ISSN 0236-235X (P)
ISSN 2311-2735 (E)

Публикационная активность

(сведения по итогам 2017 г.)
2-летний импакт-фактор РИНЦ: 0,500
2-летний импакт-фактор РИНЦ без самоцитирования: 0,405
Двухлетний импакт-фактор РИНЦ с учетом цитирования из всех
источников: 0,817
5-летний импакт-фактор РИНЦ: 0,319
5-летний импакт-фактор РИНЦ без самоцитирования: 0,264
Суммарное число цитирований журнала в РИНЦ: 6012
Пятилетний индекс Херфиндаля по цитирующим журналам: 404
Индекс Херфиндаля по организациям авторов: 338
Десятилетний индекс Хирша: 17
Место в общем рейтинге SCIENCE INDEX за 2017 год: 527
Место в рейтинге SCIENCE INDEX за 2017 год по тематике "Автоматика. Вычислительная техника": 16

Больше данных по публикационной активности нашего журнале за 2008-2017 гг. на сайте РИНЦ

Вход


Забыли пароль? / Регистрация

Добавить в закладки

Следующий номер на сайте

4
Ожидается:
16 Декабря 2018

Энергетические затраты, быстродействие и проблема теплоотвода в микропроцессорах

Energy costs, speed and heat sink in microprocessors
Статья опубликована в выпуске журнала № 4 за 2013 год. [ на стр. 29-35 ][ 11.12.2013 ]
Аннотация:В статье проанализированы физические принципы энергетических затрат в современных микропроцессорах, часть потребляемой энергии которых расходуется на совершение необходимых операций, а другая, значительная ее часть, необратимо диссипируется в виде тепла. Переход существенной доли потребляемой электроэнергии в тепловую приводит к нагреванию микропроцессоров, обусловливая как уменьшение надежности и изменение статических и динамических электрических параметров микропроцессоров, так и выход их эксплуатационных характеристик за пределы допусков, приводя к отказам, неправильному срабатыванию и пр. В силу противоречивого характера требований, предъявляемых к росту быстродействия микропроцессоров при одновременном снижении энергетических затрат, вопросу взаимосвязи между электрическими параметрами микропроцессоров и протекающими в них тепловыми процессами уделяется особое внимание. Приводятся оценки перспектив различных физических принципов отвода тепла от микропроцессоров при различных мощностях их тепловыделения. Полученные зависимости показывают, что оценки значений мощностей потребления микропроцессоров с точки зрения принципиальных возможностей различных способов охлаждения по снижению температуры еще весьма далеки от своих предельных физических ограничений.
Abstract:The paper analyzes the physical principles of energy expenditure in modern microprocessors. The most part of the energy consumption is irreversibly dissipated as heat and another is spent on making all necessary operations. Transition of consumed energy to the heat causes microprocessors heating. It results in reliability decreasing and changing static and dynamic electrical parameters of microprocessors, as well as overranging their performance charachteristics resulting in failures, malfunction, etc. Because of the controversial requirements for increase of microprocessors speed while reducing energy expenditure, the issue of the relationship between the electrical parameters of microprocessors and their thermal processes is given special attention. There are the estimates of the perspectives of the physical principles of heat sink in microprocessors at different heat output. From the point of view of the fundamental capabilities of different cooling methods the obtained dependences show that the assessment of the microprocessor power consumption is still far from reaching their maximum physical limitations.
Авторы: Бобков С.Г. (bobkov@cs.niisi.ras.ru)) - Научно-исследовательский институт системных исследований РАН, г. Москва, г. Москва, Россия, доктор технических наук, Мадера А.Г. (alexmadera@mail.ru) - НИИСИ РАН, г. Москва, г. Москва, Россия, доктор технических наук
Ключевые слова: тепловые процессы, энергопотребление, мощность потребления, высокопроизводительные вычислительные системы, микропроцессоры
Keywords: thermal processes, energy costs, power consumption, high-performance computing systems, microprocessors
Количество просмотров: 6349
Версия для печати
Выпуск в формате PDF (7.95Мб)
Скачать обложку в формате PDF (1.45Мб)

Размер шрифта:       Шрифт:

