JP4152348B2 - 電子デバイス冷却装置、電子デバイスシステムおよび電子デバイス冷却方法 - Google Patents

電子デバイス冷却装置、電子デバイスシステムおよび電子デバイス冷却方法 Download PDF

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Description

本発明は電子デバイスを冷却するための技術、特に、電子デバイスの表面の温度を予め予測して冷却するための技術、に関する。
電子機器を制御するＣＰＵ（Central Processing Unit）やＤＳＰ(Digital Signal Processor)をはじめとする各種の電子デバイスは、トランジスタなどの能動素子やコンデンサなどの受動素子を含めたさまざまな電子部品によって構成される。これらの電子部品を駆動する電気エネルギーの一部は熱エネルギーに変換されて放熱される。電子部品の性能は、通常、温度依存性を有するため、この放散された熱は、電子部品、ひいては電子デバイスの性能に影響を及ぼす。したがって、電子デバイスを冷却するための技術は、電子デバイスを正常に制御する上で極めて重要な技術である。
電子デバイスを冷却するための技術の一例として、電動ファンによる空冷式の冷却方法がある。この方法においては、例えば、電子デバイスの表面に対向して電動ファンを配設する。空気取り入れ口から吸入した冷たい空気を、電動ファンにより電子デバイス表面に吹き付ける。電子デバイス表面から発生した熱を吸収して温められた空気は、空気排出口から排出される。このように、電子デバイス表面から発生する熱を電動ファンによって排除することにより、電子デバイスを冷却する。
ヒートシンクとよばれる熱を逃がすための装置も一般に使われている。電子デバイスなどの熱源体から熱を周囲の冷たい流体や気体に効率よく移すため、ヒートシンクは通常、伝熱面が大きくなるよう設計される。電子デバイスから発生した熱はヒートシンクに伝達され、ヒートシンクの広い伝熱面から放熱される。
この電動ファンとヒートシンクを組合せた冷却方法は、半導体チップの冷却方法として一般的に用いられている技術である。
上述した電動ファンやヒートシンクにおける温度変化の時間応答性は、一般的には電子デバイスの発熱量の変化に比べればはるかに鈍い。換言すれば、これらの従来の冷却方法では、時々刻々と変化する電子デバイスの発熱量の変化に対して効率的に電子デバイスを冷却しずらい。そのため、電子デバイスの動作の信頼性を確保するために、余剰の冷却能力を確保しておく必要がある。これにより、電動ファンによる消費電力、騒音が大きくなり、また、電動ファンの体積も必要以上に大きくならざるを得ないという欠点があった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、電子デバイスを効果的に冷却するための技術、を提供することにある。
本発明のある態様は、電子デバイス冷却装置である。この装置は、電子デバイスの温度を動作負荷から予測する予測部と、予測された温度をもとに電子デバイスを冷却する冷却部を制御する制御部と、を備える。制御部は、予測された温度の変化の速度に応じて、時間応答性の異なる複数の冷却部の中から所期の冷却部を選択し、動作させてもよい。予測された温度の変化の速度に応じて、冷却効率の異なる複数の冷却部の中から所期の冷却部を選択し、動作させてもよい。前記速度が所定の閾値を超えたとき、噴射型の冷却部を選択してもよい。
「冷却時間応答性」とは、例えば、冷却対象の温度がステップ状に上昇したとき、冷却部が、冷却対象の温度を元の温度まで下げるのに要する時間に基づいて定めてもよい。「冷却効率」とは、冷却期間中のある特定の時間帯や、電子デバイスのある特定の場所におけるものであってもよい。
上記装置の制御部は、温度の上昇が予測されたとき、冷却部による温度制御の目標値を下げて冷却を行ってもよいし、温度の下降が予測されたとき、冷却部による温度制御の目標値を上げて冷却を行ってもよい。目標値を調整すると、現在の温度と目標値との差分を操作することができ、その差分に応じて制御される冷却部の動作レベルを予め制御することができる。
また、本発明の別の態様も電子デバイス冷却装置である。この装置は、電子デバイスの温度を測定する測定部と、測定された温度と所定の制御目標値との定常偏差をなくすよう、冷却部をフィードバック制御する制御部と、電子デバイスの温度を動作負荷から予測する予測部と、を備え、制御部は、予測された温度をもとに制御目標値を調整する。制御部は、積分項を導入してフィードバック制御してもよい。
また、本発明の別の態様は電子デバイスシステムである。このシステムは、電子デバイスと、電子デバイスを冷却する１以上の冷却部と、電子デバイスの温度を動作負荷から予測する予測部と、予測された温度をもとに前記冷却部を制御する制御部と、を備える。
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明によれば、電子デバイスを効果的に冷却することができる。
ＣＰＵやＤＳＰなどの電子デバイスの表面から発生する熱は、電子デバイス内の電子部品や電子部品間を接続する導線に供給される電気エネルギーが熱エネルギーに変換されて放散されたものである。この熱は電子デバイスの表面から定常的に発生するとは限らない。電子デバイスが実行する処理においては、瞬発的に発熱量が増える場合もある。電子デバイスの表面からの発熱量が最大発熱量に近い状態であっても瞬発的な発熱は生じる。このような瞬発的な発熱に対して適した冷却方法として、噴流冷却の原理に基づく冷却方法がある。噴流冷却とは冷媒を電子デバイスなどの発熱体に噴射することにより発熱体を冷却する冷却方法をいう。
