מאת: Dimond Systems Corporation
רקע
מתכנני מערכות ניצבים, מזה זמן, בפני אתגר רב משמעות הכרוך בסילוק החום ממעבדים וממערכות שבבים בעלי ביצועים גבוהים, בעיקר כאשר מדובר במרחב של יחידות בעלות ממדים קטנים (SFF), שאותן ניתן לערום ולחבר זו מעל זו (stackable).
אי אפשר להתכחש לכוח המשיכה של משפחת המעבדים AtomTM של ®Intel על תכנונים חדשים ועל תוכניות שדרוג. ועם זאת, גם אותם 5 – 7 וואט שאותם מפזרת הפלטפורמה בעלת פיזור ההספק הנמוך ביותר – Menlow – שמורכבת ממעבדים מסדרת Z וממערכת השבבים US15W, יכולים להמיט אסון על תיבות אטומות, במיוחד כאשר בערמת המעגלים נמצאים כרטיסי כניסות ויציאות (I/O) וגורמים אחרים שמפיקים חום.
הגדרת הבעיה
בתנאי סביבה קשים יש צורך, בדרך כלל, במארזים אטומים וחסרי מאווררים, על מנת להגדיל עד למקסימום את האמינות ולהגן על חלקי האלקטרוניקה מפני לחות, אבק, חרקים וחומרים כימיים מאכלים. בשל מאפיין הבידוד הגבוה מאוד של האוויר (הוא בעל מוליכות חום נמוכה), מארזים אלו אינם מתאימים ליחידות יע”מ (CPU) או לרכיבי אלקטרוניקה אחרים שמשמשים עם גופי קירור המותקנים על המעגל, מפני שהחום חייב לעבור מגוף הקירור דרך האוויר אל דופן המארז. האוויר פועל כחומר מבודד (נגד חום) וגורם לעלייה בלתי רצויה של הטמפרטורה. ההפרש שבין טמפרטורת האוויר שבסביבה החיצונית לבין טמפרטורת האוויר הסמוך לרכיבי האלקטרוניקה הרגישים יכול בקלות להגיע ל-15 מעלות צלזיוס, ולעתים אף יותר. חשיפת מחשבי SBC וכרטיסי כניסות ויציאות לטמפרטורה גבוהה לפרקי זמן ארוכים עלולה להקטין באופן חד את הזמב”ת (זמן ממוצע בין תקלות – MTBF), מצב שאינו מקובל במחשבים חיוניים לביצוע המשימה אשר נתונים בתנאי סביבה קשים.
השאלה אם כן היא איך להתאים בצורה הטובה ביותר את מלאכת התכנון של תיבות אטומות מבוססות Atom ושל יחידות יע”מ הפועלות בהספק גבוה יותר, באופן כזה שיסלקו באופן יעיל את החום, ויספקו תוך כדי כך את מרב העמידות ואת מרב האמינות האפשרי?
סיכום
היתרונות של קירור בהולכת חום בשוק מערכות VME לא עמדו בעבר לרשותם של מי שהשתמשו במחשבי SBC שהיו נתונים במערום ומחוברים בממדי SFF. כעת, חברת Diamond Systems מציעה לשוק מחשבי PC/104, בעזרת גישה חדשה ומתקדמת, תהליך של קירור בהולכת חום, וכך, מחשבי SBC מבוססי Atom וכרטיסי כניסות ויציאות מסורתיים יכולים לשמש בתיבות אטומות, בלי שיהיה צורך להתפשר על טמפרטורת הפעולה הסביבתית או על אמינות המערכת. הגישה של חברת Diamond מתבססת על לוחית פיזור חום שממוקמת בתחתית מעגל SBC ומחוברת למעבד ולערכת השבבים באמצעות רפידות מרווח חומניות. תוצאות הבדיקה מראות באופן חד משמעי שלוחית פיזור החום מצליחה לשמור על טמפרטורת המעבד הרבה מתחת לטמפרטורת המפרט המרבית.
על מנת ליצור מודל של סביבת הפעולה החזויה של מערכת קשיחה ואטומה נערך ניסוי עם היע”מ מבוסס Aurora Z530 של החברה, שחובר באופן חומני לדופן המארז. תוצאות הבדיקה, המופיעות בהמשך, מראות שמחשב SBC מסוג Aurora פועל בהצלחה בתנאים הגרועים ביותר של הדמיה בדפנות אלומיניום דקות (בעובי של 1.6 מ”מ) ובטמפרטורה של 76 מעלות צלזיוס. עומס של 9.6 וואט של נגד הספק הוצב בתוך המארז האטום והעלה את טמפרטורת האוויר הפנימית לערך יעד של 89 מעלות צלזיוס, אשר הם מהווים שוליים של ארבע מעלות מעל לטמפרטורה של 85 מעלות צלזיוס, הטמפרטורה המרבית המותרת בשטח. כפי שהיה צפוי, לוחית פיזור החום שמרה את המעבד במצב קר יותר. הטמפרטורה שנמדדה במארז המעבד הייתה 84.45 מעלות צלזיוס, שקבעה את צומת חום הטרנזיסטור Tj של המעבד בטמפרטורה של 87 מעלות צלזיוס, טמפרטורה שהיא בשלוש מעלות צלזיוס פחות מטמפרטורת Tj המרבית שבמפרט של Intel, שהיא 90 מעלות צלזיוס.
