Sulautettujen piirilevyjen lämmönhallintaratkaisut

Lisääntyvä reunaprosessointi, suorituskykyparannukset ja sulautettujen alustojen miniatyrisointi ovat johtaneet kasvaneeseen virrankulutukseen ja lämmöntuotantoon, mistä aiheutuu kuumia alueita. Lämpörasitus voi merkittävästi heikentää sulautettujen järjestelmien suorituskykyä ja aiheuttaa jopa koko järjestelmän vikaantumisen. Pitkäaikainen altistuminen liialliselle kuumuudelle myös lyhentää elektroniikkakomponenttien käyttöikää.

Lämmönhallintatekniikoiden ymmärtäminen on ratkaisevan tärkeää, jotta laite voidaan pitää parhaassa mahdollisessa toimintakunnossa. Elektroniikkateollisuuden kehitys on lisännyt tarvetta innovatiivisille lämmönhallintatekniikoille, jotka parantavat järjestelmien luotettavuutta ja suorituskykyä. Market Research Futuren mukaan maailmanlaajuisten lämmönhallintamarkkinoiden odotetaan nousevan 20,3 miljardiin Yhdysvaltain dollariin vuoteen 2030 mennessä, ja alan yhdistetty vuotuinen kasvuvauhti on arviolta 8 prosenttia vuosina 2022–2030.

Lämpötekniset tarvikkeet ovat käytön aikana muodostuvan lämmön vuoksi elintärkeitä lukuisissa erilaisissa elektroniikkatuotteissa, eikä tämä koske ainoastaan FPGA-siruja. Riittävä lämmönhallinta on tärkeää näiden laitteiden suorituskyvyn, luotettavuuden ja pitkäikäisyyden säilyttämiseksi. Seuraavassa syitä sille, miksi lämpötekniset tarvikkeet ovat tärkeitä monissa erilaisissa tuotteissa:

1. Mikroprosessorit ja suoritinyksiköt:

• Lämmöntuotanto: erityisesti huipputehokkaiden tietokoneiden ja palvelimien suoritinyksiköt tuottavat merkittävästi lämpöä intensiivisten laskentatehtävien vuoksi.
• Lämpötekniset tarvikkeet: jäähdytyselementit, lämpötahna ja jäähdytystuulettimet ovat kriittisiä elementtejä lämmön poistamisessa. Näin voidaan välttää lämpötekninen kellotaajuuden rajoittaminen ja varmistetaan stabiili suorituskyky.

2. Näytönohjaimet (GPU):

• Suuri virrankulutus: Näytönohjaimet kuluttavat paljon virtaa ja tuottavat huomattavan määrän lämpöä erityisesti pelaamisessa, tekoälysovelluksissa ja tietojenkäsittelyssä.
• Lämmönhallinta: suurien jäähdytyselementtien, tuulettimien ja jopa nestejäähdytyksen kaltaiset jäähdytysratkaisut ovat välttämättömiä optimaalisen lämpötilan ylläpitämiseksi, ylikuumenemisen estämiseksi ja korkean suorituskyvyn säilyttämiseksi.

3. Virtalähteet (PSU):

• Lämmön haihtuminen: virtalähteet muuntavat vaihtovirtaa tasavirraksi, mistä aiheutuu huomattavia energiahäviöitä lämpönä.
• Jäähdytysratkaisut: aktiivinen jäähdytys tuulettimilla ja passiivinen jäähdytys jäähdytyselementeillä ovat välttämättömiä virtalähteen hyötysuhteen ja pitkäikäisyyden säilyttämiseksi.

4. Muistimoduulit (RAM, DRAM):

• Toiminnan vakaus: nopeat muistimoduulit voivat tuottaa lämpöä, mikä voi hallitsemattomana johtaa tietojen korruptoitumiseen ja järjestelmän epävakauteen.
• Lämpötekniset tarvikkeet: lämmönlevittäjiä ja jäähdytystuulettimia käytetään lämmön haihduttamiseen ja tietojen eheyden ja tiedonsiirtonopeuden ylläpitämiseen.