噴流冷却は、局所的な熱伝達効率を大きく取ることができる冷却方法として知られている。この方法は、例えば、切削加工など部分的に大きく発生する熱に対する冷却方法として有効であり、冷媒を冷却ノズルから噴射して発熱体に吹き付けることにより冷却する。ここでいう「冷媒」とは、空気などの気体や水などの液体であって、電子デバイスの表面から発生する熱を吸排熱するための媒体をいう。噴射される冷媒の流れに対する垂直面の熱伝達は、噴流軸点を中心にして、同心円上に広がる。ここで「噴流軸点」とは、冷却対象の表面において冷却ノズルの噴射軸と交わる点のことをいう。
噴流半径ｒ0[m]、冷媒の熱伝導率λf[W/mK]における熱伝達率ｈ0[W/m2K]は、
（数１）
ｈ0=λf・Nu0/ｒ0
と表される。ここで、Nu0は、噴流半径ｒ0[m]における平均ヌセルト数であり、これは、
（数２）
Nu0=1.25・Pr0.45・Re0.45
と表される。Prはプラントル数とよばれる定数であり、Reはレイノルズ数である。Reは、以下の式で表される。
（数３）
Re=u0・d0/ν
ここで、u0[m/s]は、噴流の体積流量を冷却ノズル噴出口の断面積で割った代表速度である。d0[m]は、噴出口の直径、ν[s/m2]は、流体の粘性を表す。
噴流冷却によれば、噴流軸点近傍において高い冷却効果が得られる。また、冷却対象の表面に対して複数の冷却ノズルを密に配置すれば、より高い冷却効果が得られる。
図１は、本実施の形態における電子デバイス冷却装置１００の機構を示す模式図である。電子デバイス２００が発熱体であり冷却対象である。電子デバイス２００の上面にはスプレッダ２５０が取り付けられる。スプレッダ２５０は、通常、銅製である。更にスプレッダ２５０の上にヒートシンク２５２が載置される。電子デバイス２００の主として上面から発生した熱はスプレッダ２５０を介してヒートシンク２５２に伝達される。ヒートシンク２５２は、外気に対して広い伝熱面を有する。図示しない電動ファンから、ヒートシンク２５２に対して送風することにより、ヒートシンク２５２の伝熱面近傍にある温められた空気を効率的に排除できる。図中矢印ａは、電動ファンによる強制流を表す。矢印ｂは、通常の熱の流れを表し、矢印ｃは、非定常的な補助の熱の流れを表す。電子デバイス２００とヒートシンク２５２は直接接触してもよい。
ヒートシンク２５２は冷却水にさらされるよう構成してもよい。電子デバイス２００の表面を防水ケースで覆い、冷却水をヒートシンク２５２に導く。電子デバイス２００からヒートシンク２５２に伝わった熱を吸収することにより温められた冷却水は、冷却水排出口から排出される。
電子デバイス２００はパッケージ基板２５４上に実装される。パッケージ基板２５４は、電子デバイス２００を実装基板２５６に実装するための中間板の役割をはたす。実装基板２５６はパッケージ基板２５４と半田により接着される。通常、パッケージ基板２５４と実装基板２５６の間の距離は３００〜５００ミクロン程度である。パッケージ基板２５４の実装基板２５６側の面にはいくつかのコンデンサ２５８が通常、接着されている。このコンデンサ２５８がある程度の容量を有する場合には、コンデンサ２５８の大きさは、この３００〜５００ミクロン程度の大きさには収まらない場合もある。そのため、実装基板２５６は、このコンデンサ２５８を設置する高さを確保するため、通常は、電子デバイス２００の直下に組合せる面において同図に示すように開口部を有する。
噴流冷却装置３００はこの開口部を介してパッケージ基板２５４に上向きに冷媒を噴射させる。噴流冷却装置３００は複数の冷媒噴射口を有する。噴流冷却装置３００の噴射機構については後に詳述する。噴流冷却装置３００から噴射された冷媒は図示しない冷媒回収孔に回収される。図中矢印ｄは、冷却流体経路を表す。冷媒が液体である場合、電子デバイス２００から発生する熱により温められた冷媒の回収は、既知の方法であるキャピラリー力を用いてもよいし、ポンプなどの動力を用いてもよい。回収された冷媒は外気によって冷却される。冷媒は、再び噴流冷却装置３００に供給される。冷媒が空気である場合には、噴射後に廃棄されてもよい。
噴流冷却装置３００の冷媒噴射口の直径は噴流冷却装置３００の上面からパッケージ基板２５４までの距離の１／３程度に設定される。例えば、この距離が６ミリメートル程度である場合には、冷媒噴射口の直径を２ミリメートル程度に設定する。また、噴流冷却装置３００の冷媒噴射口は中央と周囲に分散して配置する。電子デバイス２００のうち、局所的な発熱量が大きい部位が予め想定できる場合には、その位置に対応する冷媒噴射口の直径を大きめに設定してもよい。先述の噴流冷却の式に示したように、冷媒噴射口の直径が大きいほど、熱伝達率が大きくなるからである。
噴流冷却装置３００は、パッケージ基板２５４の面に直接冷媒を吹き付けて冷却してもよいし、パッケージ基板２５４の面を皮膜するケースに吹き付けることにより間接的に冷却してもよい。即ち、電子デバイス２００から発生する熱を噴流冷却により排熱するよう噴流冷却装置３００を構成することにより本発明の効果は同等に発揮され得る。例えば、ヒートシンク２５２内に噴流冷却装置３００と同様の機構を設けてもよい。即ち、電子デバイス２００の上面から定常的に発生する熱はヒートシンク２５２と電動ファンで取り除き、瞬発的に発生する熱は、ヒートシンク２５２内に設けられる噴流冷却装置３００が電子デバイス２００の上面に冷媒を噴射することにより取り除くよう構成してもよい。