באופן מעשי, דפנות מארז אלומיניום עבות יותר כמו למשל מארז יצוק ו/או מארז מעובד בעיבוד שבבי ועם טמפרטורת פני שטח של 71 מעלות צלזיוס או פחות, היו יכולות להוריד עוד את טמפרטורת Tj – הרבה מתחת לנתונים שבמפרט המרבי.
תאור הבדיקה
המטרה בתהליך זה הייתה למצוא מהי עמידות המעגל בתנאים מיוחדים, ולצורך כך נבדק מחשב Aurora SBC של Diamond עם יע”מ Z530 Atom ל-1.6 ג’יגה-הרץ, שפועל עם Windows XP SP2 (חבילת שירות 2).
דרישות הבדיקה
להלן תיאור מפורט של פריטי הציוד והתוכנה ששימשו לביצוע הבדיקות.
פריטי החומרה ששימשו בתהליך:
1. מארז Pandora של Diamond.
2. מחשב BC של Diamond (ל-1.6 ג’יגה-הרץ) שהותקן בו זיכרון RAM מסוג DDR2 667 SO-DIMM של 1 ג’יגה-ביית.
3. הותקנה במחשב לוחית פיזור החום (Heatspreader) ל-Aurora של Diamond.
4. ספק כוח ATX.
5. נגדי הספק להספק גבוה על מנת לחמם את האוויר בתוך המארז.
6. לוח אלומיניום לצורך פיזור ההספק.
7. מערכת הרכשת נתוני טמפרטורה Pico Tech ל-USB עם 4 צמדים תרמיים (thermocouple).
8. מחשב נייד לתיעוד דגימות הטמפרטורה.
התוכנה ששימשה
1. מערכת Windows XP SP2
2. ערכת הבדיקה Burnin test pro v5.3
3. תוכנת הבקרה של Pico Tech
תהליך ותוצאות
על מנת לבצע הדמיה של סביבת היצרן עבור המערכת, חשוב היה להגיע לטמפרטורות גבוהות יותר בתוך המארז בניגוד לטמפרטורת היע”מ (Tj) המרבית, שהיא 90 מעלות צלזיוס.
הקמת מערך הבדיקה
בבדיקה זו שימשו ארבעה מצמדים תרמיים:
ערוץ מצמד תרמי אחד על שבב היע”מ, ערוץ אחד במרכז תיבת Pandora 1.5 ס”מ מעל המעגל, ערוץ אחד על הלוחית במרחק של 20 ס”מ מתיבת Pandora, וערוץ אחד נוסף מרחף בתא עצמו.
החורים שבתיבת Pandora מכוסים כדי למנוע אפשרות להולכת חום דרכם (אין סיכוי שהחום יצא מהם, על מנת שתהיה הדמיה של תיבה אטומה באופן מושלם).
תמונה תחתונה:
בצד שמאל שורה עליונה – צמד תרמי מס’ 4,
בצד שמאל שורה תחתונה – תיבת Pandora האטומה
בתחתית התמונה – לוח אלומיניום דק
התהליך
בדיקה ראשונה:
אין חיבור תרמי בין Aurora לבין לוח התחתית של תיבת Pandora (שנתמך באמצעות מבודדים), ועם נגדי עומס של שני וואט.
המטרה הייתה למצוא עד לאיזו טמפרטורה יתחמם היע”מ ללא פיזור הספק כשהוא בתוך תיבה אטומה, כפי שמוצג בתרשים 1, מנקודת הזמן t=0 עד לנקודה B. מצב זה יוצר הדמיה של פעולת גוף קירור בהולכת חום בתוך תיבה אטומה ללא זרימת אוויר.
בדיקה שנייה:
כאשר Aurora על הלוח של Pandora ועל לוח אלומיניום רחב ועם נגדי עומס של שני וואט.
המכלול הוצב על הלוח עם נגדי שני וואט בתוך התיבה, כפי שמוצג בתרשים 1 בנקודות B ו-C. לוחית פיזור החום של Aurora מונחת על לוח התחתית של Pandora, אשר מונחת על לוח האלומיניום החיצוני. בבדיקה זו אין משתמשים במשחה תרמית בין משטחי המתכת.
תרשים 1
תרשים 2
בדיקה שלישית:
כאשר Aurora על הלוח של Pandora ועל לוח האלומיניום הרחב, ועם נגדי עומס של 9.6 וואט.
