車載上架設(shè)備CPU風(fēng)冷散熱設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬分析

熊仕鵬 劉 磊 楊 睿 周成果 孔冬冬

（中電科蓉威電子技術(shù)有限公司，成都 610000）

隨著現(xiàn)代工業(yè)對(duì)電子設(shè)備高性能、小型化和抗惡劣環(huán)境適應(yīng)性的要求不斷提高，機(jī)箱的散熱設(shè)計(jì)在高功耗、空間和環(huán)境溫度3個(gè)方面面臨著很大挑戰(zhàn)。首先，高功耗方面。服務(wù)器是數(shù)據(jù)中心的主要功能部件和主要能耗部分，數(shù)據(jù)中心高能耗、高熱流密度的特點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的安全散熱提出了更高的要求[1-2]。例如，騰云S2500是飛騰公司2020年7月發(fā)布的高性能國產(chǎn)服務(wù)器芯片，良好散熱設(shè)計(jì)是其應(yīng)用保證。其次，空間方面。服務(wù)器在室內(nèi)和車載環(huán)境中一般采用上架安裝形式，其外形尺寸由國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。本文針對(duì)1U和2U標(biāo)準(zhǔn)上架機(jī)箱展開散熱分析。最后，環(huán)境溫度方面。相對(duì)室內(nèi)環(huán)境，車載環(huán)境的條件要求更加嚴(yán)格。采用GJB 322A車載加固計(jì)算機(jī)溫度要求作環(huán)境溫度時(shí)，使用散熱方案具有更廣泛的適用性。

1 騰云S2500相關(guān)參數(shù)

騰云S2500是飛騰公司生產(chǎn)的可擴(kuò)展多路服務(wù)器芯片，采用16 nm工藝制造，核心面積約400 mm2，具有64個(gè)FTC663架構(gòu)的核心，支持2～8路中央處理器（Central Processing Unit，CPU）并行。與FT2000+相比，在性能提升的同時(shí)，其設(shè)計(jì)熱功耗也達(dá)到了200 W。騰云S2500散熱設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 騰云S2500散熱設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)表

2 車載環(huán)境溫度

如表2所示，《軍用便攜式計(jì)算機(jī)通用規(guī)范》（SJ 20521—1995）中對(duì)車載GJB 322A加固型有空調(diào)環(huán)境和無空調(diào)環(huán)境計(jì)算機(jī)的高溫要求是分別是40 ℃和50 ℃。本文取嚴(yán)格環(huán)境溫度50 ℃作為設(shè)計(jì)值。

表2 GJB 322A加固型計(jì)算機(jī)車載環(huán)境工作高溫

3 上架機(jī)箱要求

《面板、機(jī)架和機(jī)框的基本尺寸系列》（GJB 100—86）和《插箱、插件基本尺寸系列》（GJB/Z 28A—99）中對(duì)標(biāo)準(zhǔn)上架機(jī)箱和機(jī)柜的外形尺寸作出明確的規(guī)定，針對(duì)1U和2U設(shè)備，其機(jī)箱高度分別為44.45 mm和88.90 mm，標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜深度為400 mm、450 mm、500 mm、550 mm等。綜合考慮室內(nèi)機(jī)房、車載通用機(jī)柜尺寸和服務(wù)器內(nèi)部器件布局等因素，選取機(jī)箱深度為550 mm。

4 散熱方案分析

4.1 散熱方式

已知1U和2U設(shè)備的外形尺寸，根據(jù)電子設(shè)備的熱密度計(jì)算方式，即總功耗除以設(shè)備表面積得到1U和2U設(shè)備的表面熱密度[3]。如表3所示，1U和2U設(shè)備的表面積約為5 839 cm2和6 728 cm2，強(qiáng)迫風(fēng)冷表面系數(shù)為0.31，由最大功耗等于表面積乘以表面系數(shù)計(jì)算得到強(qiáng)迫風(fēng)冷設(shè)計(jì)最大支持的整機(jī)功耗分別是1 810.09 W和2 085.68 W。根據(jù)服務(wù)器的常規(guī)硬件配置（如CPU、主板、內(nèi)存、顯卡、硬盤、電源、風(fēng)機(jī)、網(wǎng)卡和RAID卡等），最大整機(jī)熱功耗1 810.09 W和2 085.68 W基本滿足服務(wù)器配置要求，故采用強(qiáng)迫風(fēng)冷開展設(shè)計(jì)。

