坚固耐用的计算机系统的热管理方法之旅

当 CPU 变得太热时会发生什么？器件内的电路运行速度较慢，这可能导致系统性能不佳。坚固耐用的任务关键型计算机系统的设计必须将热管理视为系统级问题。

芯片中通常内置了两级保护，以防止其过热。第一种是关键关机，当触发时，将关闭整个设备以防止物理损坏。第二个是节流，处理器的时钟只是减慢了速度。英特尔处理器支持的限制通常在比关机更低的温度阈值下发生。

例如，英特尔酷睿处理器根据处理器工作负载及其散热环境自动限制其性能。从理论上讲，这是冷却使用增加功率后升温的系统的一种好方法。但是，在任务关键型环境中，不需要受限制的处理器。对于国防应用，如电子战 （EW） 和情报、监视和侦察 （ISR），需要一致的确定性性能，处理器限制可能会对任务成功产生不利影响。

处理器限制（有时也称为动态频率缩放）在计算机体系结构中用于调整处理器的时钟频率或每单位时间执行的指令。限制时钟频率会导致处理器运行得更慢、做更少的工作、使用更少的功率，从而产生更少的热量。当器件的工作时钟正常减慢时，温度会下降，从而防止定时错误。

保持冷静

传统服务器、台式机或笔记本电脑的热管理相当简单。通常，系统设计人员可以提出风扇、散热器、热管冷却器和其他组件的组合，使系统保持在相对凉爽的工作范围内。然而，坚固耐用的军用计算机是不同的：军事平台在空中、地面或海上遇到的恶劣条件排除了许多传统冷却方法的使用，或者需要实质性的改变和/或限制。

例如，典型的冷却风扇的工作原理是将计算机内部的空气与外部较冷的环境空气交换。但是，如果环境空气中充满了灰尘、湿度、盐雾或烟雾怎么办？如果引入系统，所有这些情况都可能有害。考虑必须在低压区（高海拔）运行的任务。有时在较高的海拔地区，没有足够的空气来充分传递热量。

每个设计挑战都必须考虑整个系统，选择最能满足成品要求的组件和解决方案。

对于坚固耐用的应用，通常需要多种热管理技术来保护系统的内部组件。

传导冷却

传导冷却被定义为热量通过固体传递。一个常见的例子是安装在冷板上的传导冷却底盘（图1）。电子设备在机箱内部产生的热量流入机箱的铝制侧壁并向入冷板。由于热能想要从源头移动到另一种更冷的介质，因此热量从芯片传递到低温冷板。

图1 |传导冷却底盘将热量从芯片传递到低温冷板。

在板级，传导冷却是通过将热量从组件通过传导框架传递到卡边缘和机箱的“冷壁”来完成的。为了最大限度地将热量从组件传递到冷壁，重要的是最小化该路径的热阻，这可以通过使用热阻低的材料和夹紧力较高的楔形锁来完成。

多年来，传导冷却一直是坚固耐用系统热管理的支柱。虽然它仍然起着重要作用，但导热冷却本身可以消散多少是有限的。大多数传统的传导冷却方法无法分散当今较热的卡产生的热量：曾经拥有50瓦卡是司空见惯的，120瓦到200瓦的卡正变得越来越普遍。

对流（空气）冷却

对流冷却使用气流将热量从卡传递到环境空气中。使用这种方法，空气必须保持比卡明显低得多的冷却剂才能有效地工作，因为空气是一种热容量低的不良冷却剂。对流冷却有两种基本类型：一种依赖于自然气流，另一种需要通过风扇强制气流。在电路板层面，需要注意确保下游器件得到充分冷却。空气温度在经过卡时会升高，结果下游设备正在用更热的空气冷却。

气流冷却

由于卡需要越来越多的功率，传统的导电或对流冷却方法变得不太可行。这就是空气流通（AFT）冷却的用武之地。AFT技术使用热交换器框架，可防止冷却空气与电子设备接触。在卡的入口侧和排气侧，安装在机箱内的垫圈将卡的内部空气通道密封到机箱侧壁（图2）。这些密封件可防止空气吹入机箱，并保护内部电子设备免受恶劣的外部环境的影响。

图2 |AFT技术使用热交换器框架。

对于需要高功率密度的系统，AFT冷却是最可靠的主动冷却解决方案之一。通过提供低阻力的热路径，AFT 冷却机箱可以提供每个插槽高达 200 瓦的冷却能力、环境密封以适应最恶劣的环境，并且无需与液体或蒸发冷却相关的外来材料或流体即可进行冷却。

AFT的好处之一是冷却空气非常靠近基卡和夹层卡上的大功率组件，从而提供了通往冷却环境空气的直接路径。由于空气不与组件直接接触，因此可以使用“脏”空气。

此外，每个AFT卡都有自己的入口和排气口，而不是必须共享冷却空气或共享它们传导热量的热界面。除了冷却空气之外，没有其他冷却路径（尽管实际上存在平行传导路径）。此设置允许从热角度隔离查看每张卡。系统级别的关键方面是确保通过所有卡的平衡气流，以便每个卡都有所需量的冷却空气，以保持组件处于适当的温度。

鉴于AFT在设计简单、重量效率和低热阻方面的优势，AFT冷却技术是传感器处理等大功率应用的理想选择。

液体流通式冷却

对于功率密度高于 200 瓦的卡，需要不同的冷却方法，因为空气不是传递热量的最有效介质。这就是液体流通 （LFT） 冷却的用武之地。虽然在某些方面与AFT相似，但LFT使用液体冷却框架（图3），该框架采用入口和出口快速断开（QD）液体连接器，并在机箱/系统级别使用液体泵。虽然这可能会增加一些重量，但泵比风扇需要更少的功率来运行。

图3 |液体流通式冷却在机箱/系统级别使用带有泵的入口和出口快速断开液体连接器。

LFT的冷却能力得到增强。例如，LFT系统中常用的流体是聚α烯烃（PAO）油，其导热效率是空气的五倍。这意味着基于LFT的系统理论上可以将卡冷却到1，000瓦。随着处理设备的功耗不断增加，可能需要 LFT 来最大限度地提高这些设备的实用性。

流体流通式冷却

Curtiss-Wright 为一种称为流体流通 （FFT） 冷却的系统申请了专利（图 4）。在这种情况体可以是液体或空气。主要区别在于FFT使用内置于机箱中的固定通道（风冷或液冷）。此外，它还使用传导冷却模块 - 连接到印刷线路板（PWB）的传导框架。FFT可实现高净气流量，因为不需要密封，并支持使用标准传导卡。

图4 |在流体流通（FFT）系统中，流体可以是液体或空气。

存在多种热管理解决方案（表 1），每种解决方案对不同功率水平的适用性各不相同。在设计坚固的计算机系统时，将热管理视为系统级问题非常重要，因为专注于卡级的热管理无法考虑半封闭系统中安装在一起的所有模块如何相互影响。

表1 |X422 依靠 ML 和 AI 来处理大量数据并将其转化为可操作的情报。照片由通用微系统公司提供。

审核编辑：郭婷