להתקדם במהירות תוך שמירה על ראש צלול: פיתרון קירור חכם למען ביצועי מעבד ללא-תקדים

מאת: Konrad Pfaffinger, Congatec AG

האלקטרוניקה הופכת לקטנה יותר ובעלת יכולות מוגברות יותר. אולם ככל שתפקודי הרכיבים וצפיפויות המארזים על השבב ועל הכרטיס גדלים, כך נוצר יותר חום ליחידת שטח. קונספט הקירור החדש, עליו הוגשה בקשה לפטנט, של congatec עבור מודולי COM Express סולל את הדרך אל עליית ביצועים עתידית.

קונספט המחשב-על-מודול, כרטיס הנושא ומודול המחשב

ביצועים לוהטים
החום איננו מתפשט באופן שווה על-פני מעגל מודפס. בקרבת המעבדים והשבבים נוצרים מוקדי חום, מאחר שרכיבים אלה מייצרים את החום הכבד ביותר. מסיבה זו, למעבדים הוענקו מנגנונים מובנים כדי להגן נגד חימום-יתר והנזקים הנובעים מכך. המשתמשים מבקשים לנצל את פוטנציאל הביצועים המלא. הפחתת קצב השעון של ה-CPU, או השתקת המעבד, יכולות להוות רק פיתרון לשעת חירום. דרושים קונספטי קירור חדשים כדי לאפשר למשתמשים לנצל עד תום את כוח המחשוב הקיים. פתרונות קירור קיימים הגיעו כבר לגבולם בשעה שהמגמה לקראת יתר ביצועים מוסיפה לגדול ללא הפסק.
מושג ה-COM Express המודולרי יכול לסלול את הדרך לקראת עלייה עתידית של הביצועים. מודולים חדשים יותר וחזקים יותר מותקנים בנקל על כרטיסי לקוח קיימים. בעוד פיתרון התכנון הניתן לשנותו מסייע ללקוחות ליצור במהירות ובזול מגוון רחב של יישומים, ביצועים מלאים תלויים בכך שהמעבד יישאר קר.
תכנוני קירור קלאסיים עבור TDP של עד 35 ואט
תכנון קירור COM הקלאסי דומה לכריך עם הפונקציות השונות המונחות אחת על-גבי השנייה. גוש נחושת או אלומיניום מורכב על השבב כדי לספוג את החום. בין השבב לגוש הנחושת או האלומיניום, ניתן למקם חומר מְשנה-מופע אופציונלי כדי למתן את השפעת השיאים התרמיים. כדי להתגבר על הגבהים ואפיצויות הייצור השונים של הרכיבים, השכבה הבאה היא חומר מוליך תרמית, מאזנת-גבהים, המכונה מילוי המירווח. השכבה האחרונה מורכבת ממפזר-חום, לוח אלומיניום או נחושת בעובי של כ-3 ממ’. כל החום הנוצר במודול מפוזר על-גבי מפזר החום השלם.
ממדי המודול והממשקים שלו מוגדרים על-ידי מפרט ה-COM Express. בעוד תקינה זו מבטיחה תאימות, מפרטי הממדים יכולים לומר שמפזר החום אינו חייב להיות כה גדול כפי שנבקש. כתוצאה מבנה קירור זה מתאים רק עבור מודולים בעלי פיזור הספק מרבי של 35 ואט.

תאור הרכיבים הפרטניים של פיתרון צינור הקירור של congatec

נקודות חמות בלתי-רצויות
מודולי COM Express חדישים דוגמת ה-conga-BM67 כוללים Intel®CoreTM i7 או i5. פיזור ההספק של מעבדים אלה גבוה משמעותית מ-35 ואט ונקודות חמות מסביב למעבד ולשבב הופכות לבעיה אמיתית. דרוש קונספט קירור משופר כדי להוריד את טמפרטורת ה-CPU, דבר מכריע כאשר משתמשים בטכנולוגיית Turbo Boost מהדור השני כדי להשיג ביצועים מרביים ויעילות אנרגיה. כתוצאה, המעבד יכול לפעול מעל רמות ההספק התרמי המוצרות לפי התכנון.

תרמוגראמה המשווה פיתרון קירור COM תקני עם פיתרון צינור הקירור הממוטב של congatec. הפיזור של מקורות החום החדים נראה בבירור.

מבנה בסיסי של פיתרון הקירור המיטבי עבור מודולים-על-מחשב

מגבלות הפיתרון המקובל
כדי להשיג תוצאות פיזור החום הטובות ביותר, דרוש חיבור תרמי מושלם אל מערכת הקירור. המוליכות התרמית של חומר מילוי המירווח מוגבלת. כאשר הפסדי ההספק גבוהים, שכבת מילוי המירווח הופכת באופן בלתי-נמנע לדקה יותר. שכבות מילוי המירווח דקות הן בעלות אפיצויות מכניות נמוכות יותר. כדי לפצות עבור ההפרשים בגובה הרכיבים יש להפעיל יתר לחץ. בלחץ מסוים המעגל המודפס יתכופף, דבר הגורם בתורו לנזק מכני של החיבורים. נקודות הלחמה של מבני מערך סריג כדורי (ball grid array – BGA) או vias על הכרטיס עלולות להישבר. יכולת הקירור תלויה במידה גדולה בכמות החומר סופג-החום המושקעת ובשטח פיזור החום. הנחושת היא יקרה; גופי קירור גדולים הם כבדים ודורשים מקום שאיננו לרוב בנמצא. לכן הגדלת גודל גוף הקירור איננה פיתרון בר-קיימא לטווח ארוך.