Обработка, хранение и отображение информации, необходимой для решения разнообразных проблем, выполняются с помощью высокопроизводительных вычислительных систем (ВВС) различного назначения, главными элементами которых являются микропроцессоры, построенные на полупроводниковых кристаллах. Операции с информацией в микропроцессоре сопровождаются неизбежными затратами энергии, которая, согласно законам термодинамики, лишь частично расходуется на производство необходимой информации, в то время как ее значительная часть рассеивается в виде тепловой энергии. Переход существенной доли потребляемой электрической мощности в тепловую приводит к нагреванию элементов и всей ВВС в целом. Поскольку полупроводниковая элементная база ВВС характеризуется большой температурной зависимостью своих электрических параметров, возникающие в процессе функционирования ВВС температурные поля приводят к тому, что важнейшие характеристики ВВС – статические и динамические электрические параметры микросхем, надежность, быстродействие, помехоустойчивость и так далее – претерпевают существенные изменения. Эти изменения, в свою очередь, ведут к выходу эксплуатационных параметров микропроцессоров и всей ВВС за пределы допусков, инициируя отказы и несрабатывания, а также к снижению их надежности и помехоустойчивости. Образование на полупроводниковых кристаллах микропроцессоров и других микросхем в ВВС избыточных температур и температурных градиентов является одним из главных препятствий на пути к достижению заданных характеристик микропроцессоров и обеспечению их конкурентоспособности.

Цель, преследуемая в процессе развития микроэлектронной элементной базы, состоит в дос- тижении высокого быстродействия при низких энергетических затратах, которая, однако, носит противоречивый характер, поскольку сокращение одного влечет за собой увеличение другого. Так, повышение скорости микропроцессора требует увеличения энергетических затрат, в то время как энергия потребления может быть уменьшена за счет снижения быстродействия микропроцессора. Поэтому уровни потребляемой мощности и перепадов температуры являются решающими при получении требуемых характеристик микропроцессоров. Отметим, что снижение мощности и температуры кристалла микросхемы достигается посредством различных схемотехнических, технологических и конструкционных решений, однако главными при этом являются создание и разработка высокоэффективных систем охлаждения и отвода тепла от элементов, узлов и устройств ВВС, причем актуальность проблемы теплоотвода повышается вместе с ужесточением требований к плотности компоновки ВВС, степени микроминиатюризации, быстродействию и надежности микропроцессоров.

Энергопотребление микропроцессоров

Затраты энергии и скорость обработки информации в микропроцессоре как цифровом полупроводниковом устройстве тесно связаны. Базовые единицы цифровой интегральной схемы представляют собой электронные вентили, выполненные по микроэлектронной технологии на полупроводниковом кристалле и предназначенные для накопления и передачи электрических сигналов различных уровней. При осуществлении этих процессов каждый вентиль потребляет от внешних источников питания определенную энергию. Причем при смене (переключении) уровней двоичной информации вместе с переключением вентилей происходит формирование различных конфигураций электрических цепей вентилей в различные моменты времени. Вследствие этого происходит также формирование динамических энергетических потоков, сформированных в каждый момент времени цепей, которые рассеиваются затем в виде тепловых потоков на кристалле микропроцессора. Процессы потребления, накопления электрической энергии и последующая диссипация ее в тепловую энергию и определяют энергетический режим создания определенного быстродействия электронной схемы, составленной из вентилей, выполненных на одном или нескольких полупроводниковых кристаллах, конструктивно заключенных в единый корпус.

С точки зрения подходов к минимизации энергии, потребляемой при функционировании логических элементов, можно ввести следующую классификацию составляющих частей потребляемой энергии:

1)    рассеивание энергии из-за токов утечек в статическом режиме;

2)    рассеивание энергии из-за протекания токов в динамическом режиме;

3)    энергия формирования логического состояния элемента.

Статическое рассеивание определяется суммарными токами утечки закрытых n- и p-ка­нальных транзисторов при отсутствии тактирующих сигналов, когда схема находится в определенном, стабильном состоянии. Для норм выше 65 нм цифровых КМОП-схем влияние токов в статическом состоянии можно считать пренебрежимо малым и не оказывающим значительного влияния на общую потребляемую мощность [1]. Для норм 65 нм токи в статическом состоянии становятся уже заметными, а для норм 45 нм и ниже значения токов утечки становятся значительными.

