JP2012033567A - 冷却装置 - Google Patents

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    • G06F1/206Cooling means comprising thermal management

Abstract

【課題】高速チャネル部両端の温度変動を同方向へ導くことができる冷却装置を提供する。
【解決手段】発熱部品の熱を外に放熱して前記発熱部品を冷却する冷却フィンと、前記発熱部品の一つである第1の半導体モジュールと、前記発熱部品の一つである第2の半導体モジュールと、前記第1の半導体モジュールを冷却する第1のヒートシンクと、前記第2の半導体モジュールを冷却する第2のヒートシンクと、前記冷却フィンと前記第1のヒートシンクとを熱的に結合する第1のヒートパイプと、前記第1のヒートシンクと第2のヒートシンクとを熱的に結合する第2のヒートパイプとを含み、前記第1の半導体モジュールの機能上限のジャンクション温度は前記第2の半導体モジュールの機能上限のジャンクション温度よりも低く、また前記第1の半導体モジュールの発熱は前記第2の半導体モジュールの発熱よりも大きい冷却装置。
【選択図】 図4

Description

本発明の実施形態は、半導体モジュールを冷却する冷却装置に関する。
デバイス間の通信速度を向上させる手段として高速(シリアル)チャネルが用いられる。例えば、データ転送レート5Gbpsの8bitリンクをTX/RX双方に持つャネルが使用されている。
高速チャネルではTX/RX間AC特性の保証条件として温度変動範囲を規定しているが、性能とのトレードオフによりこの規定がデバイスの動作温度範囲を下回っていると、デバイスの温度管理が必要となる。
MPU: Micro Processing UnitとSBC: South Bridge Chipの温度管理を例に取ると、MPUは動作周波数が高く、Die面積が大きく自己リーク電流が大きいことから電源投入およびクロックメッシュ活性による待機状態における消費電力が高いため、キャリブレーション実行時までに自己消費電力によってDie温度を高めることができる。これに対してSBCは動作周波数が低く、Die面先が小さく自己リーク電流も小さいことから、キャリブレーション実行時にはDie温度が充分には上がらないと言う問題がある。
また、高速チャネルにはEYE PATTERNが温度変化によってドリフトする特性があり、チャネル両端の温度変化が逆方向に振れると両者のドリフトが相乗してしまう。
高速チャネルの動作マージンに大きく影響を与える温度以外のパラメータとして、配線上のクロストークおよび動作電圧が挙げられるが、温度環境を最適化できないとクロストークを低減させるために配線間隔を広げる(基板面積の増大によるコスト増)、動作電圧を安定させるためにグレードの高い電源回路/部品を使用する、基板上の電源ラインを太くする(基板面積の増大、Decoupling-Cを増やす、部品点数といったH/Wコストを増加させる)対策をおこなわなければならい。
よって半導体モジュールの温度が変動しても、半導体モジュールに設けられたチャネル回路が正常に通信を行うことが工夫されている(例えば、特許文献1参照。)。
なお更に、高速チャネル部における温度変動範囲を縮小し、かつ、高速チャネル部両端の温度変動を同方向へ導くことの要望があるが、かかる要望を実現するための手段は知られていない。
特開2008−84194号公報
本発明は、高速チャネル部両端の温度変動を同方向へ導くことができる冷却装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、実施形態によれば冷却装置は、発熱部品の熱を外に放熱して前記発熱部品を冷却する冷却フィンと、前記発熱部品の一つである第1の半導体モジュールと、前記発熱部品の一つである第2の半導体モジュールと、前記第1の半導体モジュールを冷却する第1のヒートシンクと、前記第2の半導体モジュールを冷却する第2のヒートシンクと、前記冷却フィンと前記第1のヒートシンクとを熱的に結合する第1のヒートパイプと、前記第1のヒートシンクと第2のヒートシンクとを熱的に結合する第2のヒートパイプとを含み、前記第1の半導体モジュールの機能上限のジャンクション温度は前記第2の半導体モジュールの機能上限のジャンクション温度よりも低く、また前記第1の半導体モジュールの発熱は前記第2の半導体モジュールの発熱よりも大きい。