表3 1U和2U機(jī)箱表面熱密度計(jì)算

4.2 散熱器設(shè)計(jì)

散熱器的設(shè)計(jì)主要考慮兩個(gè)方面。一方面是如何快速導(dǎo)出熱量。因此，散熱器應(yīng)具備良好的導(dǎo)熱性能，且接觸熱阻應(yīng)盡量小，能夠?qū)?00 W的芯片熱量充分傳導(dǎo)到散熱器上。另一方面是如何快速帶走熱量。由于機(jī)箱空間限制，尤其是1U和2U機(jī)箱厚度方向尺寸限制了散熱器的尺寸，同時(shí)空間影響散熱風(fēng)機(jī)的選擇，因此需合理設(shè)計(jì)風(fēng)冷方案[4-5]。

4.2.1 散熱器材料

在行業(yè)范圍內(nèi)，散熱器主要采用純銅和鋁合金材質(zhì)。從導(dǎo)熱性能上比較，由ANSYS Icepak軟件標(biāo)準(zhǔn)材料庫可知，純銅的熱導(dǎo)率為387.6 W·m-1·K-1，鋁合金6061-T4的導(dǎo)熱率為154 W·m-1·K-1，因此純銅的導(dǎo)熱性能優(yōu)于鋁合金。從經(jīng)濟(jì)性和質(zhì)量等方面比較，鋁合金的制作成本較低，且密度也小于純銅。綜合分析芯片功耗、散熱器導(dǎo)熱率、制作成本和質(zhì)量等因素，散熱器材料可從純銅散熱器和鋁合金散熱器+熱管兩種組合中選取。其中，熱管主要嵌入散熱器基板和鰭片，利用熱管良好的導(dǎo)熱性能將熱量快速傳導(dǎo)到各個(gè)鰭片。

假設(shè)散熱器結(jié)構(gòu)形式一致（基板、鰭片和外形），從熱量傳導(dǎo)效果上對(duì)比，考慮到熱管焊接時(shí)可靠性難以控制等問題，以上方案中純銅散熱器較優(yōu)；從經(jīng)濟(jì)性和質(zhì)量方面對(duì)比，鋁合金散熱器+熱管方案較優(yōu)；分析機(jī)箱結(jié)構(gòu)，1U機(jī)箱的空間有限，且散熱難度更大，因此采用純銅散熱器方案。

4.2.2 接觸熱阻

為減小接觸熱阻，散熱器與芯片接觸面通常采用導(dǎo)熱墊或?qū)峁柚?。與導(dǎo)熱硅脂相比，導(dǎo)熱墊在厚度方向有壓縮量，可以給芯片帶來緩沖和減振效果，更適合較為復(fù)雜的環(huán)境。因此，本文采用導(dǎo)熱墊，根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，其導(dǎo)熱系數(shù)為6 W·m-1·K-1。

4.2.3 風(fēng)機(jī)選擇

風(fēng)機(jī)性能方面，綜合考慮行業(yè)內(nèi)主流風(fēng)機(jī)的特性曲線，從風(fēng)壓和風(fēng)量指標(biāo)上確定風(fēng)機(jī)選型。風(fēng)機(jī)規(guī)格方面，由于1U和2U機(jī)箱厚度方向上空間有限，需結(jié)合機(jī)箱的內(nèi)部布局考慮風(fēng)機(jī)選型。

針對(duì)1U機(jī)箱，其厚度方向尺寸為44 mm，除去機(jī)箱厚度，風(fēng)機(jī)尺寸可選擇40 mm×40 mm及更小的風(fēng)機(jī)。40 mm×40 mm的風(fēng)機(jī)（以下簡稱40風(fēng)機(jī)）尺寸是行業(yè)內(nèi)風(fēng)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，選型范圍較多，本文優(yōu)先選用40風(fēng)機(jī)。另外，由于風(fēng)機(jī)的CPU貼裝于印制板上，而CPU和印制板都需要占用厚度方向空間，但40風(fēng)機(jī)只能放置于印制板外側(cè)，因此風(fēng)機(jī)和散熱器之間應(yīng)增加風(fēng)道，以保證空氣能夠充分在散熱鰭片間流動(dòng)。本文風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)采用某公司的40風(fēng)機(jī)，其外形尺寸如圖1所示，風(fēng)機(jī)特性曲線如圖2所示。

