CN1957315A

CN1957315A - 有效冷却处理器的系统

Info

Publication number: CN1957315A
Application number: CNA2005800162522A
Authority: CN
Inventors: 佐兰·斯特凡诺斯基; 杰翁·H·金
Original assignee: Nvidia Corp
Current assignee: Nvidia Corp
Priority date: 2004-04-12
Filing date: 2005-04-08
Publication date: 2007-05-02
Anticipated expiration: 2025-04-08
Also published as: US20080186677A1; CN1957316B; CN100442199C; US20050243516A1; TW200538026A; WO2005101166A1; US7542292B2; CN1957316A; US7359197B2; TWI324041B

Abstract

一种用于有效冷却一处理器的系统的一个实施例包括：一适于与一风扇散热器(302)集成的主动式混合热量传输模块(304)。所述混合热量传输模块(304)包含适于传输热量的一液体通道(312)和一空气通道(310)。所述混合热量传输模块(304)和所述风扇散热器(302)可单独使用或组合使用，用于散发来自所述处理器的热量。

Description

有效冷却处理器的系统

技术领域

本发明一般涉及计算机硬件，且更特定来说涉及一种有效冷却处理器的系统。

背景技术

图1是说明用于冷却处理器(未图示)的现有技术系统100的等角视图。如图所示，系统100的特征在于包括风扇散热器组合件104，所述风扇散热器组合件104进一步包括风扇106、壁109和底板111。通常，例如使用散热胶将系统100热耦合到处理器，所述散热胶具有有助于将处理器产生的热量传递到风扇散热器组合件104的底板111的热特性。系统100还可包括风扇散热器盖(未图示)，其中，所述风扇散热器盖尤其能防止微粒和其他污染物进入风扇106，并防止风扇106吹出的空气从系统100中逸出。风扇散热器盖102连同风扇散热器组合件104的壁109和底板111一起界定复数个空气通道108。

风扇106经配置以迫使空气通过空气通道108，使得当空气通过底板111时，处理器产生的热量传递到空气。经加热的空气接着离开风扇散热器组合件104，如流程线114所描绘，进而将处理器产生的热量散发到外部环境中。这个过程冷却处理器，且其中尤其能防止处理器在操作期间烧坏。所属领域的技术人员应了解，空气通道108通常经配置来以最有效去除来自处理器的热量的方式引导风扇106吹出的空气通过底板111到达外部环境。

使用系统100来冷却处理器的一个缺陷是，当风扇106迫使空气通过空气通道108时产生的声波常常在空气通道108内形成驻波。所属领域的技术人员应了解，这个现象实质上增加了气流通过空气通道108的噪音级，因为由入射声波与反射声波之间的干涉产生的最终驻波在波腹处的振幅实质上大于入射声波的振幅。这对于使用包括类似于系统100的系统的计算机和其他电子设备的人员来说尤其令人生厌。

一种用于减少冷却处理器时的气流噪音的方法是构建基于液体的冷却系统，其中处理器所产生的热量传递到在处理器附近快速循环的热量传递液体(例如水)。然而，典型的液体冷却系统是由大型泵驱动的，所述大型泵容易频繁发生故障且往往会消耗大量的功率。另外，这些系统往往要使用大量以高流动速率循环的液体，且因此必须频繁补充或替换。

因而，所属领域中需要一种有效冷却处理器的系统。

发明内容

一种用于有效冷却处理器的系统的一个实施例包括主动式混合热量传输模块，其适于与风扇散热器集成。所述混合热量传输模块包含适于传输热量的液体通道和空气通道。混合热量传输模块和风扇散热器可单独使用或组合使用，用于散发来自处理器的热量。

所揭示系统的一个优势在于，其中所述系统尤其能在操作期间产生较少的气流噪音。

所揭示系统的第二个优势在于，其比常规的液体冷却系统更可靠。

所揭示系统的第三个优势在于，其比常规的风扇型或基于液体的冷却系统更有效地散发热量。

附图说明

图1是说明用于冷却处理器的现有技术系统的等角视图；

图2是说明根据本发明一个实施例的适于与系统一起使用以用于冷却处理器的计算设备的示意图；

图3是说明根据本发明一个实施例的用于冷却处理器的改进的系统的等角视图；

图4是图3中所说明的冷却系统的一部分的分解图；

图5是图3中所说明的冷却系统的一部分的横截面图；以及

图6是说明根据本发明一个实施例的用于控制图3中所说明的冷却系统的方法的流程图。

具体实施方式

图2是说明根据本发明一个实施例的适于与系统218一起使用以用于冷却处理器的计算设备200的示意图。计算设备200可以是任何类型的计算设备，其中包括但不限于台式计算机、服务器、膝上型计算机、掌上计算机、个人数字助理(PDA)、平板计算机、游戏机、蜂窝式电话、基于计算机的模拟器及类似设备。