この発明の一実施形態に係わる情報処理装置の概略構成を示すブロック図。 図1に示す情報処理装置の初期化処理の手順を示すフローチャート。 同実施形態の冷却装置の構成例を説明するために示す図。 同実施形態の集中定数を用いた等価回路図。
以下、本発明による実施形態を図1乃至図4を参照して説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係わる情報処理装置のシステム構成の一例を示すブロック図である。
本情報処理装置は、図1に示されているように、第1の半導体モジュールとしてのプロセッサモジュール100、第2の半導体モジュールとしてのブリッジコントローラ110、システムコントローラ120、温度コントローラ130、冷却ファン140、電源コントローラ150、メインメモリ160等を備えている。
プロセッサモジュール100は、プロセッサ回路101、第1の高速チャネル回路としての第1高速チャネル回路102、第1初期化回路103、およびリニア温度センサ104を有する。プロセッサモジュール100の動作保証温度は、5℃〜80℃である。また、高速チャネル回路が動作する温度範囲は5℃〜85℃、ただし、第1高速チャネル回路102のI/O部AC特性を保証する温度変動範囲ΔT_c=55℃である。
プロセッサ回路101は、本情報処理装置の動作を制御するために設けられたプロセッサであり、外部記憶装置からメインメモリ160にロードされたOS、アプリケーションプログラム等を実行する。
第1高速チャネル回路102はブリッジコントローラ110の第2高速チャネル回路111と通信を行う回路である。第1初期化回路103は、第1高速チャネル回路の初期化(キャリブレーション)を実行する回路である。
リニア温度センサ104は、ダイの平均温度監視用の高精度(±1〜2℃程度)なセンサである。リニア温度センサ104は、アナログ(ダイオード)セル単体にて構成され、外部にある温度コントローラ130にてプロセッサモジュール100のシリコンダイの平均温度が読み出される。
プロセッサモジュール100に接続されるブリッジコントローラ110は、プロセッサモジュール100で演算された映像データを表示装置に出力するための図示せぬビデオ出力回路、オーディオ入出力回路、デジタルビデオ入出力インターフェース、ネットワークコントローラ、ATAコントローラ等を有する。
また、ブリッジコントローラ110は、プロセッサモジュール100の高速チャネル回路と通信を行う第2の高速チャネル回路としての第2高速チャネル回路111および第2高速チャネル回路111を初期化するための第2初期化回路112を有する。第1高速チャネル回路102と第2高速チャネル回路111とは、相互に8bitのパラレル通信を行う。通信速度は、5Gbpsである。
システムコントローラ120は、初期化制御部121、温度コントローラ制御部(温度Ctl制御部)122、電源コントローラ制御部(電源Ctl制御部)123、温度取得部124を有する。システムコントローラ120は、プロセッサモジュール100およびブリッジコントローラ110を含む、起動/異常監視を行う機能を有する。
初期化制御部121は、システム全体の初期化を行う機能を有する。温度コントローラ制御部(温度Ctl制御部)122は、温度コントローラ130に対して設定/制御を行う。また、電源コントローラ制御部(電源Ctl制御部)123は、電源コントローラ150に対して設定/制御を行う。温度取得部124は、温度コントローラ130の温度検出回路133がリニア温度センサ104から読み出した温度を取得する機能を有する。
先ず、チャネル回路102,111の初期化について説明する。第2高速チャネル回路111から所定のデータ信号を第1高速チャネル回路102に送信する。第1高速チャネル回路102は、第2高速チャネル回路111から送信されたデータ信号を受信するサンプルポイントをスイープする。サンプルポイントをスイープするとデータ信号を受信できる場合とデータ信号を受信できない場合が発生する。そして、第1高速チャネル回路102は、データ信号を受信できたサンプルポイントから、データを最適に受信することができるように第1高速チャネル回路102の設定を行う。例えば、データ信号を受信できたサンプルポイントの中央のサンプルポイントに応じて第1高速チャネル回路102を設定する。第1高速チャネル回路102の設定が終了した後、第2高速チャネル回路111の設定を実行する。