Токи утечки эффективно снижаются за счет создания специальной библиотеки логических элементов на основе транзисторов с разными порогами. МОП-транзисторы с пороговым на- пряжением, увеличенным на 120–150 мВ, име- ют ток утечки в 10–20 раз меньше тока транзис- торов с номинальным пороговым напряжением 0,25–0,3 В. Увеличение порогового напряжения достигается с помощью увеличения толщины подзатворного диэлектрика и изменения профиля легирования кармана. Однако это приводит к снижению быстродействия и нагрузочной способности транзисторов.

Схемотехнические методы снижения энергии статического потребления направлены на сни- жение токов утечек главным образом за счет последовательного включения в стоковую цепь элементов дополнительных транзисторов, ограничивающих величину тока стока. Подобные меры по ограничению тока стоковой цепи способствуют увеличению времени переключения элемента из одного логического состояния в другое. Для решения этой проблемы применяются различные схемы управления дополнительными транзисторами, которые в зависимости от режима работы элементов (частоты изменения его выходных логических состояний, продолжительности нахождения в каком-либо одном логическом состоянии) задают повышенный или пониженный ток стока элемента. Подобные подходы имеют наибольшую эффективность снижения энергии потребления в статическом режиме (в 2–5 раз), если частота переключения логических элементов не превышает нескольких сотен МГц [2].

Динамическое рассеивание происходит в моменты переключения в логических элементах схемы. Основная причина наличия динамического тока в КМОП-схемах – это перезаряд внутренних емкостей СБИС, величина которых определяется размерами топологических элементов, форми- руемых в процессе создания транзисторов и межсоединений [3, 4]. Заряд и разряд емкостей происходят через коммутируемые n- и p-канальные транзисторы, в которых происходит рассеяние потребляемой динамической энергии.

Потребляемую элементом мощность можно рассчитать исходя из следующей формулы:

P=Pin+Pst+Pl,                                                           (1)

где ,                                            (2)

Pin=E(tf, C)´K´f,                                                     (3)

Pin – внутренняя мощность элемента, определяемая сквозными токами и как энергия переключения элемента E(tf, C), которая зависит от фронта сигнала на входе и от нагрузки, умноженная на коэффициент переключений (K) и на частоту (f); Pst – мощность, потребляемая в статическом режиме; Pl – мощность, затрачиваемая на перезаряд нагрузки, определяемая энергией перезаряда емкости нагрузки, умноженная на коэффициент переключений K и на частоту f.

Выбор коэффициента K во многом определяет правильность расчета потребляемой мощности и может осуществляться следующими способами:

–      K=const и определяется из статистики;

–      K=var и определяется из конкретного теста конкретной микросхемы;

–      K=var и определяется эвристическими алгоритмами вычисления вероятности переключения, определяемыми САПР [5].

Подпись:  

Рис. 1. Эквивалентная схема 
заряда и разряда конденсатора
На рисунке 1 показана эквивалентная схема заряда и разряда выходной емкости CL при переключении КМОП-элемента. Ключ моделирует циклы заряда и разряда, V – идеальный источник напряжения питания, Rs и Rd – эквивалентные сопротивления открытых n- и p-ка­нальных транзисторов.

Если заряжать и разряжать конденсатор CL с частотой f циклов в секунду, общая мощность рассеивания системы составит

Pl~CL´V2´f.                                                             (4)

Уравнение (4) служит для оценки мощности рассеивания цифровых КМОП-схем.

Необходимо отметить, что при этом были сделаны следующие допущения: мкость нагрузки CL и напряжение питания V постоянны, емкость успевает полностью зарядиться и разрядиться.

Если частота переключения f одинакова для всех этих узлов, общую мощность потребления P можно представить как

Pl~Ctotal´V2´f,                                                    (5)

где Ctotal – эквивалентная емкость, определяемая суммарной величиной емкостей всех узлов СБИС, заряжаемая и разряжаемая в процессе функционирования микросхемы.

Все существующие методы снижения энергопотребления цифровых схем направлены на уменьшение величины параметров, входящих в формулу (5).

По каждому из варьируемых параметров необходим поиск его оптимального значения, поскольку выигрыш по рассеиваемой мощности сопро- вождается определенными потерями по другим параметрам микросхем или системным характеристикам.