如图所示，计算设备200包括外壳201，所述外壳201内驻有母板204。母板204上安装有中央处理器(CPU)206、用于冷却CPU 206的处理器冷却器208、用于去除计算设备200上的热量的系统风扇210和一个或一个以上外围组件接口(PCI)卡212，每个PCI卡与位于外壳201的后部中的插槽建立连接。母板204进一步含有图形卡202，所述图形卡202使计算设备200能为图形密集应用程序(例如游戏应用程序)快速处理与图形相关的数据。图形卡202包含印刷电路板(PCB)，其上安装有例如存储器芯片及类似物的复数个电路组件(未图示)。另外，图形卡200包括图形处理单元(GPU)216，其安装到图形卡202的一面以用于处理与图形相关的数据。一般来说，冷却系统218经配置以用于耦合到GPU 216来替代常规的冷却系统，例如图1的冷却系统100。

图3是说明根据本发明一个实施例的用于冷却处理器的改进的系统300的等角视图。与图2的系统218相似，冷却系统300可适合用于任何类型的适当的计算设备中。如图所示，冷却系统300可包括(但不限于)风扇散热器302和混合热量传输模块304。如下文进一步详细描述，风扇散热器302和混合热量传输模块304可独立或组合操作，用于散发来自处理器的热量。

在一个实施例中，风扇散热器302以类似于图1的冷却系统100的方式配置，且包括(但不限于)风扇308、壁306和底板318。在一个实施例中，系统100还包括风扇散热器盖320，其中，其尤其能防止微粒和其他污染物进入风扇308，并防止风扇308吹出的空气从系统300中逸出。风扇散热器盖320连同风扇散热器302的壁306和底板318一起界定复数个空气通道322。

混合热量传输模块304用以与风扇散热器302集成。在一个实施例中，混合热量传输模块304热耦合到底板318的一部分，且包括(但不限于)液体通道312、入口314、出口316和复数个空气通道310。混合热量传输模块304耦合到泵，所述泵适于使热量传递液体(例如，水或其他任何合适的热量传导液体)在包括液体通道312在内的闭合环路内循环。在一个实施例中，泵先使来自混合热量传输模块304的液体循环通过热交换器，然后才将所述液体返回供应给混合热量传输模块304。入口314和出口316经配置以用于分别将热量传递液体供应到液体通道312和从液体通道312中去除热量传递液体。

在一个实施例中，空气通道310适于耦合到空气通道322且用于传输来自风扇308的迫动空气。在一个实施例中，空气通道310位于液体通道312上方和其周围，使得液体通道312被大体上封围在空气通道310内。在替代性实施例中，液体通道312和空气通道310可以任何提供良好散热的相对定向来定位。所属领域的技术人员将认识到，混合热量传输模块304可经构建以经由空气通道310、液体通道312或两者的组合来传递热量。

在一个实施例中，风扇散热器302以类似于图1中所说明的系统100的方式散发热量。风扇308经配置以迫使空气通过空气通道322和空气通道310，使得当空气通过底板318时，由处理器产生的热量传递到空气中。经加热的空气接着离开系统300，如流程线324所描绘，进而将处理器产生的热量散发到外部环境中。

在一个实施例中，泵使热量传递液体在混合热量传输模块304的液体通道312内循环，且使处理器产生的热量传递到循环的热量传递液体以及空气通道310中的空气中。液体通道312适于将热量传递液体传输通过下游热交换器，所述热交换器将来自热量传递液体的热量散发到外环境中。

所属领域的技术人员将认识到，包括风扇散热器302和混合热量传输模块304的系统300可用于冷却任何类型的处理器。举例来说，在一个实施例中，处理器包含图形处理单元。在替代性实施例中，处理器可包含中央处理单元。在另一替代性实施例中，处理器可包含特殊应用集成电路(ASIC)。在另一实施例中，系统300的尺寸可设计成除了冷却处理器之外还可冷却存储器芯片。

图4是冷却系统300的一部分的分解图。在一个实施例中，底板318包括尺寸设计成用于耦合并密封液体通道312的沟槽402。在一个实施例中，沟槽402的表面结构设计成用以增加底板318的热量传递表面面积(如下文进一步描述)，且将热量从底板318传递到流过液体通道312的热量传递液体。举例来说，沟槽402可进一步包括从底板318向上延伸的复数个柱销404。柱销404的密度和几何形状可发生变化，只要柱销404能够有效地将热量从底板318传递到在柱销404周围流动的热量传递液体。