なお、実装基板２５６に設けられる開口部は、必ずしも同図に示すように実装基板２５６の中央部に設けられる必要はない。例えば、電子デバイス２００の発熱の局所性に鑑みて開口部が設けられてもよいし、複数の開口部が設けられてもよい。更に、実装基板２５６に複数の孔を貫通させ、その各孔を貫いてパッケージ基板２５４の複数箇所に冷媒が噴射されるよう構成してもよい。
電子デバイス２００の内部にはその発熱量を検出するための熱検知センサが複数、設けられている。熱検知センサは、電子デバイス２００やパッケージ基板２５４に設けられてもよい。熱検知センサは、赤外線センサのように電子デバイス２００の表面から放射される赤外線を外部から検出することにより発熱量を検出するセンサでもよい。熱検知センサは、電子デバイス２００内の温度を計測する温度計であってもよい。
通常、電子デバイス２００から発生した熱はスプレッダ２５０を介してヒートシンク２５２に伝わりその伝熱面から放熱される。そのヒートシンク２５２からの放散される熱量が大きいときには、ヒートシンク２５２に対して、例えば、電動ファンにより送風すれば、より効率的に熱を排除できる。結果として電子デバイス２００をより強力に冷却できる。また、電子デバイス２００からの発熱量に応じて、電動ファンの回転数が上げるように制御することにより、発熱量に応じた冷却が可能となる。以下の例では、電子デバイス２００を冷却する冷却ユニットの一つとして、ヒートシンク２５２と電動ファンを用いる場合について示す。
一方、電子デバイス２００からは瞬発的に発熱する場合もある。瞬発的な発熱、即ち、単位時間当たりにおける発熱量の上昇が急峻である場合には、噴流冷却装置３００を駆動して冷却を行う。冷媒はパッケージ基板２５４に向けて噴流冷却装置３００より噴射される。電子デバイス２００から発生した熱の一部はパッケージ基板２５４に伝導する。噴流冷却装置３００が冷媒を噴射することにより、パッケージ基板２５４が冷却されるため、結果としてパッケージ基板２５４に伝導した熱は実装基板２５６の開口部から排熱される。電子デバイス２００の表面のうち、予め高温になりやすい箇所が分かっている場合には、その箇所に対応して噴流冷却装置３００の冷媒噴出口が集中的に配置されるように噴流冷却装置３００を構成してもよい。冷却ノズルによる噴流冷却によれば、特に噴射軸点近傍に発生した熱を効果的に排除できる。冷却ノズルを多く配置するほど、また、冷却ノズルの冷媒噴射能力が高いほど、冷却効果も高くなる。
図２から図４は噴流冷却装置３００が冷媒を噴射する機構を示す図である。
図２は、噴流冷却装置３００が冷媒を噴射するための機構の第１の例を示す図である。噴流冷却装置３００は冷媒供給路３１０とチャンバー部３２０を含む。冷媒供給路３１０に導入された冷媒はチャンバー部３２０に伝達される。チャンバー部３２０は、一時的に冷媒を貯蔵する。チャンバー部３２０の上面には複数の冷媒噴射口が設けられている。これらの冷媒噴射口が冷却ノズルとして機能する。ファン駆動部３０２は、例えばピエゾ素子などにより構成され、ファン３０４を駆動する。ファン駆動部３０２に所定の電圧が印加されると、ファン駆動部３０２はその電圧値に応じて変形する。この変形がファン３０４に伝わり、ファン３０４は、いわば「うちわ」として機能し、チャンバー部３２０内に導入された冷媒をチャンバー部３２０上面の冷媒噴射口から噴射せしめる。
図３は、噴流冷却装置３００が冷媒を噴射するための機構の第２の例を示す図である。同図の例においても、噴流冷却装置３００は冷媒供給路３１０とチャンバー部３２０を含む。冷媒供給路３１０に導入された冷媒はチャンバー部３２０に伝達される。チャンバー部３２０は、一時的に冷媒を貯蔵する。チャンバー部３２０の上面には複数の冷媒噴射口が設けられており、これらの冷媒噴射口が冷却ノズルとして機能する。図示しない駆動部は外部からの制御信号に応じて、静電力や圧電素子、磁気などの力により可動膜３０６を駆動する。可動膜３０６がチャンバー部３２０に溜められた冷媒をチャンバー部３２０上面の冷媒噴射口から押し出すことにより冷媒を噴射する。
図４は、噴流冷却装置３００が冷媒を噴射するための機構の第３の例を示す図である。噴流冷却装置３００は冷媒供給路３１０とチャンバー部３２０を含む。冷媒供給路３１０に導入された冷媒はチャンバー部３２０に伝達される。チャンバー部３２０は、一時的に冷媒を貯蔵する。チャンバー部３２０の上面には複数の冷媒噴射口が設けられている。これらの冷媒噴射口が冷却ノズルとして機能する。冷媒供給路３１０はポンプ３０８を含む。ポンプ３０８は冷媒供給路３１０に導入された冷媒をチャンバー部３２０に伝達する。このとき、ポンプ３０８が冷媒供給路３１０に導入された冷媒を高圧でチャンバー部３２０に押し込むと、チャンバー部３２０に導入された冷媒はチャンバー部３２０上面の冷媒噴射口から噴射される。
図５は電子デバイス冷却装置１００の機能ブロック図である。ここに示す各ブロックは、ハードウェア的には、コンピュータのＣＰＵをはじめとする素子や機械装置で実現でき、ソフトウェア的にはコンピュータプログラム等によって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。
制御部１１０は、電子デバイス冷却装置１００による冷却機構を統合的に制御する。ノズルユニット１０２はパッケージ基板２５４に対して冷媒を噴射せしめる機械的な機構である。主として噴流冷却装置３００がこれに該当する。電動ファンユニット１０６はヒートシンク２５２に送風する機構である。ここでは、図１に関連して説明した電動ファンが主として対応する。温度測定部１０８は電子デバイス２００内に設置された熱検知センサにより検出された熱量に基づき、電子デバイス２００の温度を測定する。電子デバイス２００の内部に温度計を設けることにより、温度測定部１０８は直接、電子デバイス２００の温度を測定してもよい。