בדיקה זו זהה לבדיקה השנייה, למעט ההוספה של נגד עומס של 9.6 וואט המחובר למתח של 12 וולט (2 30 אוהם, 10 וואט) על מנת לחמם את החלק הפנימי של המארז, ולא כולל את ההוספה של משחה תרמית בין לוחית פיזור החום של Aurora לבין לוח התחתית של Pandora, ובהמשך, גם בינה לבין לוח האלומיניום, בהתאמה, על מנת לקבל פיזור חום טוב יותר עם התוצאות המופיעות בתרשים 2.
הגרפים שבהמשך מראים שהטמפרטורה בתא נוצרה באופן ידני במכלול שספג את החום עד שהגיע למצב יציב. טמפרטורת היע”מ המופיעה בגרפים ובטבלאות שבהמשך נמוכה ב-2 עד 3 מעלות מטמפרטורת הצומת הממשית שהוצגה על ידי מסך ההגדרות של מערכת BIOS (אשר קורא אוגר של היע”מ). על מנת להעריך את טמפרטורת הצומת, הוספנו 2 מעלות לטמפרטורות המארז שנמדדו באמצעות צמד תרמי, מפני שלא הייתה אפשרות לגשת למסך ההגדרות של מערכת BIOS בעת הפעלת יישום Win32 לבדיקה של ההרצה במאמץ (burn-in).
הערה: הצמד התרמי שכונה “מארז” מדד את טמפרטורת האוויר בתוך תיבת Pandora,
1.5 ס”מ מעל למעגל Aurora SBC. הצמד התרמי שכונה “לוח” מדד את הטמפרטורה של הלוח עליו הייתה מונחת Pandora.
תיעוד
בדיקה ראשונה
המעגל מורם מבלי שייווצר מגע של הולכת חום אל התחתית של תיבת Pandora עם נגדי העומס של שני וואט.
בדיקה שנייה
המעגל נמצא על לוח (נתיב של הולכת חום) עם נגד עומס של שני וואט
בדיקה שלישית
מעגל עם משחה תרמית בין הלוחות ונגד עומס של 9.6 וואט.
בדיקה ראשונה - 81 - 47 = עלייה של 34 מעלות צלזיוס (ללא הולכת חום)
בדיקה שנייה - 90 - 80 = עלייה של 10 מעלות צלזיוס (קירור בהולכת חום עם עומס נוסף של שני וואט)
בדיקה שלישית - 87 – 76 = עלייה של 11 מעלות צלזיוס (קירור בהולכת חום עם עומס נוסף של 9.6 וואט)
מסקנות
לוחית פיזור החום נמצאה יעילה באספקת נתיב הולכת חום מהמעבד וערכת השבבים החמים (סך הכל 6 וואט) אל משטח המארז, אשר בהמשך פיזר את החום אל הסביבה החיצונית (טמפרטורת תא הבדיקה).
צומת החום עמדה בתנאי הגדרת היצרן כאשר נעשה שימוש בקירור בהולכת חום, גם עם התוספת של עומסי החום של 10 וואט בתוך המארז (נגדי הספק).
עם זאת, הייתה חריגה ממפרט צומת החום המרבי כאשר לא היה נתיב הולכת חום עבור החום לעבר חלק המארז החיצוני. מצב זה נבע מהעובדה שהספק של 6 וואט התפזר אל האוויר שבחלל הפנימי עם עומס החום של 10 וואט. יעילותם של גופי קירור מסורתיים ניכרת במערכות שבהן יש פתחי אוורור ומאווררי קירור, כאשר אוויר מאולץ מסלק באופן פעיל את החום. התוצאות של הבדיקות מראות שבמעגלי מחשב SBC מבוססי Atom אין אפשרות להשתמש בגופי קירור מסורתיים על היע”מ ועל שבבי ערכת השבבים במארזים אטומים, אשר מגיעים לטמפרטורה של 70 מעלות צלזיוס, אם קיימים מקורות חום פנימיים נוספים, מפני שעליית הטמפרטורה הפנימית כמעט שאינה מוגבלת (בריחה תרמית). בסעיף בדיקה ראשונה למעלה, צומת החום עלתה ב-34 מעלות צלזיוס לעומת טמפרטורת המארז גם עם עומס חום נוסף של 2 וואט בלבד. נקודה A מראה תנאים של בריחה תרמית כאשר יש חריגה ממפרט החום Tj המרבי. טמפרטורת צומת החום חרגה מ-100 מעלות צלזיוס ללא נתיב הולכת חום אל הלוח. אסור להעמיד בסכנה את ביצוען של משימות כתוצאה מתכנון לקוי של מעברי חום.
מעגל המחשב Aurora SBC של Diamond הוא מחשב במעגל יחיד (בגודל PC/104 עם הרחבות PCI Express ו-ISA) הראשון שיש לו קירור בהולכת חום, אשר מפשט במידה רבה את תכנוני התיבות האטומות ומגדיל מאוד את הפונקציונליות ומהירות המעבד האפשריים בתוך מארזים קטנים בלי לסכן את האמינות.