温度コントローラ130は、制御回路131、温度検出回路133、およびファン制御回路132を有する。温度検出回路133は、リニア温度センサ104で測定されたプロセッサモジュール100のダイ温度を読み出す。また、ファン制御回路132は、プロセッサモジュール100を冷却するための冷却ファン140の回転数を制御する。制御回路131は、温度検出回路133で読み出された温度に応じてダイ温度を温度コントローラ制御部(温度Ctl制御部)122によって指定した温度範囲内に保たれるようにファン制御回路132を制御する。
ところで、プロセッサモジュール100の動作保証温度範囲ΔT_l=80℃であり、第1高速チャネル回路102のI/O部AC特性を保証する温度変動範囲ΔT_c=55℃である。従って、プロセッサ回路101の動作温度範囲に対して、第1高速チャネル回路102の温度変動範囲が狭い。この温度範囲の違いにより、第1高速チャネル回路102の初期化時の温度よりプロセッサモジュール100の温度が上昇すると、第1高速チャネル回路102が正常に通信を行うことができなくなる。
図2は、プロセッサモジュール100の温度が上昇しても第1高速チャネル回路102における通信を正常に行うための初期化処理のフローである。このフローではシステムコントローラ120が初期化制御部121、温度コントローラ制御部122、電源コントローラ制御部123、温度取得部124を制御し以下の順に行う。初期化処理のフローが完遂される例である。
先ず、ユーザがパワーオン動作を実行すると、システムコントローラ120の初期化制御部は初期化を開始する。先ず、温度コントローラ制御部(温度Ctl制御部)122は、温度コントローラ(温度Ctl)130を初期化処理用に設定する(ステップS11)。初期化処理用に設定することによって、温度コントローラ130は、冷却ファン140の回転を停止状態にする。冷却ファン140を回転させないことによって、プロセッサモジュール100が冷却されず、プロセッサモジュール100の温度上昇を促進することができる。
また、電源コントローラ(電源ctl)制御部123は、電源コントローラ(電源ctl)150を初期化処理用に設定すると共に、駆動電力の出力をイネーブルにする(ステップS12)。初期化処理用に設定することによって、駆動電力の出力をイネーブルにすることによって、電源コントローラ(電源ctl)150は、プロセッサモジュール100への駆動電力の供給を開始する。初期設定処理用の設定において、駆動電力の電圧値は、プロセッサモジュール100の動作電圧範囲の最大電圧値とすることが好ましい。プロセッサモジュール100に最大電圧値を与えることによって、プロセッサモジュール100の自己発熱が最大になる。
続いて、初期化制御部121は、高速チャネル回路102,111の初期化処理の手前までの処理を実行する(ステップS13)。この初期化処理の手前までの処理とは、プロセッサモジュール100、ブリッジコントローラ110自身の活性化後、高速チャネルの初期化(Calibration)処理の準備、例えばCalibrationのスイープ範囲とステップ幅の設定等である。
そして、温度取得部124は、リニア温度センサ104によって測定され、温度コントローラ130が読み出したプロセッサモジュール100の温度を温度コントローラ130から取得する(ステップS14)。
そして、初期化制御部121は、温度取得部124によって取得した温度が設定温度以上になったか否かを判別する(ステップS15)。設定温度は、例えば、プロセッサモジュール100の動作保証温度の上限と第1高速チャネル回路102のAC特性を保証する温度変動範囲との差であることが好ましい。本実施形態の場合、動作保証温度の上限が85度であり、AC特性を保証する温度変動範囲が55度であるので、設定温度は30℃である。
温度が設定温度以上になる迄、初期化制御部121は、定期的にプロセッサモジュール100の温度を取得し、ステップS15の判別処理を行う。温度が設定温度以上になったら(ステップS15のYes)、初期化制御部121は、プロセッサモジュール100およびブリッジコントローラ110に上述した第1高速チャネル回路102および第2高速チャネル回路111の初期化処理を実行するための初期化命令を発行する(ステップS16)。
プロセッサモジュール100の第1初期化回路103およびブリッジコントローラ110の第2初期化回路112は、前述した初期化処理(プロセッサモジュール100、ブリッジコントローラ110の初期化処理のうち高速チャネルの初期化(Calibration)処理)を実行する(ステップS17)。
初期化終了後、初期化制御部の命令に基づいて温度コントローラ制御部(温度Ctl制御部)122は温度コントローラ(温度Ctl)130の設定を通常のシステム運用状態に再設定する(ステップS18)。再生設定によって、冷却ファン140の回転が可能になり、温度コントローラ130は、プロセッサモジュール100の温度が動作温度の上限以下になるように冷却ファン140の回転を制御する。
