當(dāng) CPU 變得太熱時(shí)會(huì)發(fā)生什么？器件內(nèi)的電路運(yùn)行速度較慢，這可能導(dǎo)致系統(tǒng)性能不佳。堅(jiān)固耐用的任務(wù)關(guān)鍵型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須將熱管理視為系統(tǒng)級問題。

芯片中通常內(nèi)置了兩級保護(hù)，以防止其過熱。第一種是關(guān)鍵關(guān)機(jī)，當(dāng)觸發(fā)時(shí)，將關(guān)閉整個(gè)設(shè)備以防止物理損壞。第二個(gè)是節(jié)流，處理器的時(shí)鐘只是減慢了速度。英特爾處理器支持的限制通常在比關(guān)機(jī)更低的溫度閾值下發(fā)生。

例如，英特爾酷睿處理器根據(jù)處理器工作負(fù)載及其散熱環(huán)境自動(dòng)限制其性能。從理論上講，這是冷卻使用增加功率后升溫的系統(tǒng)的一種好方法。但是，在任務(wù)關(guān)鍵型環(huán)境中，不需要受限制的處理器。對于國防應(yīng)用，如電子戰(zhàn) （EW） 和情報(bào)、監(jiān)視和偵察 （ISR），需要一致的確定性性能，處理器限制可能會(huì)對任務(wù)成功產(chǎn)生不利影響。

處理器限制（有時(shí)也稱為動(dòng)態(tài)頻率縮放）在計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中用于調(diào)整處理器的時(shí)鐘頻率或每單位時(shí)間執(zhí)行的指令。限制時(shí)鐘頻率會(huì)導(dǎo)致處理器運(yùn)行得更慢、做更少的工作、使用更少的功率，從而產(chǎn)生更少的熱量。當(dāng)器件的工作時(shí)鐘正常減慢時(shí)，溫度會(huì)下降，從而防止定時(shí)錯(cuò)誤。

保持冷靜

傳統(tǒng)服務(wù)器、臺式機(jī)或筆記本電腦的熱管理相當(dāng)簡單。通常，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以提出風(fēng)扇、散熱器、熱管冷卻器和其他組件的組合，使系統(tǒng)保持在相對涼爽的工作范圍內(nèi)。然而，堅(jiān)固耐用的軍用計(jì)算機(jī)是不同的：軍事平臺在空中、地面或海上遇到的惡劣條件排除了許多傳統(tǒng)冷卻方法的使用，或者需要實(shí)質(zhì)性的改變和/或限制。

例如，典型的冷卻風(fēng)扇的工作原理是將計(jì)算機(jī)內(nèi)部的空氣與外部較冷的環(huán)境空氣交換。但是，如果環(huán)境空氣中充滿了灰塵、濕度、鹽霧或煙霧怎么辦？如果引入系統(tǒng)，所有這些情況都可能有害?？紤]必須在低壓區(qū)（高海拔）運(yùn)行的任務(wù)。有時(shí)在較高的海拔地區(qū)，沒有足夠的空氣來充分傳遞熱量。

每個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)都必須考慮整個(gè)系統(tǒng)，選擇最能滿足成品要求的組件和解決方案。

對于堅(jiān)固耐用的應(yīng)用，通常需要多種熱管理技術(shù)來保護(hù)系統(tǒng)的內(nèi)部組件。

傳導(dǎo)冷卻

傳導(dǎo)冷卻被定義為熱量通過固體傳遞。一個(gè)常見的例子是安裝在冷板上的傳導(dǎo)冷卻底盤（圖1）。電子設(shè)備在機(jī)箱內(nèi)部產(chǎn)生的熱量流入機(jī)箱的鋁制側(cè)壁并向入冷板。由于熱能想要從源頭移動(dòng)到另一種更冷的介質(zhì)，因此熱量從芯片傳遞到低溫冷板。

圖1 |傳導(dǎo)冷卻底盤將熱量從芯片傳遞到低溫冷板。

在板級，傳導(dǎo)冷卻是通過將熱量從組件通過傳導(dǎo)框架傳遞到卡邊緣和機(jī)箱的“冷壁”來完成的。為了最大限度地將熱量從組件傳遞到冷壁，重要的是最小化該路徑的熱阻，這可以通過使用熱阻低的材料和夾緊力較高的楔形鎖來完成。

多年來，傳導(dǎo)冷卻一直是堅(jiān)固耐用系統(tǒng)熱管理的支柱。雖然它仍然起著重要作用，但導(dǎo)熱冷卻本身可以消散多少是有限的。大多數(shù)傳統(tǒng)的傳導(dǎo)冷卻方法無法分散當(dāng)今較熱的卡產(chǎn)生的熱量：曾經(jīng)擁有50瓦卡是司空見慣的，120瓦到200瓦的卡正變得越來越普遍。