צינור החום (Heat Pipes) – ברירה רצויה?
במחשבים ניידים משתמשים בצינורות חום כדי לפתור את הבעיה. צינורות החום מוליכים כ-100 עד 1000 פעם יותר חום מאשר צינור שווה-ערך העשוי מנחושת מוצקה. הסוד טמון בעובדה הפיסיקלית שאנרגיה נספגת במהלך האידוי ומשוחררת במהלך העיבוי. צינור החום מחובר הן לממשק חם ולממשק קר וממולא בנוזל עבודה. הוא מתאדה בקצה החם ומתעבה בקצה הקר. החומר המעובה חוזר לממשק החם דרך פעולה קפילרית והמחזור מתחיל מחדש. מאחר שצינור החום מכיל וקום, נוזל העיבוד מתאדה גם בטמפרטורות נמוכות. הכוחות הקפילריים תלויים במבנה צינור החום. הגיאומטריה והמיקום משפיעים על קצב העברת נוזל העבודה, ומשפיעים על-ידי כך גם על ביצועי הקירור. יש להתחשב גם ברדיוס הכיפוף, קוטר צינור החום ותנאי ההרכבה. מחשב נייד מספק מקום יחסית רחב כדי למקם פיתרון צינור החום. בניגוד לכך, מודולי COM צריכים להתחבר תמיד לפיתרון הקירור במצב גיאומטרי זהה במערכת, מאחר שהמודולים ניתנים להחלפה ביניהם.
הקירור הקלאסי פוגש את צינור החום
(Heat Pipes)
קירור נקודתי מהיר, חיבור תרמי טוב, ביטול המאמץ המכני וביצועי קירור משופרים, תוך שמירה על הממדים הגיאומטריים – להשיג את כל הדרישות הללו נראה כמו לבקש את הבלתי-אפשרי. אולם, congalec התגברה על האתגר על-ידי צירוף מתוחכם של הפיתרון הקלאסי עם צינור חום אשר עבר שינויים מבניים. שלא כמו התכנון הקלאסי, צינור חום שטוח משמש להעברת החום מהשבב אל לוח פיזור החום. צינור החום מותקן ישירות אל גושי הקירור על השבב ולוח פיזור החום. כתוצאה, יותר חום מועבר מסביבת המעבד אל לוח פיזור החום, נקודות חמות מקוררות מהר יותר והמעבד מקורר באופן מיטבי יותר. קפיצים ספירליים בעלי ממתח קפיצי מוגדר, כמו גם צינור החום עצמו, בעל הגובה הגמיש, מפעילים לחץ אופטימלי על שבב המעבד.
אפיצויות ייצור בתהליך ההלחמה או הבדלי גובה בין השבבים ניתנים לאיזון בכל כיוון, כך ששכבת מילוי המירווח הופכת לבלתי-הכרחית. זהו יתרון נוסף מאחר שכאשר חומרי מילוי המירווח מתחממים הם עשויים להדליף שמן סיליקון, שיכול להוביל לתוצאות שליליות במקום כלשהו במערכת. אי-רציפויות במפזר החום תואמות את צינור החום השטוח, ושומרות בכך על הגובה. בממשק החם צינור החום מונח חופשי על אי-רציפות; בקצה העיבוי הוא מונח על חריץ רחב בלוח פיזור החום. דבר זה מבטיח שיש די מקום להטיית הצינור תוך שמירה על חיבור תרמי מושלם בשני הקצוות.

מודול קירור חדש משרה רעיונות חדשניים של הלקוחות
פיתרון הקירור החדש של congatec מספק מטרה לרעיונות חדשניים של לקוחות. לדוגמה, צינור החום ניתן לתכנון כך שניתן לחברו לגוף קירור מיוחד של הלקוח. תכנונים ללא-מאוורר אפשריים בתנאי שהמארז מצויד בסנפירי קירור בעלי ממדים תואמים. לבסוף, התכנון תלוי ביישום הספציפי. תכונות המפתח של הקונספט ניתנות למימוש על מעגלים אלקטרוניים אחרים. נקודות חמות נוצרות גם במודולי הספק. מעגלי מוליכים למחצה במיישרים ומהפכים, לדוגמה, יכולים ליהנות מיתרון הקירור היעיל, הזול, קטן-הממדים הזה.

אורך החיים של המוצר מתארך בגין הרזרבות התרמיות
פיתרון הקירור החדש מתאים גם למערכות בעלות פיזור הספק נמוך. למודולים רזרבות תרמיות גבוהות יותר, דבר המאריך את אורך החיים והאמינות שלהם. פיחות ממוצע של הטמפרטורה של רק 5 מעלות קלווין יכול להכפיל את משך החיים הסטטיסטי, נימוק משכנע כאשר שוקלים את העלות הכוללת במהלך אורך החיים של המערכת.

היתרונות במבט אחד:
קירור נקודתי מהיר לשם ביצועים מלאים
ביטול שכבת מילוי המירווח
ביטול המאמץ המכני מוביל לאיכות גבוהה יותר
קירור טוב יותר מאריך את משך החיים של המודול
עיקרון צינור החום מאפשר רעיונות קירור חדשניים של הלקוחות
סיכום:
פיתרון הקירור החדש של congatec המועמד לפטנט עבור מודולי COM סולל את הדרך לקראת ממדים חדשים של ביצועים.
על המחבר
Konrad Pfaffinger למד הנדסת חשמל והנדסה מכנית לפני שהצטרף ל-congatec ב-2006. תפקידו העיקרי ב-congatec הוא פיתוח מודולי מחשב והמנגנון שלהם ותפקיד זה הוליד מוצרים ופיתרונות חדשניים.