初期化終了後、初期化制御部の命令に基づいて電源コントローラ制御部(電源ctl制御部)113は、電源コントローラ(電源ctl)150を通常のシステム運用状態に再設定する(ステップS19)。
続いて、初期化制御部121は、高速チャネル回路の初期化処理以降の初期化処理を実行する(ステップS20)。初期化処理が終了したら、外部記憶装置からOSやアプリケーションプログラムをメインメモリ160にロードし、プロセッサ回路101によって実行する。
本実施形態によれば、プロセッサモジュール100の温度が30℃になってから第1高速チャネル回路の初期化処理を実行することによって、プロセッサモジュール100の温度が動作保証温度の上限になってもプロセッサモジュール100ブリッジコントローラ110間の通信を正常に行うことができる。例えば、プロセッサモジュール100の温度が20℃の状態で第1高速チャネル回路の初期化処理を実行した場合を考える。この場合、第1高速チャネル回路102のAC特性を保証する温度変動範囲は55℃であるので、第1高速チャネル回路102が正常に通信を行うことができる温度の上限は75℃となる。
従って、プロセッサモジュール100の温度が動作保証温度の上限(80℃)になると、第1高速チャネル回路102が正常に通信を行うことができなくなる。しかし、プロセッサモジュール100の温度が30℃になってから第1高速チャネル回路の初期化処理を実行すると、第1高速チャネル回路102が正常に通信を行うことができる温度の上限は80℃となる。従って、プロセッサモジュール100の温度が動作保証温度の上限(80℃)になっても、第1高速チャネル回路102が正常に通信を行うことができる。
なお、本実施形態の場合、プロセッサモジュール100の温度が30℃になってから第1高速チャネル回路102の初期化処理を実行するために、システムの起動時間が長くなってしまうおそれがある。起動時間を最優先する場合、プロセッサモジュール100に常時給電をおこなうと良い。また、プロセッサモジュール100にヒータを装着し、プロセッサモジュール100をヒータによって加熱しておいても良い。また、ユーザのパワーオン操作時にプロセッサ回路101内だけで処理を行うことができるプログラムをプロセッサ回路101に実行させて、温度上昇を促進させても良い。
プロセッサモジュール100に常時給電をしたり、プロセッサモジュール100をヒータによって加熱したりすると、ユーザのパワーオン操作からからソフトウェアの実行開始までの期間を短縮できる代償として、システムの待機電力が増大する不利益が生じてしまう。そこで、ソフトウェアの実行開始後、一時的に高速チャネルを使用できない期間が存在することを許容できるシステムにおいては、見かけ上の起動時間を短縮することを目的として、プロセッサモジュール100をシステムの初期温度のまま一旦起動させ、ソフトウェアの実行開始後にシリコン温度が30℃を超えた時点で、高速チャネルの初期化処理を再度実行することにより、シリコン温度の上昇待ち時間の抑制および、待機電力の増大を排除することができる。
以上従来よりの冷却動作として設定温度は30℃の例を示したが、以下のように設定温度は5℃で更により積極的にチャネル両端の温度変化量を収めるように働く運用も可能である。
図3は、実施形態の冷却装置の構成例を説明するために示す図である。
MPU(プロセッサモジュール100)は高速チャネルの片端となる第一の冷却対象であり、SBC(ブリッジコントローラ110)は高速チャネルのもう片端となる第二の冷却対象である。また冷却FINはMPUおよびSBCの両方を冷却するためのFIN(例えば冷却ファン140付き)である。
HeatPipe1は冷却FINとHeatSinkBase1(MPU用HeatSinkBase)を熱結合するための第一のヒートパイプであり、HeatSinkBase1MPU Packageを冷却するための第一のヒートシンクベースである。またPackage1はMPUのLID(放熱面)となる第一のパッケージでありDie1はMPUのシリコンとなる第一のDieである。
なおMPUの形状がPackage-less または LID-less であればPackage1は存在せず、HeatSinkBase1がDie1を直接冷却する。
HeatPipe2はHeatSinkBase1とHeatSinkBase2(SBC用HeatSinkBase)を熱結合するための第二のヒートパイプであり、HeatSinkBase2はSBC Packageを冷却するための第二のヒートシンクベースである。またPackage2はSBCのLID(放熱面)となる第二のパッケージであり、Die2はSBCのシリコンとなる第二のDieである。