5. Verkkolaitteet (reitittimet, kytkimet):

• Jatkuva toiminta: verkkolaitteet toimivat usein keskeytyksettä, mikä johtaa jatkuvaan lämmöntuotantoon.
• Jäähdytysvaatimukset: jäähdytyselementit, tuulettimet ja toisinaan käyttöympäristön jäähdytys (kuten ilmastointi palvelintiloissa) ovat välttämättömiä tasaisen suorituskyvyn varmistamiseksi ja toimintahäiriöiden estämiseksi.

6. Sulautetut järjestelmät:

• Kompaktin suunnittelun haasteet: sulautetut järjestelmät toimivat usein kooltaan rajallisissa ympäristöissä, joissa lämmön haihduttaminen on vaikeaa.
• Lämpötekniset ratkaisut: näissä kompakteissa järjestelmissä käytetään lämmönhallintaan mukautettuja jäähdytyselementtejä, jäähdytysteippejä ja jäähdytyksellä varustettuja erikoiskoteloja. Näin varmistetaan luotettavuus teollisuuden ja autoalan sovelluksissa.

7. Mobiililaitteet (älypuhelimet, tabletit):

• Lämpörajoitukset: mobiililaitteet ovat kompakteja, ja niissä on sekä rajallisesti jäähdytystilaa että suorituskykyiset suorittimet ja akut, jotka tuottavat lämpöä.
• Innovatiivinen jäähdytys: lämmön hallintaan käytetään lämpöteknistä kellotaajuuden rajoittamista, grafiittisia lämmönlevittäjiä ja edistyneitä materiaaleja laitteen kokoa kasvattamatta.

8. Akut ja sähkön varastointi:

• Turvallisuus ja pitkäikäisyys: erityisesti sähköajoneuvojen ja suurikapasiteettisten varastointijärjestelmien akut tuottavat lämpöä latauksen ja purkamisen aikana.
• Lämmönhallinta: jäähdytysjärjestelmät nestejäähdytys mukaan luettuna, lämmönhallintajärjestelmät ja lämmönkestävät materiaalit ovat kriittisessä asemassa estämään ylikuumenemisen, joka voi lyhentää akun käyttöikää tai aiheuttaa jopa vaaratilanteita.

9. Tietoliikennelaitteet:

• Jatkuva lämpökuormitus: tukiasemat, antennit ja muut tietoliikennelaitteet tuottavat jatkuvasti lämpöä käytön aikana.
• Tarvittava jäähdytys: jäähdytyselementit, tuulettimet ja ilmastoidut kotelot ovat välttämättömiä laitteiden luotettavuuden ja palvelun saatavuuden ylläpitämiseksi.

10. Huipputehokkaat tietojenkäsittelyjärjestelmät (HPC):

• Äärimmäinen lämmöntuotto: tieteellisessä tutkimuksessa, tekoälyssä ja tietojen massa-analyysissä käytetyissä HPC-järjestelmissä käytetään tiheitä tietojenkäsittelyklustereita, jotka tuottavat huomattavasti lämpöä.
• Edistynyt jäähdytys: nestejäähdytys, upotusjäähdytys ja sofistikoituneet ilmajäähdytysjärjestelmät ovat elintärkeitä lämmön hallinnassa sekä keskeytymättömän ja nopean toiminnan varmistamisessa.

Lämpötekniset tarvikkeet ovat välttämättömiä monenlaisissa elektroniikkatuotteissa, ei pelkästään FPGA-siruissa. Niillä on tärkeä rooli lämmön poistamisessa, ylikuumenemisen estämisessä ja laitteiden luotettavan ja tehokkaan toiminnan varmistamisessa. Ilman riittävää lämmönhallintaa elektroniikkatuotteet voivat kärsiä suorituskyvyn heikkenemisestä, epävakaudesta ja jopa katastrofaalisesta vikaantumisesta. Lämmönhallintaratkaisujen valinta riippuu tuotteen erityisvaatimuksista, mukaan lukien sen virrankulutus, koko ja käyttöympäristö.

