的架構可將熱阻降低高達 50%，并將電源使用效率 (PUE) 提高 18%。3D打印組件還具有極低的壓降，壓降比最接近的競爭對手低四倍。這降低了泵送阻力并提高了液體流速，這意味著在數(shù)據(jù)中心機架周圍循環(huán)冷卻液所需的能量更少。

至關重要的是，提升熱性能使數(shù)據(jù)中心能夠使用更高溫度的水（通常為 44°C）來冷卻更強大的芯片。“你希望能夠在整個設施內(nèi)循環(huán)使用更溫暖的水，”Forsyth 解釋說。這反過來又允許干式冷水機組將熱量排放到室外，從而避免了對高能耗制冷空調(diào)系統(tǒng)的需求。Forsyth 認為這“對于節(jié)能至關重要”。

Forsyth 認為“100% 液體冷卻是未來的發(fā)展方向”，無需像空氣冷卻那樣使用笨重且耗能的散熱器和風扇。Alloy 公司專注于液體冷卻的組件還能實現(xiàn)更高的冷卻密度，使機架制造商能夠安裝更多電子設備。

除了GPU之外，這些外圍組件還包括內(nèi)存、SSD硬盤、電源、QSFP收發(fā)器和網(wǎng)絡接口卡 (NIC)。Forsyth解釋說：“我們有很多客戶希望整合零件，以便用一塊冷卻板同時冷卻多個部件。”在2030年的模擬情景中，Alloy的技術與次優(yōu)方案相比，可將75兆瓦數(shù)據(jù)中心的總功耗降低21%。

Alloy Enterprises 開始使用 6061 鋁板生產(chǎn)3D 打印 GPU 冷卻裝置。今年早些時候，公司使用同樣的材料為 NVIDIA 的H100 PCIe 卡打造了一塊液冷板。這款高性能數(shù)據(jù)中心 GPU 旨在加速人工智能和高級計算。Alloy 使用nTop的拓撲優(yōu)化設計軟件開發(fā)了冷卻板，研究團隊在這一過程能夠利用模擬數(shù)據(jù)（包括熱通量、流體流動和結構約束）優(yōu)化設備的幾何形狀。  

近幾個月來，Alloy 已將目光投向了鋁以外的領域，并于 6 月推出了銅 DLC 解決方案。據(jù)報道，該公司通過使用 C110 銅的冷卻效率較鋁提高了約 30%。銅材料還符合ASHRAE化學兼容性標準，降低了腐蝕、降解和泄漏的風險。

△AlloyEnterprises 的銅質(zhì) DLC 冷卻板。圖片來自Alloy Enterprises。

金屬3D打印批量生產(chǎn)

隨著人工智能計算需求的激增，Alloy 正在加大產(chǎn)能以跟上步伐?，F(xiàn)有工廠每月可生產(chǎn) 15,000 個組件。通過在生產(chǎn)線上添加額外的模塊化堆疊鍛造單元，可以擴大產(chǎn)能。

Stack Forging 的可擴展性是這項技術開發(fā)的核心，目標是實現(xiàn)公司 DLC 設備的“量產(chǎn)”。Forsyth透露：“我們完全有能力滿足每年需要數(shù)萬個組件的客戶的需求。”

隨著數(shù)據(jù)中心冷卻市場的持續(xù)增長，這種規(guī)模至關重要。計算需求正在飆升，為計算提供動力的電力需求也在飆升，冷卻組件的需求也隨之飆升。

這位首席執(zhí)行官曾擔任3D打印機OEMDesktop Metal的工程經(jīng)理，她表示計劃擴大產(chǎn)量以滿足不斷增長的客戶需求。公司重點將放在下一代數(shù)據(jù)中心上，目前沒有對現(xiàn)有設施進行改造的計劃。

Forsyth指出，培訓客戶可靠地操作 3D 打印系統(tǒng)以及設計用于增材制造的零件面臨著巨大的挑戰(zhàn)，所以 Alloy 選擇內(nèi)部生產(chǎn) DLC 組件，而不是將StackForging 設備出售給客戶。她表示：“我們面臨兩個選擇：要么在五個客戶現(xiàn)場安裝首批五臺機器，要么在我們工廠內(nèi)由員工操作安裝首批五臺機器。為了確?？煽啃院唾|(zhì)量，我們認為最好的辦法就是言出必行?！?/div>

這種內(nèi)部方法正在取得成效。近年來，Alloy 穩(wěn)步提升設備效率，到 2025 年 5 月，零件良率已達到92%，這在工業(yè) 3D 打印領域樹立了令人矚目的標桿。

△AlloyEnterprises 的銅冷板。圖片來自 Alloy Enterprises。

3D打印GPU冷卻的未來

展望未來，F(xiàn)orsyth 承認數(shù)據(jù)中心的電力供應并非無限，因此提高熱效率至關重要。Forsyth 說道：“節(jié)省的每一千瓦都可以用來生成更多代幣或運行更多計算。這意味著更高的營收或更少的二氧化碳排放?！?/div>

事實上，隨著環(huán)境法規(guī)和排放目標的日益嚴格，數(shù)據(jù)中心的碳足跡正面臨越來越嚴格的審查。根據(jù)國際能源署(IEA) 的數(shù)據(jù)，2024 年數(shù)據(jù)中心的耗電量約為 415 太瓦時，約占全球用電量的 1.5%。IEA 估計，要實現(xiàn)凈零排放目標，數(shù)據(jù)中心的排放量必須在 2030 年前減半。

Alloy 的許多客戶，尤其是超大規(guī)?？蛻?，都致力于減少碳足跡。對于 Forsyth 來說，DLC 的效率提升是實現(xiàn)這些目標的關鍵。她強調(diào)了能夠提供更高的每千瓦計算能力，并且能夠在 44°C 的非冷卻水臨界溫度下運行。她還指出，Stack Forging 的薄板原料產(chǎn)生的二氧化碳比 LPBF 中使用的金屬粉末少得多，而且更容易回收和再利用。

這位科技公司首席執(zhí)行官還呼吁向更清潔的能源轉型，為數(shù)據(jù)中心供電。她強調(diào)了谷歌最近與ARC達成的協(xié)議，后者是一家由麻省理工學院衍生公司Commonwealth Fusion Systems (CFS)開發(fā)的緊湊型核聚變工廠。ARC位于弗吉尼亞州切斯特菲爾德縣，目標是在2030年代初提供清潔能源。

最后，F(xiàn)orsyth感嘆道：“我認為我們整個社會都會從中受益。如果數(shù)據(jù)中心推動了這些創(chuàng)新，那么我同意，因為全世界都需要它。”