針對(duì)2U機(jī)箱，其厚度方向尺寸為88 mm，減去機(jī)箱厚度，風(fēng)機(jī)尺寸可選擇80 mm×80 mm及更小的風(fēng)機(jī)。為簡化內(nèi)部布局設(shè)計(jì)，選用60 mm×60 mm的風(fēng)機(jī)（以下簡稱60風(fēng)機(jī)）作為散熱風(fēng)機(jī)。60風(fēng)機(jī)和80風(fēng)機(jī)是風(fēng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)尺寸，相較于80 mm×80 mm的風(fēng)機(jī)，60風(fēng)機(jī)在2U空間內(nèi)安裝形式更加靈活。本文風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)采用某公司的60風(fēng)機(jī)，其外形尺寸如圖3所示，風(fēng)機(jī)特性曲線如圖4所示。

5 仿真分析

5.1 散熱方案

1U設(shè)備的散熱器材質(zhì)為純銅，40風(fēng)機(jī)置于主板外側(cè)，距離散熱器較遠(yuǎn)（本文風(fēng)機(jī)與散熱器設(shè)計(jì)距離值為80 mm），因此采取抽風(fēng)方式更有利于風(fēng)量集中。同時(shí)，風(fēng)機(jī)與散熱器之間采用密封風(fēng)道設(shè)計(jì)，能夠避免空氣從印制板底部或散熱器四周逸出；散熱器單側(cè)開通風(fēng)孔，能夠使空氣只從散熱器鰭片一側(cè)流入。2U機(jī)箱空間采用60風(fēng)機(jī)的吹風(fēng)方式，散熱器采用鋁合金散熱器+4個(gè)熱管形式和純銅兩種方式進(jìn)行比較，60風(fēng)機(jī)位于散熱器一側(cè)。其中：1U散熱器尺寸為長l1=91.0 mm、寬d1=88.5 mm、厚h1=26.2 mm；2U散熱器的尺寸為長l2=88.5 mm、寬d2=74.0 mm、厚h2=64.0 mm；熱管簡化為橫切面為5 mm×5 mm的矩形條，散熱鰭片厚度為0.5 mm，間距為1.5 mm。

5.2 仿真模型

先在三維軟件中將模型簡化并導(dǎo)入到ANSYS Icepak中，再設(shè)置部件屬性，如材料、風(fēng)機(jī)參數(shù)、計(jì)算域等，然后劃分網(wǎng)格進(jìn)行后處理。1U散熱模型網(wǎng)絡(luò)如圖5所示，2U散熱模型網(wǎng)絡(luò)如圖6所示。

5.3 結(jié)果分析

5.3.1 1U結(jié)果分析

通過后處理分析得到1U溫度云圖，如圖7所示。從圖7中可以看出，在車載高溫50 ℃下，模型最高溫度在CPU芯片處，最高溫度為75.47 ℃，溫升為25.47 ℃，預(yù)計(jì)當(dāng)前方案能夠滿足S2500芯片結(jié)溫90 ℃的要求。

5.3.2 2U結(jié)果分析

后處理分析得到2U溫度云圖，鋁合金散熱器+熱管方案仿真溫度云圖如圖8所示，純銅方案仿真溫度云圖如圖9所示。從圖8中可以看出，在車載高溫50 ℃下，模型最高溫度在CPU芯片處，最高溫度為79.24 ℃，溫升為29.24 ℃。從圖9中可以看出，在車載高溫50 ℃下，模型最高溫度在CPU芯片處，最高溫度為72.74 ℃，溫升為22.74 ℃。兩種方案相較，鋁合金散熱器+熱管方式散熱器的溫度分布較均勻。從散熱效果來看，純銅方案優(yōu)于鋁合金散熱器+熱管方式。

6 結(jié)語

本文對(duì)車載環(huán)境下1U和2U空間的騰云S2500散熱方案進(jìn)行分析，旨在為特定高溫環(huán)境下高功耗芯片散熱提出一種有效的設(shè)計(jì)方案。然而，實(shí)現(xiàn)高功耗元器件散熱的方案遠(yuǎn)不止文中提到的兩種，本文建立的散熱模型僅是行業(yè)內(nèi)使用廣泛，成本較低，且適合于1U和2U機(jī)箱空間的實(shí)現(xiàn)方式。另外，由于服務(wù)器內(nèi)部硬件配置不同，布局各異，本文僅對(duì)騰云S2500進(jìn)行散熱分析，忽略了服務(wù)器內(nèi)部環(huán)境對(duì)仿真的影響，實(shí)際設(shè)計(jì)過程中應(yīng)考慮其影響。