图5是沿图3的截面线3-3′取得的混合热量传输模块304的横截面图。如所说明，混合热量传输模块304经配置以经由液体通道312和/或空气通道310散发来自处理器的热量。如上文所述，空气通道310可经配置以连接到风扇散热器302的空气通道322，使得即使当没有启动所述泵来使液体在液体通道312内循环时，空气通道310也可操作(例如，通过有效延伸空气通道322)以增加系统300的热传递表面面积，进而使热量能更有效散发。

风扇散热器302和混合热量传输模块304可独立构建或组合构建以散发来自处理器的热量，从而以更有效的方式散发来自处理器的热量。举例来说，风扇散热器302可经构建以散发大多数所产生的热量，混合液体热量传输模块304可经构建以散发较小量的热量，且可动态调节风扇散热器302散发的热量与混合热量传输模块304散发的热量的比例。或者，风扇散热器302和混合热量传输模块304中的一者可构建为用于散热的初级构件，而另一机制基于所需而构建以散发过量的热量。

图6是说明根据本发明一个实施例的用于控制冷却系统300的方法600的流程图，所述方法(例如)由耦合到冷却系统300的控制单元来实施。在所说明的实施例中，方法600将风扇散热器302构建为用于散热的初级构件，而混合热量传输模块304基于所需而构建。方法600在步骤602处开始，并进行到步骤604，其中方法600(例如通过靠近处理器定位的热敏二极管或其他传感器)监视处理器的温度。方法600接着进行到步骤606，且确定处理器的温度是否达到应实施次级散热机制(例如，混合热量传输模块304)的预定阈值温度。

如果方法600在步骤606处确定处理器温度没有达到阈值温度，那么方法600返回到步骤604且继续监视处理器温度。或者，如果方法600在步骤606处确定已达到或超过阈值温度，那么方法600进行到步骤608，且开启混合热量传输模块304的泵，从而加入次级散热机制。方法600接着在步骤610处确定混合热量传输模块304的构建是否已将处理器冷却到预定所要温度(例如，理想的操作温度)。

如果方法600在步骤610处确定处理器已被冷却到所要温度，那么方法600进行到步骤612，且关闭混合热量传输模块304的泵，从而有效关掉混合热量传输模块304，使得处理器继续由初级散热机制(例如，风扇散热器302)冷却。方法600接着返回到步骤604且继续监视处理器的温度。或者，如果方法600在步骤610处确定处理器尚未冷却到所要温度，那么方法600返回到步骤608，且继续运行混合热量传输模块304的泵，直到处理器被冷却到所要温度为止。

冷却系统300提供若干胜过常规冷却系统(例如图1的冷却系统100)的优点。首先，使用与混合热量传输模块304结合的风扇散热器302导致一更可靠的冷却系统，因为可在有限或根据需要的基础上构建混合热量传输模块304的泵。因此延长泵的使用寿命，因为泵将不恒定地以最大功率运作。举例来说，在一个实施例中，典型的泵的使用寿命可延长约50％。或者，冷却系统300可并入一明显小于通常并入基于液体的冷却系统中的泵。另外，在发生故障时，风扇散热器302可作为液体热量传输模块304的后备而运作，且反之亦然。

同样，因为可在有限或根据需要地基础上(例如，而不是作为主要散热构件)构建混合热量传输模块304，所以与常规的基于液体的冷却系统相比，可减小热量传递液体的量和液体在液体通道312内的流动速率。因而，与常规基于液体的冷却系统相比，冷却系统300需要较少的维护(例如，频繁的补充储液器)，且泵消耗较少的功率。

另外，因为冷却系统300较少地依赖风扇散热器302来散发热量(例如，当单独构建或结合风扇散热器302构建混合热量传输模块304时)，所以在空气通道322内形成的干涉声波的波腹处的振幅会较小。因而可实质上减少气流流过空气通道322的噪音级。

另外，结合风扇散热器302使用混合热量传输模块304增加了冷却系统300的热量流动速率(dQ/dT)，与常规的冷却系统相比，其使冷却系统300能更有效地将热量传递离开处理器。这个增加的一个原因在于，由于并入了空气通道310和柱销404，冷却系统300的热量传递面积A可实质上大于常规冷却系统的面积。即使混合热量传输模块304不起作用(例如，未启动泵)，由于强制空气将行进穿过通道322和通道310二者，混合热量传输模块304的配置也将增加其上风扇308所强制的空气行进的热量传递表面面积。

根据下式计算热量流动速率(dQ/dT)：

(dQ/dT)＝hA(T_{风扇散热器}-T_空气) (等式1)

