JP2012033567A - 冷却装置 - Google Patents
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Abstract
【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
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。
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。
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。
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。
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。
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
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
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.
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.
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。
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.
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.
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。
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.
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.
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。
Claims (3)
- 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。 - 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。
- 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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