При уменьшении величины емкостей (например, при увеличении степени интеграции и уменьшении топологических размеров элементов структур) уменьшаются коммутируемые заряды и потребляемая динамическая мощность СБИС. Однако уменьшение величины заряда в емкости элемента хранения информации приводит к уменьшению устойчивости данного элемента, так как меньший по величине паразитный заряд вызовет сбой этого элемента. Определение оптимальных для конкретных применений параметров библиотечных элементов, в том числе емкостей элементов памяти, требует проведения исследований условий работы с учетом сбое- и отказоустойчивости СБИС.

Квадратичная зависимость от напряжения питания V определяет высокую эффективность уменьшения V для снижения потребляемой мощности. Это определяет тенденцию уменьшения напряжения питания до значений ниже 2,0–1,2 В. Но такое решение  возможно только при условии уменьшения величины пороговых напряжений транзисторов, что вызывает снижение помехоустойчивости и, следовательно, ужесточает требования к условиям работы системы.

Величина напряжения питания, необходимая для выполнения операций с минимальной или максимальной скоростью, может отличаться в несколько раз. Это позволяет использовать динамическое управление величиной напряжения питания СБИС или даже ее отдельных узлов в разных режимах работы с целью уменьшения энерго- потребления. Для повышения быстродействия требуемых блоков в необходимых случаях используют или локальное повышение напряжения питания и/или управление величиной пороговых напряжений транзисторов, уменьшая их до предельно допустимых значений, ограниченных возрастанием токов утечек, соизмеримых со значением динамических токов.

Иногда повышение быстродействия СБИС с одновременным снижением величины коммутируемых зарядов, а значит, и с уменьшением потребления, достигается уменьшением перепада напряжения заряженной и разряженной емкостей (неполного перезаряда).

Отдельное направление занимает снижение энергопотребления с помощью программных средств [6], а также с помощью технологических приемов, например, за счет применения технологии «кремний на изоляторе» [7], которая характеризуется меньшими значениями емкостей элементов топологических структур, изолированных слоем диэлектрика.

Учитывая сказанное, можно классифицировать методы снижения энергопотребления как направленные на снижение напряжения питания, снижение суммарной емкости схемы и снижение частоты переключения.

Имеются также методы снижения потребляемой энергии в динамическом режиме, рассеиваемой транзисторами в тепло, выделенные в отдельное направление – проектирование адиабатических элементов. Разработка таких элементов включает в себя специальную схемотехнику и организацию функционирования, благодаря которым исключается протекание сквозных токов в динамическом режиме и снижается количество рассеиваемой энергии при смене логического состояния. Причем на пониженных частотах функционирования (десятки и сотни МГц) эффективность снижения рассеиваемой энергии при изменении логического состояния у адиабатических элементов значительно выше, чем у обыкновенных статических КМОП-элементов.

Энергия логического состояния определяется величиной емкости выходного узла, на котором электрический заряд создает разность потенциалов между выходом и шиной питания или общей шиной. Смена логического состояния приводит к рассеиванию этой энергии в тепло на транзисторах элемента. Процесс переключения является необратимым, и для формирования очередного логического состояния требуется такое же количество энергии. Задача по сохранению энергии логического состояния заключается в организации такой работы логической схемы, при которой информация о входных сигналах не теряется в процессе логических операций и для определения значения входных сигналов не требуется затрачивать дополнительную энергию на формирование новых логических уровней. Логический элемент, обладающий такими функциональными свойствами, называется обратимым. В отличие от обратимых элементов методы понижения динамического энергопотребления, применяемые в адиабатических элементах, направлены на минимизацию рассеивания энергии логического состояния в тепло, а не на сохранение логического состояния. Это означает, что основная проблема обратимых вычислений заключается в исследовании причин потери логических состояний при совершении логических операций (смена логического состояния с потерей информации об этом логическом состоянии), а основная проблема адиабатических вычислений заключается в минимизации последствий смены логического состояния (рассеивание энергии логического состояния в тепло).

Несмотря на всестороннее применение рассмотренных выше методов, современные микропроцессоры характеризуются очень большим энергопотреблением, мощность которого достигает 100–200 Вт, что в условиях повышенных требований к плотности компоновки электронных модулей и крейтов, а последних – в стойках ВВС, вызывает серьезные проблемы отвода тепла и снижения температуры микропроцессоров до приемлемого уровня [8].