制御部１１０は、ノズル制御部１２０、電動ファン制御部１３０、選択部１４０および温度予測部１５０を含む。ノズル制御部１２０は制御信号を送ることによりノズルユニット１０２を制御する。例えば、噴流冷却装置３００が図２に関連して説明した構成である場合には、ノズル制御部１２０はファン駆動部３０２に所定の電圧を印加することにより、ノズルユニット１０２を制御する。電動ファン制御部１３０は制御信号を送ることにより電動ファンユニット１０６を制御する。ノズル制御部１２０は更に噴射時間演算部１２２を含み、電動ファン制御部１３０は回転数演算部１３２を含む。温度予測部１５０は、所定期間後の電子デバイス２００の温度や、温度の単位時間当たりの上昇度、即ち温度変化の速度を、負荷の動作状態から予測する。選択部１４０は、温度予測部１５０の予測結果に基づき、ノズル制御部１２０および電動ファン制御部１３０のいずれか、または両方に制御を指示する。
電動ファン制御部１３０は、選択部１４０からの制御信号にしたがい、電動ファンユニット１０６に制御信号を送り電動ファンを駆動する。回転数演算部１３２は温度制御の目標温度に応じて、電動ファンの回転数を演算する。ここでいう回転数とは、単位時間当たりの回転数、即ち、電動ファンの回転速度であってもよいし、電動ファンを回転させる総数、いわば、電動ファンの駆動時間であってもよい。電子デバイス２００の表面温度が高いときには、電動ファン制御部１３０は電動ファンを高速に回転させるよう電動ファンユニット１０６に指示する。あるいは、電動ファン制御部１３０は電動ファンを長時間回転させるよう電動ファンユニット１０６に指示する。
ノズル制御部１２０は、選択部１４０からの制御信号にしたがい、ノズルユニット１０２に制御信号を送り噴流冷却装置３００を駆動する。噴射時間演算部１２２は温度制御の目標温度に応じて、冷媒を噴射すべき時間を計算する。電子デバイス２００の温度変化の速度に応じて、冷媒を噴射するときの噴流の速度や噴射すべき冷媒の量を計算してもよい。ノズルユニット１０２が冷媒を繰り返し噴射せしめるよう制御する場合には、噴射時間演算部１２２は噴流冷却装置３００の冷媒噴射時間と、冷媒を噴射していない時間の時間比、即ちデューティ比を計算してもよい。ノズル制御部１２０は噴射時間演算部１２２の演算に基づいて、ノズルユニット１０２に制御信号を送り冷媒を噴射せしめる。
ノズル制御部１２０は、電子デバイス２００のうち発熱量が大きい部位に対応する冷媒噴射口から冷媒が噴射されるよう制御することができる。これにより、電子デバイス２００の瞬発的な発熱のみならず、電子デバイス２００の局所的な発熱に対しても効果的な冷却が可能となる。
以下、温度予測部１５０による温度予測の詳細について説明する。第１の例は、電子デバイス２００内の動作負荷、電源電圧、動作周波数から発熱量を算出して、将来の電子デバイス２００の温度を予測する手法である。
温度予測部１５０は、温度測定部１０８から入力される現在の温度と、推定発熱量Ｅとを基に、Δｔ期間後の温度を推定する。Δｔ期間後の温度Ｔｔ＋Δｔは、
（数４）
Ｔｔ＋Δｔ＝ｆ（Ｔｔ，Ｅ）
と表される。ここで、Ｔｔは現在の温度、Ｅは当該Δｔ期間に生じる推定発熱量を示す。このように、当該Δｔ期間後の温度Ｔｔ＋Δｔを、現在の温度Ｔｔと推定発熱量Ｅの関数として求める。当該Δｔ期間は、設計者により任意に設定可能である。
当該推定発熱量Ｅは、
（数５）
Ｅ＝∫［α・Ｃ・Ｖｄｄ ２・ｆ］ｄｔ
と表される。ここで、αは所定の比例定数、Ｃは負荷を容量で等価的に示した変数、Ｖｄｄは電源電圧、ｆは動作周波数である。電源電圧Ｖｄｄは２乗して用いる。これらを掛け合わせたものを上記Δｔで積分した値が推定発熱量Ｅとなる。
温度予測部１５０は、図示しないタスクマネージャ等を参照して、上記Δｔ期間に使用される負荷Ｃを特定する。なお、上記数５は、電子デバイス２００内の負荷を合計した負荷Ｃで、計算したものである。この点、温度予測部１５０は、各ブロック毎に上記Δｔ期間後の推定発熱量Ｅ１〜ｎを求めて、それらを全部足し合わせて計算してもよい。
ここで、ブロックとは、電子デバイス２００の領域全体を発熱制御対象となる小さな領域に区分けしたときのその小領域を指す。当該ブロックは、電子デバイス２００を構成するトランジスタ単体もしくはある程度の数のトランジスタの集合であり、スポット的に発熱のピークが現れる領域の大きさに合わせて区切られる。ブロックの大きさは、発熱制御の目標精度や電子デバイス２００の要求仕様によって自由に決めてよい。また、ブロックは同一サイズで規則的に区切られてもよいし、各種演算ユニットの境界に合わせて不規則に区切られてもよい。
温度予測部１５０による温度予測の第２の例は、デコーダ等のハードウェアを用いて、負荷変動の予測を行う手法である。図６は、第２の例における温度予測部１５０の詳細な構成を示す。命令デコーダ１５２は、発熱解析機能を備え、電子デバイス２００のハードウェア情報を基に、各命令ステップの実行に関わる上記ブロックを特定し、そのブロックの動作による発熱量を予測し、発熱係数を決定する。命令デコーダ１５２は、命令ステップ毎に特定したブロックの位置情報と発熱係数を、命令ステップに対応づけて発熱係数プロファイル１５４に格納する。