なおSBCの形状がPackage-less または LID-less であればPackage2は存在せず、HeatSinkBase2がDie2を直接冷却する。
図4は、実施形態の集中定数を用いた放熱の等価回路図である。
各部の温度[degC](℃)として管理するポイントには、以下のものがある。
Ta: セットの動作温度範囲(本冷却装置に対する環境温度)
Tfin: 冷却FIN温度
Ths1: 第一のヒートシンクベースの温度
Tpkg1: MPU Packageの温度
Tdie1: MPU Dieの温度
Ths2: 第二のヒートシンクベースの温度
Tpkg2: SBC Packageの温度
Tdie2: SBC Dieの温度
また、各部の熱抵抗[degC/W]としては、以下の構成要素がある。
Rex-a: 冷却FINから空気間の熱抵抗
Rhp1: 第一のヒートパイプの熱抵抗
Rhs1: 第一のヒートシンクの熱抵抗
Rjc1: MPUのJunction(Die)-Case(Package)間の熱抵抗
なおMPUの形状がPackage-less または LID-less であればRPjc1の代わりにRjh1: Junction-Heatsink 間の熱抵抗を用いる。
Rhp2: 第二のヒートパイプの熱抵抗
Rhs2: 第二のヒートシンクの熱抵抗
Rjc2: SBCのJunction(Die)-Case(Package)間の熱抵抗
なおSBCの形状がPackage-less または LID-less であればRPjc2の代わりにRjh2: Junction-Heatsink 間の熱抵抗を用いる。
(動作温度の検証)
次のような設定のもとに下記(1)から(4)の4例の動作温度を説明する。
まず情報処理装置セットの動作温度範囲をTa = 5〜40[degC]とし、MPU/SBCおよび高速チャネルの温度仕様を以下とする。
PKG熱抵抗Rjc(Die面積に反比例する): MPU のRjc(Rjc1 )< SBCのRjc(Rjc2)
例えば (Rjc1 = 0.20[degC/W])< (Rjc2 = 0.40[degC/W])
Case温度: MPU のCase温度(Tpk1 )< SBCのCase温度( Tpk2)
例えば (Tpk1 = 70[degC])< ( Tpk2 = 75[degC])
Junction温度: MPU のJunction温度(Tpk1 )< SBCのJunction温度( Tpk2)
例えば ( Tjc1 = 80[degC])< ( Tjc2 = 85[degC])
高速チャネルの動作温度範囲: +/- 55[degC]
なお本実施形態において下記の熱設計および設定値を適用する。
冷却FINからTaへの廃熱における熱抵抗: Rex-a = 0.20[degC/W]
HP1の熱抵抗: Rhp1 = 0.10[degC/W](FINとMPU間はヒートパイプ 2本で接続)
HP2の熱抵抗: Rhp2 = 0.20[degC/W](MPUとSBC間はヒートパイプ 1本で接続)
HS1の熱抵抗: Rhs1 = 0.05[degC/W](MPUとSBCが同等サイズであれば同一品を使用)
HS2の熱抵抗: Rhs2 = 0.05[degC/W](MPUとSBCが同等サイズであれば同一品を使用)
初期化時電力: MPU の初期化時電力(Pmpu )> SBCの初期化時電力(Psbc)
例えば (Pmpu = 30[W])> (Psbc = 15[W])
無負荷時電力: MPU の無負荷時電力(Pmpu )> SBCの無負荷時電力(Psbc)
例えば (Pmpu = 40[W])> (Psbc = 20[W])
最大消費電力: MPU の最大消費電力(Pmpu )> SBCの最大消費電力(Psbc)
例えば (Pmpu = 50[W])> (Psbc = 25[W])
電源投入時にはMPUの発熱によってSBCが加熱されることから高速チャネル両端のシリコン(die)の温度差を所望の範囲(実施例では、両端における各々の温度変化量を55[degC]以下、両端間の温度変化量を+/-10[%]以下)に収めることができる。以下に、セット(システム)の動作状態(1)から(4)の夫々に各部における温度状態を示す。
(1) Ta=5[degC]で起動した場合のMPU/SBC両端における温度変化の例
共通部の各部温度は以下のようになる。