Закономерности теплообмена в микропроцессорах

Количество тепловой энергии, диссипируемой микропроцессором при энергопотреблении, определяется многими системными, физическими и конструктивными факторами:

–      конструкцией корпуса, внутри которого заключен полупроводниковый кристалл микропроцессора;

–      применяемыми материалами конструкции;

–      физическими принципами работы теплоотвода и его конструктивным исполнением;

–      характеристиками применяемых для теплоотвода и охлаждения холодоносителей;

–      типом системы охлаждения: кондуктивной, свободно- или принудительно-конвективной как в воздушной, так и в жидкостной среде, испарительной, конденсаторной, испарительно-конденса­торной, погружного типа в диэлектрические жидкости.

От решения проблемы теплоотвода в значительной степени зависят как эксплуатационные и надежностные характеристики микропроцессоров, так и производительность создаваемых на микропроцессорах суперкомпьютеров. В этой связи было бы целесообразно оценить перспективы различных физических принципов и типов теплоотводов, способных по своему физическому разрешению отводить то или иное количество тепловой энергии, потребляемой микропроцессором.

Величина теплового потока Q, или тепловая мощность, которая может быть передана от тела со средней температурой поверхности T в среду с температурой Ta, определяется следующим балансовым соотношением:

Q=a×Sт(T–Ta),                                                    (6)

где a – коэффициент теплоотдачи, зависящий от физических принципов осуществления теплообмена; Sт – поверхность тела, участвующая в теплообмене [9].

Из соотношения (6) следует, что количество отводимого теплового потока определяют три основных фактора.

1.     Физические принципы протекания теплообмена при теплоотводе и охлаждении, сконцентрированные в коэффициенте теплоотдачи a (их приблизительные значения в зависимости от физических условий теплообмена приведены в таблице [10].

Коэффициент теплоотдачи a в зависимости от условий теплообмена

Условия теплообмена

a, Вт/(м2К)

Свободная конвекция:

 

– в газах

2–10

– диэлектрической жидкости

10–300

– в масле и других жидкостях той же плотности

200–300

– в воде

200–600

Принудительная конвекция:

 

– в газах

20–100

– воздуха при струйном течении или большой скорости

50–1 000

– диэлектрических жидкостей

300–3 500

– в масле и других жидкостях той же плотности

300–1 000

– в воде

1 000–3 500

Изменение агрегатного состояния:

500–120 000

– кипение хладагентов

5 000–10 000

– испарительно-конденсаторные процессы в тепловой трубе с водным наполнителем

500–45 000

– капельная конденсация водяных паров

4 000–12 000

– конденсация органических паров

500–2 000

2.     Площадь Sт, участвующая в процессах теплообмена между нагретым телом и средой. Из (6) следует, что с ростом площади Sт теплоотводимая мощность также растет. Поскольку увеличить собственно площадь охлаждаемого тела невозможно, прибегают к ее искусственному увеличению путем крепления к поверхности тела теплообменника с развитой, то есть увеличенной, поверхностью теплообмена. Теплообменники в виде радиаторов различных конструкций (пластинчатые, ребристые, игольчато-штыревые и пр.), выполненные из высокотеплопроводных материалов, широко используются при охлаждении радиоэлектронных компонентов, в частности, интегральных микросхем с малой мощностью тепловыделения.

3.     Перепад температуры DT=T–Ta между поверхностью охлаждаемого тела и омывающей ее средой. Для уменьшения перепада температуры при сохранении величины отводимого теплового потока P необходимо применять более интенсивные физические принципы охлаждения (см. табл.) и одновременно более развитые поверхности теплообмена.

Таким образом, количество отводимой от нагретого тела тепловой мощности определяется физическими принципами охлаждения (коэффициент теплоотдачи a), площадью теплообмена теплообменника (Sт) и перепадом температуры между поверхностью тела и средой (DT). Причем, если коэффициент теплоотдачи a и перепад температуры DT определяются путем моделирования процессов теплообмена, площадь теплообменника Sт при данных значениях a и DT является предметом теплового проектирования при создании системы теплоотвода и охлаждения.