発熱係数プロファイル１５４は、命令ステップ毎にその命令ステップの実行に関わる電子デバイス２００のブロックの位置情報と、そのブロックの発熱量に関する発熱係数を対応づけて格納したプロファイルである。この命令ステップは、命令デコーダ１５２によりデコードされたステップ毎の命令であり、ＭＯＶ（転送）、ＡＤＤ（加算）、ＬＤ（ロード）、ＳＴ（ストア）などのコマンドに引数が与えられている。例えば、命令ステップ「ＭＯＶ ＡＸ ＢＸ」は、図示しないＣＰＵの演算レジスタＢＸの内容を他の演算レジスタＡＸに代入する命令である。
上記ブロックの位置は、電子デバイス２００のパッケージ基板２５４上のダイ（die）を矩形領域に区分けした場合のマトリックスのインデックスで与えられる。上記発熱係数は、当該ブロック位置で示された領域にあるブロックがその命令を実行したときの発熱量の予測値から定められる数値である。
電子デバイス２００のＬＳＩの配置配線が完了した後の論理シミュレーションにおいて、プログラムコードをシミュレートしたときの結果を利用すれば、細かい時間ステップで電子デバイス２００のトランジスタのオンオフ状態の変化をトレースすることができる。この結果を利用すれば、命令ステップ毎にどのブロックがアクティブになるかを完全に解析することができる。
各ブロックの発熱量については、回路設計時にＣＡＤツールなどを利用して、各ブロックの静的な温度特性を考慮して予測することができる。各ブロックの静的な温度特性は、主として物理的な特性や素子の位置関係に基づいて定量化される。例えば、ＣＭＯＳは値が反転するときにＰチャネルとＮチャネルの両トランジスタが一瞬同時にオンし、貫通電流が流れる。これがＣＭＯＳの消費電力の大半を占め、消費電力はＣＭＯＳの動作周波数に比例して増加する。このような消費電力を見積もることにより、各ブロックの発熱量を予測することができる。上記発熱係数は、当該発熱量の予測値を量子化した値である。回路設計時のシミュレーション結果や発熱予測量などの情報は、ハードウェア情報としてＢＩＯＳ等に持たせ、命令デコーダ１５２から参照できるように構成される。
命令スケジューラ１５６は、命令デコーダ１５２によりデコードされた命令をデータ依存関係に基づきスケジューリングし、次に実行すべき命令ステップを選択する。命令スケジューラ１５６は、発熱係数プロファイル１５４を参照して、その選択した命令ステップの実行に関わるブロック位置と発熱係数を特定し、発熱度数加算器１５８に与える。発熱度数加算器１５８は、特定されたブロック位置の現在の発熱度数をブロック発熱度数レジスタ１６０から読み取り、命令スケジューラ１５６から与えられた発熱係数を加算してブロック発熱度数レジスタ１６０に書き込む。ブロック発熱度数レジスタ１６０は、各ブロックの発熱度数を累積して保持するためのレジスタである。
発熱度数減算器１６２は、ブロック発熱度数レジスタ１６０から各ブロックの発熱度数を読み取り、所定の放熱定数に基づく減算処理を行い、ブロック発熱度数レジスタ１６０に書き込む。発熱度数減算器１６２は、所定のクロックで動作して、ブロック発熱度数レジスタ１６０の各ブロックの発熱度数を減算する。これにより、時間経過による放熱量がブロック発熱度数レジスタ１６０の発熱度数に反映される。
発熱度数減算器１６２は、発熱度数がゼロになるまで減算するが、各ブロックの発熱度数が大きいほど発熱度数の減算量を大きく設定するとよい。各ブロックの発熱度数から予測される温度と外界温度との差が大きいほど、放熱による温度低下が速いからである。外界温度は測定値、推定値もしくは予め設定した値のいずれを用いてもよい。
発熱度数加算器１５８および発熱度数減算器１６２は、各ブロックの温度特性の動的な面も考慮して、各ブロックの発熱度数を調整してもよい。各ブロックの動的な温度特性は、主としてタスクの実行履歴や負荷状況に依存するが、場合によっては、隣接するブロックに同時にタスクが割り振られると、離れたブロックにタスクが分散する場合よりも熱が発生しやすいなどの物理的な性質からの影響も受ける。発熱度数加算器１５８は、各ブロックへのタスクの割り当て状況や、隣接するブロックの発熱による相互作用などを加味して発熱度数の加算を行ってもよい。発熱度数減算器１６２は、各ブロックの周囲の放熱の進み具合を考慮して発熱度数の減算を行ってもよい。
ホットスポット検出器１６４は、ブロック発熱度数レジスタ１６０の発熱度数が所定の閾値を超えたブロックをホットスポットとして検出し、そのブロックの位置を命令スケジューラ１５６に与える。この所定の閾値は、各ブロックが動作不良になる限界温度よりも低い温度に対応する発熱度数で与えられる。したがって、ホットスポット検出器１６４は、現実にホットスポットとなったブロックを検出するだけではなく、将来ホットスポットとなる可能性の高いブロックもホットスポットとして検出する。ここで、ホットスポットとは、電子デバイス２００の異常に高温になる部分を指す。電子デバイス２００内の消費電力分布のばらつきにより発生する。
命令スケジューラ１５６は、ブロック発熱度数レジスタ１６０を参照することにより、Δｔ期間に発生する発熱量を推定することができる。そして、この発熱量を上記数４に代入することにより、当該Δｔ期間後の温度を予測することができる。
上記の構成では、命令デコーダ１５２がハードウェア情報をもとに命令ステップ毎にブロックを特定し、発熱係数を決定したが、発熱係数は命令のオペランドの一部として命令コードの生成段階で埋め込まれていてもよい。例えば、プログラマやコンパイラが命令毎に発熱係数を指定してもよい。このように、第２の例は、命令コードの進行に伴って命令ステップ毎にブロック単位で発熱量を予測するため、電子デバイス２００の温度分布を時間的にも空間的にも非常に細かいレベルで正確に把握することができる。