Yleiset lämmönpoistotekniikat sulautetuissa ratkaisuissa

Lämmönpoistotekniikoiden merkitys kasvaa järjestelmien koon pienentyessä ja tehon kasvaessa. Suunnittelijat voivat käyttää komponenttien ja piirilevyjen lämmönpoistoon useita menetelmiä ja ratkaisuja, muun muassa:

Jäähdytyselementit ja jäähdytystuulettimet – jäähdytyselementit ovat lämpöä johtavia metalliosia, joilla on suuri pinta-ala ja jotka toimivat passiivisina lämmönvaihtimina poistaen lämpöä ympäröivään ilmaan lämmönjohtumisen kautta. Jäähdytystuuletinten lisääminen jäähdytyselementteihin auttaa poistamaan lämpöä nopeammin ja tehokkaammin. Tämä yhdistelmä on yksi yleisimmistä ja tehokkaimmista menetelmistä sulautettujen järjestelmien jäähdyttämiseen erityisesti ympäristöissä, joissa ilmavirtaus on rajallinen.

Kuva 1: Tämä jäähdytystuulettimella varustettu jäähdytyselementti auttaa lämmön poistamiseen osista, joihin se on asennettu. (Kuvan lähde: iWave)

Lämpöputkien integrointi – lämpöputket ovat jäähdytyslaitteita, joita käytetään korkean lämpötilan sovelluksissa. Tyypillisessä lämpöputkessa neste imee lämpöä, höyrystyy ja kulkee putkea pitkin. Lauhdutinpäässä höyry muuttuu takaisin nesteeksi, ja sykli toistuu. Lämpöputkien hyötysuhde on erittäin korkea, ja ne voivat siirtää lämpöä pitkiä matkoja, joten ne sopivat ihanteellisesti pienikokoisiin ja korkean tiheyden elektroniikkalaitteisiin.

Lämmönlevittimet – lämmönlevittimillä on suuri pinta-ala, joka painetaan yleensä suoraan toista suurta tasaista pintaa vasten. Ne mahdollistavat lämmönsiirron pienemmästä komponentista suurempaan metallipintaan. Lämmönlevittimet sopivat ihanteellisesti laitteisiin, joiden on kestettävä äärimmäisiä iskuja ja tärinää tai jotka sijaitsevat suljetussa kotelossa. Ne tarjoavat robustin lämmönhallintaratkaisun lujatekoisiin ja suljettuihin sulautettuihin järjestelmiin.

Termosähköiset jäähdyttimet (TEC) – termosähköiset jäähdyttimet sopivat ihanteellisesti järjestelmiin, joissa komponenttien lämpötila on pidettävä vakiona. Paljon tehoa synnyttävissä suorittimissa käytetään yleensä termosähköisen jäähdytyksen, ilmajäähdytyksen ja nestejäähdytyksen yhdistelmää. Näin voidaan ylittää tavanomaiset ilmajäähdytyksen rajat. Termosähköiset jäähdyttimet voivat jäähdyttää komponentit kylmemmiksi kuin ympäristön lämpötila, mikä mahdollistaa tarkan lämpötilan hallinnan.

Lämmönsiirtoreitit – lämmönsiirtoreitit käyttävät kuparin täyttämiä alueita ja ne sijoitetaan lähelle virtalähteitä. Tässä menetelmässä lämpö virtaa komponenteista kuparialueelle ja haihtuu ilmaan lämmönsiirtoreittien kautta. Lämmönsiirtoreittejä käytetään usein tehonhallintamoduuleissa ja lämpöteippiä käyttävissä komponenteissa parantamaan piirilevyn lämmönjohtavuutta.

Nestejäähdytysjärjestelmät – nesteet voivat siirtää lämpöä neljä kertaa ilmaa nopeammin, mikä mahdollistaa paremman lämpöteknisen suorituskyvyn pienemmissä ratkaisuissa. Nestejäähdytysjärjestelmä koostuu lämmönlähteeseen liitetystä jäähdytyslevystä tai jäähdytetystä kotelosta, nestettä kierrättävästä pumpusta tai kompressorista sekä lämmönvaihtimesta, joka poistaa ja dissipoi lämmön turvallisesti. Nestejäähdytys on erityisen tehokasta korkeatehoisissa sovelluksissa ja tiheästi pakatuissa elektroniikkakokoonpanoissa.