Tfin = Ta + (Rex-a × (Pmpu + Psbc)) = 5 + (0.2 × (30+15)) = 14.0[degC]
Ths1 = Tfin + (Rhp1 × (Pmpu + Psbc)) = 14 + (0.1 × (30+15)) = 18.5[degC]
MPU側の各部温度は以下のようになる。
Tpkg1 = Ths1 + (Rhs1 × Pmpu) = 18.5 + (0.1 × 30) = 21.5[degC]
Tdie1-0 = Tpkg1 + (Rjc1 × Pmpu) = 21.5 + (0.2 × 30) = 27.5[degC]、MPU Dieの温度Min.で、MPU側の基準(Calibration実行)温度
SBC側の各部温度は以下のようになる。
Ths2 = Ths1 + (Rhs2 × Psbc) = 18.5 + (0.2 × 15) = 21.5[degC]
Tpkg2 = Ths2 + (Rhs2 × Psbc) = 21.5 + (0.1 × 15) = 23.0[degC]
Tdie2-0 = Tpkg2 + (Rjc2 × Psbc) = 23.0 + (0.4 × 15) = 29.0[degC] 、SBC_Dieの温度Min.でSBC側の基準(Calibration実行)温度
SBCとMPUの両者間の温度差は次のようになる。
dT12 = Tdie2-0 - Tdie1-0 = 29.0 - 27.5 = 1.5[degC]
(2) Ta=40[degC]でMPUとSBCの両方が高負荷運転した場合のMPU/SBC両端における温度変化の例
共通部の各部温度は以下のようになる。
Tfin = Ta + (Rex-a × (Pmpu + Psbc)) = 40 + (0.2 × (50+25)) = 55.0[degC]
Ths1 = Tfin + (Rhp1 × (Pmpu + Psbc)) = 55 + (0.1 × (50+25)) = 62.5[degC]
MPU側の各部温度は以下のようになる。
Tpkg1 = Ths1 + (Rhs1 × Pmpu) = 62.5 + (0.1 × 50) = 67.5[degC]
Tdie1-1 = Tpkg1 + (Rjc1 × Pmpu) = 67.5 + (0.2 × 50) = 77.5[degC]、 MPU Dieの温度Max.
dT1-1 = Tdie1-1 - Tdie1-0 = 77.5 - 27.5 = 50.0[degC] 、よって MPU側の最大温度差が55[degC]に収まっている。
SBC側の各部温度は以下のようになる。
Ths2 = Ths1 + (Rhs2 × Psbc) = 62.5 + (0.2 × 25) = 67.5[degC]
Tpkg2 = Ths2 + (Rhs2 × Psbc) = 67.5 + (0.1 × 25) = 70.0[degC]
Tdie2-1 = Tpkg2 + (Rjc2 × Psbc) = 70.0 + (0.4 × 25) = 80.0[degC] 、SBC_Dieの温度Max.
dT2-1 = Tdie2-1 - Tdie2-0 = 80.0 - 29.0 = 51.0[degC] よって、 SBC側の最大温度差が55[degC]に収まっている。
SBCとMPUの両者間の温度差は次のようになる。
dT12 = Tdie2-1 - Tdie1-1 = 51.0 - 50.5 = 1.0[degC]
起動時を基準とした両端における温度変化率は次のようになる。
R_diff = | dT2-1 - dT1-1 | / Min.(dT1-1, dT2-1) × 100 = 1 / 50 × 100 = 2.0[%]、よって MPU/SBC間の温度差が10[%]に収まっている。
(3) Ta=40[degC]でMPU高/SBC低負荷運転した場合のMPU/SBC両端における温度変化の例
共通部の各部温度は以下のようになる。
Tfin = Ta + (Rex-a × (Pmpu + Psbc)) = 40 + (0.2 × (50+20)) = 54.0[degC]
Ths1 = Tfin + (Rhp1 × (Pmpu + Psbc)) = 54 + (0.1 × (50+20)) = 61.0[degC]
MPU側の各部温度は以下のようになる。
Tpkg1 = Ths1 + (Rhs1 × Pmpu) = 61.0 + (0.1 × 50) = 66.0[degC]
Tdie1-2 = Tpkg1 + (Rjc1 × Pmpu) = 66.0 + (0.2 × 50) = 76.0[degC]、MPU Dieの温度Max.