なお、上記の構成では、命令ステップ毎に発熱量を予測し、発熱度数をカウントしたが、サブルーチンなどある程度まとまったタスク単位で発熱量を予測して、発熱度数をカウントするように構成してもよい。
（第１実施形態）
第１実施形態は、予測される温度変化に応じて、時間応答性の異なる複数の冷却機構を効率的に使用する例である。図７は、第１実施形態における電子デバイス冷却装置１００が電子デバイス２００を冷却する過程を示すフローチャートである。温度予測部１５０は、電子デバイス２００のΔｔ期間後の温度を予測する（Ｓ１０）。選択部１４０は、この予測温度が所定の閾値を越えるか否かを判断する（Ｓ１２）。ここでいう所定の閾値は電子デバイス２００の性能や使用環境に応じて、設計者により任意に設定される値である。この閾値以上の温度になると、電子デバイス２００の動作が保証されなくなる。以下、この閾値のことを「第１閾値」とよぶ。予測温度が第１閾値より小さければ（Ｓ１２のＮ）、定期的な温度予測を続ける（Ｓ１０）。予測温度が第１閾値以上であれば（Ｓ１２のＹ）、温度予測部１５０は、上記Δｔ期間における温度変化の速度を特定する（Ｓ１４）。
選択部１４０は、当該速度が所定の閾値を超えるか否かを判断する（Ｓ１６）。ここでいう所定の閾値は、電動ファンの温度変化に対する時間応答性、噴流冷却装置３００の温度変化に対する時間応答性を基に設定される値である。以下、この閾値のことを「第２閾値」とよぶ。噴流冷却装置３００の時間応答性のほうが電動ファンのそれより高いため、急峻な温度変化が予測される場合、噴流冷却装置３００で冷却したほうがよい。これに対し、急峻でない温度変化が予測される場合、電動ファンで冷却しても、第１閾値の温度を超えない。よって、噴流冷却装置３００より熱排除の効率が高い電動ファンで冷却したほうがよい。したがって、第２閾値は、上記温度変化の速度に対して、電動ファンによる冷却で第１閾値の温度を超えないことが保証される値に設定すればよい。
上記温度変化の速度が第２閾値以上の場合（Ｓ１６のＹ）、選択部１４０はノズル制御部１２０に選択信号を送る。ノズル制御部１２０はノズルユニット１０２を駆動して冷媒を噴射せしめる（Ｓ１８）。また、ホットスポットが検出されている場合で、かつ冷却ノズルが複数設置されている場合、そのホットスポットに重点的に冷媒が噴射されるよう制御してもよい。また、ノズルユニット１０２と電動ファンユニット１０６を同時に駆動させてもよい。
上記温度変化の速度が第２閾値に満たない場合（Ｓ１６のＮ）、選択部１４０は電動ファン制御部１３０に選択信号を送る。電動ファン制御部１３０は電動ファンユニット１０６を駆動し電動ファンを回転させる（Ｓ２０）。
第１実施形態によれば、時間応答性の異なる複数の冷却機構を、その特性に応じて選択して使用することにより、急峻な温度変化に対応することができる。また、温度のオーバーシュート対策として設計上ガードバンドとよばれる余裕を持たせて温度制御する必要がなくなる。よって、無駄な冷やしすぎがなくなり、熱排除を効率的に行うことができる。
（第２実施形態）
第２実施形態は、図５に示した電子デバイス冷却装置１００において、ノズルユニット１０２、ノズル制御部１２０および選択部１４０が搭載されない構成でもよい。以下、電動ファンによる一般的な冷却機構を想定して説明する。
図８は、第２実施形態における電子デバイス冷却装置が電子デバイスを冷却する過程を示すフローチャートである。まず、温度予測部１５０は、電子デバイス２００の目標制御温度Ｔｄを、電動ファン制御部１３０に設定する（Ｓ３０）。例えば、６０℃といったように設定する。また、温度予測部１５０は、温度測定部１０８により測定された現在の温度も電動ファン制御部１３０に渡す。回転数演算部１３２は、設定された目標制御温度Ｔｄと現在の温度Ｔｔとの差分に、所定のフィードバックゲインｋを掛け合わせて、電動ファンの回転数ｎを演算する。
回転数ｎは、
（数６）
ｎ＝ｋ・（Ｔｄ−Ｔｔ）
と表される。
単位時間当たりの回転数が固定している電動ファンの場合、作動時間により算出された回転数を実現する。ＰＷＭ(Pulse Width Modulation）制御機構等が搭載されている電動ファンの場合、単位時間当たりの回転数も制御することができる。電動ファン制御部１３０は、算出された回転数ｎにしたがって電動ファンを制御する（Ｓ３２）。即ち、電子デバイス２００の温度が目標制御温度Ｔｄを維持し、または近づくよう電動ファンを制御する。
次に、温度予測部１５０は、電子デバイス２００のΔｔ期間後の温度を予測し（Ｓ３４）、電動ファン制御部１３０に渡す。電動ファン制御部１３０は、この予測温度が所定の閾値を越えるか否かを判断する（Ｓ３６）。ここでいう所定の閾値は、当該電動ファンの時間応答性と、予測される温度変化との関係により、設計者により任意に設定される値である。即ち、現在のフィードバック制御による電動ファン制御では、動作保証のある温度を超えてしまうことになる値である。以下、この閾値のことを「第３閾値」とよぶ。
予測温度が第３閾値以上であれば（Ｓ３６のＹ）、電動ファン制御部１３０は、目標制御温度Ｔｄを下方修正する（Ｓ３８）。電動ファン制御部１３０は、この修正された目標制御温度Ｔｄを上記数６に代入して、電動ファンの回転数ｎを算出し、その回転数ｎを基に電動ファンを制御する（Ｓ３２）。目標制御温度Ｔｄを下方修正したことにより、当該回転数ｎが上がることが分かる。即ち、急峻な温度上昇が予測される場合、予め冷却能力を高めておき、動作保証のない温度への上昇を回避する。したがって、上記下方修正量は、予測される温度上昇に対応した値に適宜設定されることになる。