對流（空氣）冷卻

對流冷卻使用氣流將熱量從卡傳遞到環(huán)境空氣中。使用這種方法，空氣必須保持比卡明顯低得多的冷卻劑才能有效地工作，因?yàn)榭諝馐且环N熱容量低的不良冷卻劑。對流冷卻有兩種基本類型：一種依賴于自然氣流，另一種需要通過風(fēng)扇強(qiáng)制氣流。在電路板層面，需要注意確保下游器件得到充分冷卻。空氣溫度在經(jīng)過卡時(shí)會(huì)升高，結(jié)果下游設(shè)備正在用更熱的空氣冷卻。

氣流冷卻

由于卡需要越來越多的功率，傳統(tǒng)的導(dǎo)電或?qū)α骼鋮s方法變得不太可行。這就是空氣流通（AFT）冷卻的用武之地。AFT技術(shù)使用熱交換器框架，可防止冷卻空氣與電子設(shè)備接觸。在卡的入口側(cè)和排氣側(cè)，安裝在機(jī)箱內(nèi)的墊圈將卡的內(nèi)部空氣通道密封到機(jī)箱側(cè)壁（圖2）。這些密封件可防止空氣吹入機(jī)箱，并保護(hù)內(nèi)部電子設(shè)備免受惡劣的外部環(huán)境的影響。

圖2 |AFT技術(shù)使用熱交換器框架。

對于需要高功率密度的系統(tǒng)，AFT冷卻是最可靠的主動(dòng)冷卻解決方案之一。通過提供低阻力的熱路徑，AFT 冷卻機(jī)箱可以提供每個(gè)插槽高達(dá) 200 瓦的冷卻能力、環(huán)境密封以適應(yīng)最惡劣的環(huán)境，并且無需與液體或蒸發(fā)冷卻相關(guān)的外來材料或流體即可進(jìn)行冷卻。

AFT的好處之一是冷卻空氣非?？拷ê蛫A層卡上的大功率組件，從而提供了通往冷卻環(huán)境空氣的直接路徑。由于空氣不與組件直接接觸，因此可以使用“臟”空氣。

此外，每個(gè)AFT卡都有自己的入口和排氣口，而不是必須共享冷卻空氣或共享它們傳導(dǎo)熱量的熱界面。除了冷卻空氣之外，沒有其他冷卻路徑（盡管實(shí)際上存在平行傳導(dǎo)路徑）。此設(shè)置允許從熱角度隔離查看每張卡。系統(tǒng)級別的關(guān)鍵方面是確保通過所有卡的平衡氣流，以便每個(gè)卡都有所需量的冷卻空氣，以保持組件處于適當(dāng)?shù)臏囟取?/p>

鑒于AFT在設(shè)計(jì)簡單、重量效率和低熱阻方面的優(yōu)勢，AFT冷卻技術(shù)是傳感器處理等大功率應(yīng)用的理想選擇。

液體流通式冷卻

對于功率密度高于 200 瓦的卡，需要不同的冷卻方法，因?yàn)榭諝獠皇莻鬟f熱量的最有效介質(zhì)。這就是液體流通 （LFT） 冷卻的用武之地。雖然在某些方面與AFT相似，但LFT使用液體冷卻框架（圖3），該框架采用入口和出口快速斷開（QD）液體連接器，并在機(jī)箱/系統(tǒng)級別使用液體泵。雖然這可能會(huì)增加一些重量，但泵比風(fēng)扇需要更少的功率來運(yùn)行。

圖3 |液體流通式冷卻在機(jī)箱/系統(tǒng)級別使用帶有泵的入口和出口快速斷開液體連接器。

LFT的冷卻能力得到增強(qiáng)。例如，LFT系統(tǒng)中常用的流體是聚α烯烴（PAO）油，其導(dǎo)熱效率是空氣的五倍。這意味著基于LFT的系統(tǒng)理論上可以將卡冷卻到1，000瓦。隨著處理設(shè)備的功耗不斷增加，可能需要 LFT 來最大限度地提高這些設(shè)備的實(shí)用性。

流體流通式冷卻

Curtiss-Wright 為一種稱為流體流通 （FFT） 冷卻的系統(tǒng)申請了專利（圖 4）。在這種情況體可以是液體或空氣。主要區(qū)別在于FFT使用內(nèi)置于機(jī)箱中的固定通道（風(fēng)冷或液冷）。此外，它還使用傳導(dǎo)冷卻模塊 - 連接到印刷線路板（PWB）的傳導(dǎo)框架。FFT可實(shí)現(xiàn)高凈氣流量，因?yàn)椴恍枰芊?，并支持使用?biāo)準(zhǔn)傳導(dǎo)卡。

圖4 |在流體流通（FFT）系統(tǒng)中，流體可以是液體或空氣。

存在多種熱管理解決方案（表 1），每種解決方案對不同功率水平的適用性各不相同。在設(shè)計(jì)堅(jiān)固的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)，將熱管理視為系統(tǒng)級問題非常重要，因?yàn)閷Ｗ⒂诳壍臒峁芾頍o法考慮半封閉系統(tǒng)中安裝在一起的所有模塊如何相互影響。

表1 |X422 依靠 ML 和 AI 來處理大量數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)化為可操作的情報(bào)。照片由通用微系統(tǒng)公司提供。

審核編輯：郭婷