dT1-2 = Tdie1-2 - Tdie1-0 = 76.0 - 27.5 = 48.5[degC] 、よって MPU側の最大温度差が55[degC]に収まっている。
SBC側の各部温度は以下のようになる。
Ths2 = Ths1 + (Rhs2 × Psbc) = 61.0 + (0.2 × 20) = 65.0[degC]
Tpkg2 = Ths2 + (Rhs2 × Psbc) = 65.0 + (0.1 × 20) = 67.0[degC]
Tdie2-2 = Tpkg2 + (Rjc2 × Psbc) = 67.0 + (0.4 × 20) = 75.0[degC] 、SBC_Dieの温度Max.
dT2-2 = Tdie2-2 - Tdie2-0 = 75.0 - 29.0 = 46.0[degC] よって、 SBC側の最大温度差が55[degC]に収まっている。
SBCとMPUの両者間の温度差は次のようになる。
dT12 = Tdie2-2 - Tdie1-2 = 46.0 - 48.5 =-2.5 [degC]
起動時を基準とした両端における温度変化率は次のようになる。
R_diff = | dT2-2 - dT1-2 | / Min.(dT1-2, dT2-2) × 100 = 2.5 / 46 × 100 = 5.5[%]、よって MPU/SBC間の温度差が10[%]に収まっている。
(4) Ta=40[degC]でMPU低/SBC高負荷運転した場合のMPU/SBC両端における温度変化の例
共通部の各部温度は以下のようになる。
Tfin = Ta + (Rex-a × (Pmpu + Psbc)) = 40 + (0.2 × (40+25)) = 53.0[degC]
Ths1 = Tfin + (Rhp1 × (Pmpu + Psbc)) = 53 + (0.1 × (40+25)) = 59.5[degC]
MPU側の各部温度は以下のようになる。
Tpkg1 = Ths1 + (Rhs1 × Pmpu) = 59.5 + (0.1 × 40) = 63.5[degC]
Tdie1-3 = Tpkg1 + (Rjc1 × Pmpu) = 63.5 + (0.2 × 40) = 71.5[degC]、MPU Dieの温度Max.
dT1-3 = Tdie1-3 - Tdie1-0 = 71.5 - 27.5 = 44.0[degC] 、よって MPU側の最大温度差が55[degC]に収まっている。
SBC側の各部温度は以下のようになる。
Ths2 = Ths1 + (Rhs2 × Psbc) = 59.5 + (0.2 × 25) = 64.5[degC]
Tpkg2 = Ths2 + (Rhs2 × Psbc) = 64.5 + (0.1 × 25) = 67.0[degC]
Tdie2-3 = Tpkg2 + (Rjc2 × Psbc) = 67.0 + (0.4 × 25) = 77.0[degC] 、SBC_Dieの温度Max.