ステップＳ３６において、予測温度が第３閾値未満である場合（Ｓ３６のＮ）、電動ファン制御部１３０は、上記予測温度が所定の閾値を越えるか否かを判断する（Ｓ４０）。ここでいう所定の閾値は、無駄な冷やしすぎとなる温度である。また、好ましくない温度変動を回避する観点から設定される温度である。以下、この閾値のことを「第４閾値」とよぶ。
予測温度が第４閾値以下であれば（Ｓ４０のＹ）、電動ファン制御部１３０は、目標制御温度Ｔｄを上方修正する（Ｓ４２）。電動ファン制御部１３０は、この修正された目標制御温度Ｔｄを上記数６に代入して、電動ファンの回転数ｎを算出し、その回転数ｎを基に電動ファンを制御する（Ｓ３２）。目標制御温度Ｔｄを上方修正したことにより、当該回転数ｎが下がることが分かる。即ち、温度下落が予測される場合、予め冷却能力を低下させておくか、または電動ファンの回転を停止させておき、冷やしすぎを回避する。したがって、上記上方修正量は、予測される温度下落に対応した値に適宜設定されることになる。
ステップＳ４０において、予測温度が第４閾値を超えている場合（４０のＮ）、電動ファン制御部１３０は、目標制御温度Ｔｄを初期値に戻す（Ｓ４４）。目標制御温度Ｔｄが変更されていなければ、そのまま維持する。以下、これらの処理を、電子デバイス２００の動作中（Ｓ４６のＮ）続ける。その動作が停止すると（Ｓ４６のＹ）、冷却処理を終了する。
本実施形態によれば、急峻な温度上昇が予測されるとき、予め通常状態よりも強く冷却することにより、電子デバイスの負荷の温度時定数と冷却制御系の温度時定数との違いによる電子デバイスの過渡的な温度上昇を回避することができる。また、予測して冷却することから、予めこの温度上昇分を含めたガードバンドを設定して、制御温度を下げておく必要がなくなる。よって、負荷が軽い場合に過度に冷やしすぎる状態を回避することができる。それと共に、電動ファンの過剰な回転が抑えられるため、消費電力、騒音を低減することができ、電動ファンの体積も抑えることができる。また、温度の変動を低減し、温度を均一化することができることから、熱膨張率の異なるシリコンと実装基板との間に設けられる半田接合部の繰り返し疲労を軽減することができる。温度差が少なければ疲労にいたるサイクル数は激減する。
以上、実施形態をもとに本発明を説明した。なお本発明はこれらの実施形態に限定されることなく、そのさまざまな変形例もまた、本発明の態様として有効である。例えば、第１実施形態においては、異なる冷却原理に基づく２種類の冷却ユニットを協働させることにより電子デバイスを冷却する方法について示したが、冷却ユニットの種類は２種類に限られるものではない。電子デバイスの設置状況や使用環境に応じて、冷却ユニットの設計についてもさまざまなバリエーションがあることは当業者には理解されるところである。
また、噴流冷却装置３００に冷媒を供給するシステムや、使用した冷媒を回収するシステムについては、従来の空冷方式や液冷方式において使用されてきた技術をそのまま用いることができる。実施形態においては電動ファンと噴流冷却の組合せを例として本発明を説明した。しかし、本発明は冷却時間応答性について異なる冷却原理に基づく冷却ユニットを駆動することによる電子デバイス２００の冷却方法を提案する発明であり実施の形態に示した冷却装置に発明の範囲が限定されるものではない。例えば、電動ファンのかわりに冷却水によってヒートシンク２５２を冷却してもよい。あるいは、電子デバイス２００の上面側の冷却機構としては、ヒートシンク２５２のみ、即ち放熱機構のみであってもよい。同様に、高い冷却時間応答性を有する冷却原理とは、噴流冷却装置３００による噴流冷却に限定されるものではない。例えば、冷却水による水冷方式によりパッケージ基板２５４から排熱制御してもよい。また、熱電素子により冷却してもよい。冷却時間応答性について異なる冷却原理を有する冷却方法としては、さまざまな例があることは、当業者には理解されるところである。
また、第２実施形態において、温度測定部１０８は、電子デバイス２００の温度を測定するのではなく、ヒートシンク２５２の温度を測定してもよい。その場合、電動ファン制御部１３０は、低負荷が予測されるときでもヒートシンク２５２の温度が高ければ、電動ファンを回転させてヒートシンク２５２の温度が目標制御温度になるよう制御する。また、低負荷時に電動ファンが緩やかに回転することにより、ヒートシンク２５２に熱慣性を与えることができる。
また、第２実施形態において、電動ファン制御部１３０は、目標制御温度Ｔｄと現在の温度Ｔｔとの差分に、比例項として所定のフィードバックゲインｋを掛けて、回転数ｎを求めた。この点、定常偏差を低減するための積分項を導入してもよい。その場合、回転数ｎは、
（数７）
ｎ＝ｋ１・（Ｔｄ−Ｔｔ）＋ｋ２・∫（Ｔｄ−Ｔｔ）ｄｔ
と表される。ここで、ｋ１は比例要素のフィードバックゲイン、ｋ２は積分要素のフィードバックゲインを表す。
比例項のみの場合、定常偏差を低減するためにはフィードバックゲインｋ１を大きくする必要があるが、フラクチュエーションが発生してしまう場合がある。この点、積分項を導入することにより、フラクチュエーションの発生を防止することができる。
また、第２実施形態において、電動ファンのフィードバック制御について説明したが、噴流冷却装置３００に適用することもできる。その場合、電動ファンの回転数を制御するのではなく、ノズル制御部１２０が冷媒を噴射すべき時間を演算する。また、冷媒を噴射している時間と噴射していない時間との時間比を演算してもよい。急峻な温度変化が発生しやすい電子デバイスの場合、電動ファンで冷却するより定常偏差を低減することができる。