Для моделирования процессов теплообмена, протекающих в микропроцессоре при различных физических условиях охлаждения и теплоотвода, необходимо знать площадь теплоотдающей поверхности Sт. Конструкции теплообменников отличаются большим разнообразием, поэтому введем в рассмотрение обобщенный теплообменник, который учитывает то, что эффективность теплоотдающей способности теплообменника существенно зависит от теплопроводности используемых материалов, поскольку с ростом теплопроводности площадь растекания тепла по конструкции теплообменника увеличивается и, как следствие, увеличивается эффективная площадь теплоотдающей поверхности Sт. В качестве обобщенного теплообменника примем пространственную структуру в виде полой сферы, образованную в радиальном направлении игольчатыми стержнями, основания которых расположены на внутренней сферической поверхности теплообменника, а их противоположные концы образуют внешнюю сферическую поверхность. Внутренняя сфера теплообменника равна внешней поверхности корпуса Sкорп охлаждаемого микропроцессора.

Процессы теплопереноса от корпуса микропроцессора в среду через конструкцию обобщенного теплообменника протекают следующим образом. Тепловой поток от микропроцессора мощностью P поступает на внутреннюю поверхность сферы теплообменника радиуса a и растекается теплопроводностью вдоль радиальных стержней диаметром d и длиной l, установленных своими основаниями на внутренней сферической поверхности теплообменника. Одновременно с растеканием тепла теплопроводностью вдоль радиальных стержней тепловой поток передается в среду путем того или иного физического принципа теплообмена, информацию о котором несет коэффициент теплоотдачи a (см. табл.). Полная теплоотдающая поверхность обобщенного теплообменника складывается из поверхностей всех радиальных стрежней конструкции.

Уравнение теплового баланса [11] приводит к следующему соотношению, связывающему между собой тепловой поток Q(a), входящий через внутреннюю сферическую поверхность теплообменника, кондуктивный тепловой поток Q(a+l) на противоположном конце стрежней, распространяющийся по длине стержней и уносимый в среду с внешних торцов, и тепловой поток теплоотдачи в среду (6):

Q(a)–Q(a+l)=a×Sт(T–Ta).                                 (7)

Растекание тепла теплопроводностью вдоль радиальных стержней подчиняется закону Фурье [9], поэтому тепловой поток, входящий в стержни, основания которых расположены на сфере радиуса а теплообменника, и растекающийся по их длине l, может быть записан в виде

Q(a)=,                             (8)

где l – коэффициент теплопроводности материала стержней; Sсеч – полная площадь сечения теплообменника, которую пронизывает кондуктивный тепловой поток.

Можно показать, что теплоотдающая поверхность обобщенного теплообменника равна Sт=4Sкорпl/d, а отношение площадей теплообмена и сечения теплообменника равно Sт/Sсеч=4l/d. Подставляя (8) в (7), учитывая, что d<=a× Sт× (T–Ta).

Выражая отсюда длину l радиальных стержней теплообменника, изменяющуюся при изменении коэффициента теплопроводности материала, подставляя ее в выражение для площади теплообменника Sт, а последнюю в (7) и учитывая, что Q(a)=Р, получим окончательное выражение для потребляемой мощности микропроцессора, рассеиваемой в виде тепла, которая в принципе может быть отведена с поверхности корпуса микропроцессора посредством обобщенного теплообменника:

P=  (9)

Задавая требуемые перепады температуры между концами радиальных стержней теплообменника T(a)–T(a+l), между средней температурой конструкции теплообменника и средой T–Ta, а также различные диаметры стержней d теплообменника и коэффициенты теплопроводности l, получим различные значения тепловой мощности микропроцессора Р. На рисунке 2 приведены зависимости мощности процессора Р для следующих данных, которые могут иметь место на практике: перепады температуры T(a)–T(a+l)=5 °С и T–Ta=5 °С; теплопроводности материала теплообменника l=200 Вт/м2К (алюминий), 400 Вт/м2К (медь); диаметр стержней 2,5 мм; кристалл микропроцессора заключен в корпус с площадью поверхности 4,2´4,2 см2. Значения коэффициентов теплоотдачи соответствуют различным способам охлаждения, приведенным в таблице.

Необходимо отметить, что в рассматриваемой модели теплообмена микропроцессор расположен в открытом пространстве, не ограничивающем габариты теплообменника. Между тем на практике микропроцессоры размещаются в пространстве ВВС, ограниченном габаритами электронного модуля, крейта и стойки, а также требованиями, предъявляемыми к длине линий связи и плотности компоновки ВВС. Поэтому полученные данные должны рассматриваться как принципиально достижимые при данных условиях охлаждения микропроцессора и выбранной конструкции обобщенного теплообменника.