iWaven lämpötekniset ratkaisut

iWaven mekaniikkasuunnittelijoiden asiantuntijatiimi suunnittelee jäähdytyselementtejä, tuuletinjäähdyttimiä ja koteloita, jotka on räätälöity tuotteiden lämpöteknisten ominaisuuksien mukaan. Insinöörit käyttävät lämpösimulaatio-ohjelmistoa, jonka avulla he voivat määrittää parhaat kyseiseen sovellukseen sopivat jäähdytysmenetelmät ja ymmärtää niihin liittyvät lämpöparametrit. Tämä parantaa lopulta tuotteen yleistä luotettavuutta.

Lämpövirtausreittien analysointi

iWaven insinöörit voivat simuloida laitteen lämpövirtausreittejä Ansys Icepakin kaltaisten työkalujen avulla. Tämä analyysi auttaa kuumien alueiden paikantamisessa ja jäähdytyskomponenttien sijoittamisen optimoinnissa. Kun suunnittelijat ymmärtävät järjestelmän läpi kulkevan lämmön reitit, he voivat suunnitella tehokkaampia lämmönhallintaratkaisuja.

Räätälöityjen jäähdytyselementtien suunnittelu

iWave suunnittelee räätälöityjä jäähdytyselementtejä, jotka sopivat kunkin projektin yksilöllisiin tarpeisiin. Suunnitteluprosessissa lasketaan teoreettiset lämmön haihtumisarvot pinta-alojen ja materiaaliominaisuuksien perusteella. Tämän jälkeen insinöörit käyttävät simulointiohjelmistoa näiden mallien testaamiseen varmistaakseen, että ne tarjoavat riittävän jäähdytyksen erilaisissa käyttöolosuhteissa.

Jäähdytysmenetelmät aktiivisille komponenteille

Suunnitteluvaiheessa otetaan huomioon myös aktiiviset jäähdytysmenetelmät, kuten termosähköisten jäähdyttimien ja jäähdytystuuletinten integrointi. iWave arvioi kunkin menetelmän edut ja rajoitukset ja valitsee kuhunkin sovellukseen tehokkaimman ja kustannustehokkaimman ratkaisun.

Lämmönhallintaratkaisut kaikkiin kokoluokkiin

iWave tarjoaa lämmönhallintaratkaisuja kaikkiin kokoluokkiin, mukaan lukien OSM, SMARC, Qseven ja SODIMM. Näissä ratkaisuissa käytetään AL6063-alumiiniseosta sen erinomaisten materiaaliominaisuuksien vuoksi. Alumiini on erinomainen johdin, ja se on myrkytön, kierrätettävä ja erittäin kestävä, joten se sopii erinomaisesti lämmön siirtämiseen pois komponenteista.

Tuotesuunnittelijat voivat vähentää käyttöönottokustannuksia yrityksen sisäisillä lämmönhallintaratkaisuilla eliminoimalla suunnitteluviiveet, julkaistujen tuotteiden vikaantumiset ja tuoteiteraatiot. Laitteen synnyttämän lämmön poistaminen parantaa hyötysuhdetta ja luotettavuutta sekä varmistaa tuotteen pitkäikäisyyden.

Yhteenveto

Sulautettujen järjestelmien kasvava kompleksisuus ja tehotiheys edellyttävät kehittyneitä lämmönhallintatekniikoita. Suunnittelijat voivat varmistaa laitteidensa optimaalisen suorituskyvyn ja luotettavuuden käyttämällä erilaisia lämmönpoistomenetelmiä jäähdytyselementeistä ja jäähdytystuulettimista nestejäähdytysjärjestelmiin sekä lämmönsiirtoreitteihin. iWaven kaltaiset yritykset tarjoavat tuotteidensa erityistarpeisiin räätälöityjä erikoistuneita lämmönhallintaratkaisuja, joiden suunnittelussa on hyödynnetty edistyneitä simulointityökaluja ja modernin elektroniikan haasteisiin vastaavia räätälöityjä ratkaisuita.

Kysy lisätietoja iWaven asiantuntemuksesta lämmönhallintaratkaisuissa ottamalla heihin suoraan yhteyttä.