電子デバイス冷却装置の機構を示す模式図である。 噴流冷却装置が冷媒を噴射するための機構の第１の例を示す図である。 噴流冷却装置が冷媒を噴射するための機構の第２の例を示す図である。 噴流冷却装置が冷媒を噴射するための機構の第３の例を示す図である。 電子デバイス冷却装置の機能ブロック図である。 温度予測部の一例を示す機能ブロック図である。 第１実施形態における電子デバイスを提供する過程を示すフローチャートである。 第２実施形態における電子デバイスを提供する過程を示すフローチャートである。
符号の説明
１００ 電子デバイス冷却装置、 １０２ ノズルユニット、 １０６ 電動ファンユニット、 １０８ 温度測定部、 １１０ 制御部、 １２０ ノズル制御部、 １３０ 電動ファン制御部、 １４０ 選択部、 １５０ 温度予測部、 ２００ 電子デバイス、 ２５０ スプレッダ、 ２５２ ヒートシンク、 ２５４ パッケージ基板、 ２５６ 実装基板、 ３００ 噴流冷却装置、 ３１０ 冷媒供給路、 ３２０ チャンバー部。

Claims (9)

  1. 電子デバイスの現在の温度と動作負荷の推定発熱量とを基に、所定期間後の温度を予測する予測部と、
    予測された温度が所定の温度用閾値以上のとき、電子デバイスを冷却する冷却部を制御し、前記温度が前記温度用閾値未満のとき、前記予測部に定期的な温度予測を続けさせる制御部と、を備え、
    前記制御部は、前記冷却部を制御する場合、予測された温度変化の速度が所定の速度用閾値以上のとき、冷却時間応答性の異なる複数の冷却部の中から、噴射型の冷却部を選択して動作させ、前記速度が前記速度用閾値未満のとき、ファンを選択して動作させることを特徴とする電子デバイス冷却装置。
  2. 請求項１に記載の装置において、前記制御部は、温度の上昇が予測されたとき、前記冷却部による温度制御の目標値を下げて冷却を行うことを特徴とする電子デバイス冷却装置。
  3. 請求項１に記載の装置において、前記制御部は、温度の下降が予測されたとき、前記冷却部による温度制御の目標値を上げて冷却を行うことを特徴とする電子デバイス冷却装置。
  4. 電子デバイスと、
    前記電子デバイスを冷却する１以上の冷却部と、
    前記電子デバイスの現在の温度と動作負荷の推定発熱量とを基に、所定期間後の温度を予測する予測部と、
    予測された温度が所定の温度用閾値以上のとき、前記冷却部を制御し、前記温度が前記温度用閾値未満のとき、前記予測部に定期的な温度予測を続けさせる制御部と、を備え、
    前記制御部は、前記冷却部を制御する場合、予測された温度変化の速度が所定の速度用閾値を超えたとき、冷却時間応答性の異なる複数の冷却部の中から、噴射型の冷却部を選択して動作させ、前記速度が前記速度用閾値以下のとき、ファンを選択して動作させることを特徴とする電子デバイスシステム。
  5. 電子デバイスの現在の温度と動作負荷の推定発熱量とを基に、所定期間後の温度を予測する予測ステップと、
    予測された温度が所定の温度用閾値以上のとき、電子デバイスを冷却する冷却機構を制御し、前記温度が前記温度用閾値未満のとき、前記予測ステップによる定期的な温度予測を続けさせる制御ステップと、を備え、
    前記制御ステップは、前記冷却機構を制御する場合、予測された温度変化の速度が所定の速度用閾値を超えたとき、冷却時間応答性の異なる複数の冷却機構の中から、噴射型の冷却機構を選択して動作させ、前記速度が前記速度用閾値以下のとき、ファンを選択して動作させることを特徴とする電子デバイス冷却方法。
  6. 請求項５に記載の方法において、温度の上昇が予測されたとき、前記冷却機構による温度制御の目標値を下げて冷却を行うことを特徴とする電子デバイス冷却方法。
  7. 請求項５に記載の方法において、温度の下降が予測されたとき、前記冷却機構による温度制御の目標値を上げて冷却を行うことを特徴とする電子デバイス冷却方法。
  8. 電子デバイスの現在の温度と動作負荷の推定発熱量とを基に、所定期間後の温度を予測する予測機能と、
    予測された温度が所定の温度用閾値以上のとき、電子デバイスを冷却する冷却機構を制御し、前記温度が前記温度用閾値未満のとき、前記予測機能による定期的な温度予測を続けさせる制御機能と、をコンピュータに発揮させ、
    前記制御機能は、前記冷却機構を制御する場合、予測された温度変化の速度が所定の速度用閾値以上のとき、冷却時間応答性の異なる複数の冷却機構の中から、噴射型の冷却機構を選択して動作させ、前記速度が前記速度用閾値未満のとき、ファンを選択して動作させることを特徴とする電子デバイス冷却プログラム。
  9. コンピュータにて読取可能な記録媒体であって、
    電子デバイスの現在の温度と動作負荷の推定発熱量とを基に、所定期間後の温度を予測する予測機能と、
    予測された温度が所定の温度用閾値以上のとき、電子デバイスを冷却する冷却機構を制御し、前記温度が前記温度用閾値未満のとき、前記予測機能による定期的な温度予測を続けさせる制御機能と、をコンピュータに発揮させ、
    前記制御機能は、前記冷却機構を制御する場合、予測された温度変化の速度が所定の速度用閾値以上のとき、冷却時間応答性の異なる複数の冷却機構の中から、噴射型の冷却機構を選択して動作させ、前記速度が前記速度用閾値未満のとき、ファンを選択して動作させることを特徴とする電子デバイス冷却プログラムを格納した記録媒体。
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