dT2-3 = Tdie2-3 - Tdie2-0 = 77.0 - 29.0 = 48.0[degC] 、よって SBC側の最大温度差が55[degC]に収まっている。
SBCとMPUの両者間の温度差は次のようになる。
dT12 = Tdie2-3 - Tdie1-3 = 77.0 - 71.5 = 5.5[degC]
起動時を基準とした両端における温度変化率は次のようになる。
R_diff = | dT2-3 - dT1-3 | / Min.(dT1-3, dT2-3) × 100 = 3.5 / 44 × 100 = 7.9[%]、よって MPU/SBC間の温度差が10[%]に収まっている。
相互影響を避けるために、大電力デバイスのヒートシンクは個々に分離するのが常套手段であった。本例では、ヒートシンクベースは別だがこれらをヒートパイプで結合した。
また、Point-To-Point接続の高速チャネルには両端の温度差によって動作可能範囲がドリフトする特性があり、両者の温度差を小さくする(同じ方向に温度変化させる)ことによりドリフト量を小さく出来るため、ヒートシンクの共有化によって高速チャネル両端のデバイス温度差を小さくすることにより、高速チャネルの安定動作範囲内にとどめるか更により高速な転送レートをサポート可能になる。
本実施形態の冷却装置を用いることにより、消費電力の大きなMPU: Micro Processing Unitにおける発熱を、消費電力の小さなSBC: South Bridge Chipの加熱に使用することでSBCの高速チャネル部における温度変動範囲が縮小され、かつ、両者の温度変動を同方向へ導くことで高速チャネル部における例えばEYE PATTENのドリフトが相殺されるため、高速チャネルにおける温度変動に関する動作マージンを確保することができることから、高速チャネル部の動作マージンに影響するクロストーク(配線)や電圧変動(電源回路・Decoupling-C)に関わる設計を緩和することによるコストの低減が可能となる。
従来からの参考例として図2で説明したように本実施形態と同様に、高速チャネル間の温度差を縮めることを目的として、電源投入時に自己発熱し、ヒーターによって温度上昇を待つ。更に本実施形態では、上記に加えて、チャネル両端の温度変動を同方向に振る(独立させない)効果がある。
上記のように、デバイス(MPUとSBC)間をPoint-To-Point接続する「高速チャネル」の両端における温度変動および両者間の温度差を最小化することにより高速チャネルの動作マージンを増大させることを目的として、Tj1 ≦ Tj2 ( 実施例では、Tjc1 = 80[degC], Tjc2 = 85[degC])、P1 ≧ P2 ( 実施例では、Pmpu max = 50[W], Psbc max = 25[W])の条件下において、次の構成を採った。
即ち、ヒートシンクおよび冷却FINを以下の熱抵抗位置関係に構成することにより、冷却FINと消費電力の高いデバイス(MPU)側ヒートシンクベース間をヒートパイプで熱結合し、消費電力の高いデバイス(MPU)側ヒートシンクベースと消費電力の低い(SBC)側ヒートシンクベースをヒートパイプで熱結合し、電源投入時には消費電力の低いデバイス(SBC)を高いデバイス(MPU)で加熱し、システム運転時にはデバイス(MPUとSBC)間の温度差を縮めるように機能する、冷却装置である。
なお、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この外その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、さらに敢えてMPU(CBE)とSBC(SCC)のヒートシンクベースを連結する構成を有効にすることが可能である。
また、上記した実施の形態に開示されている複数の構成要素を適宜に組み合わせることにより、種々の発明を形成することができる。例えば、実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても良いものである。さらに、異なる実施の形態に係わる構成要素を適宜組み合わせても良いものである。
100…プロセッサモジュール,101…プロセッサ回路,102…第1高速チャネル回路,103…第1初期化回路,104…リニア温度センサ,110…ブリッジコントローラ,111…高速チャネル回路,112…第2初期化回路,113…電源コントローラ制御部,120…システムコントローラ,121…初期化制御部,122…温度コントローラ制御部,123…電源コントローラ制御部,124…温度取得部,130…温度コントローラ,131…制御回路,132…ファン制御回路,133…温度検出回路,140…冷却ファン,150…電源コントローラ,160…メインメモリ。

Claims (3)

  1. 発熱部品の熱を外に放熱して前記発熱部品を冷却する冷却フィンと、
    前記発熱部品の一つである第1の半導体モジュールと、
    前記発熱部品の一つである第2の半導体モジュールと、
    前記第1の半導体モジュールを冷却する第1のヒートシンクと、
    前記第2の半導体モジュールを冷却する第2のヒートシンクと、
    前記冷却フィンと前記第1のヒートシンクとを熱的に結合する第1のヒートパイプと、
    前記第1のヒートシンクと第2のヒートシンクとを熱的に結合する第2のヒートパイプとを含み、
    前記第1の半導体モジュールの機能上限のジャンクション温度は前記第2の半導体モジュールの機能上限のジャンクション温度よりも低く、また前記第1の半導体モジュールの発熱は前記第2の半導体モジュールの発熱よりも大きい冷却装置。
  2. 前記第1の半導体モジュールと前記第2の半導体モジュールとは高速チャネルで通信する請求項1に記載の冷却装置。
  3. 前記高速チャネルの前記第1の半導体モジュール側と前記高速チャネルの前記第2の半導体モジュール側との温度格差を低減するように働く請求項2に記載の冷却装置。
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