Подпись:  

Рис. 2. Мощность, отводимая от микропроцессора 
при различных способах охлаждения и отвода тепла 
и теплопроводности материала теплообменника: 
200 Вт/м2´К – сплошная линия, 
400 Вт/м2´К – пунктирная линия
Из полученных зависимостей (рис. 2) следует, что отводимая от микропроцессора мощность P, помимо условий охлаждения (коэффициент a), существенно зависит и от теплопроводности материала конструкции теплообменника. Так, для условий охлаждения микропроцессора, соответствующих принудительной конвекции в воздухе, мощность Р составляет 50 Вт для алюминиевой конструкции теплообменника и 70 Вт для конструкции, выполненной из меди. Физический принцип охлаждения оказывает решающее влияние на уровни отводимой мощности. Действительно, для теплообменника, выполненного из меди, от микропроцессора может быть отведена мощность Р=22 Вт при свободной конвекции в воздух и 120 Вт при свободной конвекции в диэлектри- ческую жидкость, например, при погружном жидкостном способе охлаждения. Переход к принудительной конвекции позволяет значительно поднять уровень мощности теплосъема. Так, принудительная конвекция в воздух позволяет отвести от микропроцессора мощность до 70 Вт, а в диэлектрическую жидкость – до 420 Вт. Отметим, что применение принудительного конвективного теплообмена в жидкость требует конструирования каналов для нагнетания жидкости, а также создания теплообменников снаружи ВВС, которые эту жидкость будут охлаждать до требуемой температуры и нагнетать обратно в контуры системы охлаждения ВВС. Применение новых физических принципов позволяет еще больше повысить отводимую от микропроцессора мощность. Например, конструкция теплообменника, выполненная с применением тепловых трубок, позволяет (теоретически) довести мощность, отводимую от микропроцессора, до 80 Вт при свободной конвекции в воздух, до 250 Вт при принудительной воздушной конвекции и до 1 500 Вт в диэлектрической жидкости.

Исследования процессов теплообмена микропроцессоров позволяют сделать вывод, что значения мощностей, потребляемых микропроцессорами, с точки зрения принципиальной возможности отвода тепла и охлаждения еще весьма далеки от своих предельных физических ограничений. Однако при выборе физического принципа теплоотвода и охлаждения микропроцессоров, электронных модулей и ВВС в целом необходимо также принимать во внимание требования, предъявляемые к параметрам ВВС различного назначения, включая и те, что находят применение в системах космических телекоммуникаций [12], а именно: по плотности компоновки, значениям электрических и эксплуатационных параметров, энергопотреблению, массе и габаритам, надежности.

Литература

1.     Адамов Д. Учет особенностей микроэлектронных нанотехнологий при проектировании СБИС // Электроника: Наука. Технология. Бизнес. 2007. № 7. С. 98–105; 2007. № 8. С. 114–118.

2.     Abdollahi A., Fallah F., Pedram M. Leakage Current Reduction in CMOS VLSI Circuits by Input Vector Control, Proc. ISLPED, 2002.

3.     Chandrakasan A., Sheng S., Broersen R. Low-power CMOS Digital Design, IEEE Journ. of Solid-State Circuits, 1999, vol. 27 (4), pp. 473–484.

4.     Chatzigeorgiou A. and Stephanides G. Energy Issues in Software Design of Embedded Systems, 2nd WSEAS Intern. Conf. on Applied Informatics, Rethymnon, Crete, Greece, 2002, July 7–14.

5.     Jin H.S., Jang M.S., Song J.S., Lee J.Y., Kim T.S., Kong J.T. Dynamic power estimation using the probabilistic contribution measure (PCM), ISLPED'99: Proc. of the 1999 Intern. symposium on Low power electronics and design, Chulalongkorn Univ., Bangkok, Thailand, 1999.

6.     Kougia S., Chatzigeorgiou A., Nikolaidis S. Evaluating Power Efficient Data-Reuse Decisions for Embedded Multimedia Applications: an Analytical Approach, Journ. of Circuits, Systems and Computers, 2004, February, vol. 13, no. 1.