其中h是冷却系统300的热量传递系数，T_{风扇散热器}是热量交换元件(例如，空气通道322、空气通道310和柱销404)的温度，且T_空气是流过热量交换元件的空气的温度。如上所讨论，因为冷却系统300的A远大于常规的冷却系统的A(且_ΔT几乎相同)，所以当使用冷却系统300时会实质上增加热量流动速率(dQ/dT)。

增加的热量流动速率(dQ/dT)进一步导致冷却系统300相对于常规的冷却系统具有改进的热量传递效率θ_sa。所属领域的技术人员将认识到，可根据下式计算热量传递效率θ_sa：

θ_sa＝(T_{风扇散热器}-T_空气)/(dQ/dT)(摄氏度/瓦特) (等式2)

其中θ_sa值越小表示效率越高，且因此更合乎需要。而且较大的热量传递面积A使冷却系统300具有更大的热量流动速率(dQ/dT)，且因此也具有改进的效率(从变小的θ_sa值可显而易见)。

比较改进的冷却系统300与常规的冷却系统的模拟显示，在实质上不增加功耗的情况下，改进的冷却系统300可将处理器冷却到比使用常规的冷却系统所实现的温度低22％以上的温度。

冷却系统300、风扇散热器302和混合热量传输模块304的位置以及组件的尺寸和形状可由其他板安装组件来决定，并由加速图形处理器(AGP)特定的包封约束来决定。另外，所属领域的技术人员应了解，本文所述的冷却系统可构建在ATX母板配置中(其中图形卡经定向以使得GPU相对于计算设备而面向下，如图2中所说明)和BTX配置中(其中图形卡经定向以使得GPU相对于计算设备而面向上)。因此，本发明的冷却系统可构建为单槽冷却方案，例如其中冷却系统的尺寸不需要母板上可分配给其他组件(例如PCI卡)的空间。

因而，本发明代表处理器冷却领域中的一明显进步。通过构建与风扇散热器结合的混合热量传输模块，用于冷却一冷却系统的系统将比并入常规的风扇散热器盖的系统在操作中产生更小的气流噪音，且可更有效和高效地冷却处理器。另外，通过在一有限的基础上构建混合热量传输模块，会明显延长用于驱动混合热量传输模块的一部分的泵的使用寿命。

尽管在上文已参考特定实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员应了解，在不背离如附加权利要求书中所陈述的本发明的更广泛的精神和范畴的情况下，可对其作各种修改和改变。因此，前文描述和图式应认为是说明性的，而不是限制性的。

Claims

1.一种用于冷却一处理器的系统，所述系统包含：

一混合模块，其经配置以热耦合到所述处理器和一风扇散热器，所述混合模块包含：

一空气通道，其适合于去除来自所述处理器的热量；和

一液体通道，其适合于进一步去除来自所述处理器的热量。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述液体通道是一闭环通道。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述混合模块耦合到一泵，所述泵适合于在所述液体通道内循环所述热量传递液体。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述液体通道中的所述热量传递液体将来自所述处理器的热量传输到一热交换器。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述液体通道的一底板是表面不平的。

6.根据权利要求5所述的系统，其中所述底板的所述结构包含向上延伸进入所述液体通道中的复数个柱销。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述混合模块适合于通过空气、通过一液体或通过空气和液体二者散发来自所述处理器的热量。

8.根据权利要求1所述的系统，其进一步包含一设置在所述混合模块的一底板上用于将所述混合模块热耦合到所述处理器的散热胶。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述风扇散热器包含：

一风扇；和

一空气通道

其中所述风扇散热器经配置以热耦合到所述处理器。

10.根据权利要求9所述的系统，其中所述风扇散热器经配置以强制空气通过所述空气通道。

11.根据权利要求9所述的系统，其中所述风扇散热器和所述混合模块适合于同时操作。

12.根据权利要求9所述的系统，其中所述风扇散热器和所述混合模块适合于独立操作。

13.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器包含一图形处理单元。

14.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器包含一中央处理单元。

15.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器包含一特殊应用集成电路。

16.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统的尺寸经设计以除了冷却所述处理器之外还冷却一存储器芯片。

17.一种用于冷却一处理器的方法，所述方法包含以下步骤：

使用强制空气持续冷却所述处理器以去除来自所述处理器的热量；

监视所述处理器的一温度；和

当所述处理器达到一阈值温度时，使一热量传递液体在一液体通道中循环以进一步去除来自所述处理器的热量。

18.根据权利要求17所述的方法，其进一步包含当所述处理器被冷却到一所要温度时停止使所述热量传递液体循环的步骤。

19.根据权利要求17所述的方法，其中通过开启一泵而使所述热量传递液体循环。

20.根据权利要求18所述的方法，其进一步包含传输所述热量传递液体并使其通过一热交换器的步骤。