7.     Борошко С.И., Иванов С.Г., Ивлев А.А., Ильягу- ев В.Н., Калашников О.А., Осипенко П.Н., Пекач Ю.В. Способы уменьшения токов потребления КМОП СБИС // Радиационная стойкость электронных систем. «Стойкость-2004»: тез. докл. 7-й конф. М.: СПЭЛС, 2004. Вып. 7. С. 77–78.

8.     Бобков С.Г. Архитектурные и конструктивные решения вычислительных систем с производительностью 1–100 Тфлопс // Информационные технологии. 2011. № 10. С. 26–30.

9.     Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: Бастед, 2010.

10.  Резников Г.В. Расчет и конструирование систем охлаждения ЭВМ. М.: Радио и связь, 1988.

11.  Мадера А.Г. Моделирование теплообмена в технических системах. М.: Науч. фонд им. акад. В.А. Мельникова, 2005.

12.  Решетников В.Н. Космические телекоммуникации. Системы спутниковой связи и навигации. СПб: 2010. 134 с.

References

1.     Adamov D. Considering feachers of microelectronic nano­technologies while designing VLSI. Elektronika: NTB [ELECTRO­NICS: Science, Technology, Business]. 2007, no. 7, pp. 98–105; 2007, no. 8, pp. 114–118 (in Russ.).

2.     Abdollahi A., Fallah F., Pedram M. Leakage Current Re­duction in CMOS VLSI Circuits by Input Vector Control. Proc. ISLPED, 2002.

3.     Chandrakasan A., Sheng S., Broersen R. Low-power CMOS Digital Design. IEEE Journ. of Solid-State Circuits, 1999, vol. 27 (4), pp. 473–484.

4.     Chatzigeorgiou A., Stephanides G. Energy issues in software design of embedded systems. 2nd WSEAS Int. conf. on Applied Informatics. Rethymnon, Crete, Greece, July 7–14, 2002.

5.     Jin H.S., Jang M.S., Song J.S., Lee J.Y., Kim T.S., Kong J.T. Dynamic power estimation using the probabilistic contribution measure (PCM). ISLPED '99: Proc. of the 1999 int. symp. on Low power electronics and design. Chulalongkorn Univ., Bangkok, Thailand, 1999.

6.     Kougia S., Chatzigeorgiou A., Nikolaidis S. Evaluating Power Efficient Data-Reuse Decisions for Embedded Multimedia Applications: An Analytical Approach. Journ. of Circuits, Systems and Computers. February, 2004, vol. 13, no. 1.

7.     Boroshko S.I., Ivanov S.G., Ivlev A.A., Ilyaguev V.N., Kalashnikov O.A., Osipenko P.N., Pekach Yu.V. Ways of reduc­tion in absorbed current KMOP SBIS. 7 konf. “Radiatsionnaya stoykost elektronnykh sistem. Stoykost-2004” [7th conf. “Resistance to radiation for electric systems Stoykost-2004”]. Report thesis, Moscow, SPELS, 2004, iss. 7, pp. 77–78 (in Russ.).

8.     Bobkov S.G. Architectural and structural solution for com­puter systems with 1–100 Tflops capacity. Informatsionnye tekhno­logii [Information technologies]. 2011, no. 10, pp. 26–30 (in Russ.).

9.     Miheev M.A., Miheeva I.M. Osnovy teploperedachi [Heat-transfer principles]. Moscow, Basted Publ., 2010.

10.  Reznikov G.V. Raschet i konstruirovanie sistem ohlazhde­niya EVM [Calculation and construction of computer cooling system]. Moscow, Radio i svyaz Publ., 1988, 226 p.

11.  Madera A.G. Modelirovanie teploobmena v tehnicheskih sistemah [Modeling heat exchange in technical systems]. Moscow, Nauchny Fond im. akad. V.A. Melnikova Publ., 2005.

12.  Reshetnikov V.N. Kosmicheskie telekommunikatsii. Siste­my sputnikovoy svyazi i navigatsii [Space telecommunications. Satellite communication and navigation systems]. Moscow, 2010.


Постоянный адрес статьи:
http://swsys.ru/index.php?page=article&id=3654
Версия для печати
Выпуск в формате PDF (7.95Мб)
Скачать обложку в формате PDF (1.45Мб)
Статья опубликована в выпуске журнала № 4 за 2013 год. [ на стр. 29-35 ]

Возможно, Вас заинтересуют следующие статьи схожих тематик: