Caracterizarea Regimurilor Termice Si a Dispozitivelor de Racire Pentru Sisteme de Calcul Mobile

1.Introducere :

1.1 Generalitati

Dispozitivele electronice portabile , in special laptopurile au devenit omniprezente si populare in zilele noastre . Pe masura ce cerinta pietei a crescut , mai multe functii au fost integrate in aceste echipamente prin intermediul folosiri procesoarelor din semiconductoare de inalta perfomanta cu o dimensiune din ce in ce mai mica.

Procesorul este echipamentul cu cel mai mare consum de putere din toate componentele unui PC fie portabil fie fix. Restul componentelor cum ar fi : procesorul grafic , chipsetul , memoria etc. incep sa genereze din ce in ce mai multa caldura datorita cresterii cerintelor in ceea ce priveste performantele acestora. Acest tip de dispozitive ofera utilizatorului performatele unui sistem desktop intr-un sistem portabil . In timp ce diferentele dintre un sistem portabil si un sistem fix (desktop) se reduc , nevoia consumatorului pentru sistemul portabil este in continua crestere. Vanzarile pentru sistemele portabile au crescut de doua ori mai repede decat pentru cele fixe si constituie doua treimi din vanzarile facute pe piata in ultimii 10 ani. Aceasta tendinta este vizibila pe piata si s-a facut simtita si in sectorul industrial.

Procesoare de inalta performanta si noile arhitecturi ale sistemelor mobile (laptop) HDD-uri mai mari, memorii mai mari etc. duc la o disipare mai mare a puterii in laptopuri. Acest fapt creeaza nevoia pentru o solutie de managemant termic fara a compromite dimensiunile si greutatea sistemului portabil .

In timp ce cercetarile in arhitectura procesoarelor au dus la reducerea consumului de putere al componentelor . Producatorii de astfel de sisteme continua sa forteze limitele performantelor actuale pentru a le aduce la un nivel cat mai mare.

Designerul de sistem este prins in dilema , neavand prea mult timp pentru a gasii solutii de managemant tehnic pentru dispozitivele care apar din ce in ce mai complexe , mai compacte si cu un consum de putere din ce in ce mai mare .

Componentele periferice pentru sistemele mobile (laptopuri) sunt intr-o evolutie rapida.

Aceasta evolutie o putem compara cu trecerea de la ecranul TFT la ce LCD , HDD cu capacitate de stocare mai mare si aparatia de noi dispozitve cat mai performante si de o dimensiune cat mai mica . Competitia dura intre producatorii de astfel de sisteme fac ca pretul laptopurilor sa determine o extindere foarte rapida a pietei .

Designul unor astfel de sisteme intampina o serie de probleme precum :

-spatiul alocat

-suprafata placii cu circuite integrate

-controlul caldurii

-atenuarea zgomotului ;

Aceste probleme pot determina daca un astfel de sistem are succes sau nu .

Dintre acestea , problema controlului caldurii joaca un rol mult mai important decat pana acum .

In trecut nu se punea problema a supraincalzirii deoarece pefrormanele microprocesorului

nu erau asa de ridicate .In comparatie cu procesoarele vechi , cele actuale au ajuns la un consum cuprins intre 14-16[W].

Aceasta crestere este inevitabila deoarece microprocesoarele includ din ce in ce mai multe functii

care determina aceasta crestere . Cresterea puterii putem spune ca este direct proportionala cu generarea caldurii , prin urmare un procesor cat mai puternic va genera o caldura mai mare.

Caldura generata in interiorul laptopurilor reduce performatele microcipului si in acelasi timp afecteaza si componentele periferice (hdd-ul placa video) . Desi procesoarele sunt principala sursa de caldura aceastea nu sunt sunt in totdeaua cele mai afectate de cresterea de temperatura.

Putem folosi instrumente sofisticate de analiza pentru a solutiona problema caldurii in exces . Programe pentru simularea dinamicii fluidelor pot determina interactiunile dintre diverse componente ale unui sistem portabil. Interactiunile simulate ne pot ajuta in realizarea sistemului mobil pentru a controla disiparea caldurii .

Pentru a determina rezistenta termica a intregului sistem avem nevoie sa intelegem puterea consumata a componentelor , amplasarea lor si performantele acestora . Fiecare laptop in functie de aceste cerinte pot avea solutii pentru disipare termica diferite.

Vom analiza mai intai cerintele termice alei carcasei unui sistem mobil. Managemantul termic este mai dificil pentru sistemele portabile , deoarece trebuie sa se asigure o temperatura adecvata astfel in cat sa utilizatorul final sa nu sufere accidente, trebuie sa se asigure cu o temperature a carcasei de maxim 45 grade Celsius .

O analiza a puterii consummate de componente este bine venita deoarece performantele sistemului sunt importante pentru producatori in obtinerea unui avantaj pe piata . Varietatea configuratiilor intalnite la laptopuri complica solutiile managemantului termic . Alegand optiunea de imbunatatire a sistemului (upgrade) poti introduce componente mai performante fara a schimba ansamblul sistemului mobil . Procesoarele mai rapide genereaza caldura mai multa ce trebuie indepartata . Amplasarea componentelor in sistem este determinate de cerintele consumatorului .

1.2Apratitia pe piata a sistemelor mobile .

Calculatoarele portabile au inceput sa fie îmbunătăție semnificativ de la conceptia lor si introducerea pe piata in anii 1980. Progresele tehnologice precum și cerințele consumatorilor au condus la fabricare lor cat mai subțiri, mai ușoare și mai performante. Unitatea centrala de procesare (UCP) acționează ca un "creier" și este responsabiala pentru toate operatiunile efectuate. Îmbunătățirile continuă in puterea unitatatii centrale de pocesare , luand in considerare volumul și constrângerile de greutate, au facut ca concepte eficiente de managemant termic sa fie o necesitate in desginul unei masini de calcul.

Generațiile anterioare de microprocesoare nu aveau nici un management termic. Noua generație de microprocesoare au devenit din ce în ce mai mici și mai puternice, și au arătat o creștere rapidă în puterea totală . Aceasta putere a procesoarelor a generat o caldura mare care trebuie disipata si odata cu aceste procesoare puternice a aparut cererea de noi tehnici de gestionare termică.

Există două elemente principale de management termic: nivelul componentelor de răcire și nivelul sistemului răcire. Primul element de managemant termic se refera la solutia prin care un sistem de răcire preia caldura generata de procesor pentru a reduce fluxului termic. Nivelul sistemului de racire maximizează disiparea căldurii. Nivelul componentelor de racire include radiatoare atasate chip-ului pentru preluarea caldurii, în timp ce nivelul sistemului de răcire poate încorpora un ventilator cu turatie variabila in functie de gradul de incalzire .

Micsorarea incintei laptopului a dus la incalzirea mai rapida componentelor interne datorita lipesei de spatiu pentru disiparea pe cale naturala .Managemantul termic trebuie realizat cu grija si trebuie sa se dovedeasca eficient pentru a permite ca ratele de ceas sa fie cat mai rapide si odata cu asta si permita raciea componentelelor .

Aceste probleme termice trebuiesc tratate inca de la primele etape ale procesului de proiectare pentru a asigura recirea eficienta si rentabila a componentelelor din unitatea de calcul.

Functionabilitatea si chiar satisfactia consumatorului sunt in stransa legatura cu managemantul caldurii . De aceea au fost elaborata si dezvoltate multe tehnologii , teorii si dispozitve pt controlul caldurii in astfel de sisteme.

2.Managemantul temperaturii si amplasarea componentelor

2.1 Conceptia si aparitia sistemelor cu canale de racire

In 1997 Mochizuky a conceput si testat un sistem cu canale de racire ce folosea spatele ecranului LCD al laptopului .Un canal primar de racire (4 mm) era in contact cu CPU si transfera caldura catre al doilea canal de racire (3 mm). Al doilea canal facea transferul de caldura catre o placa de aluminiu (250 x 174 x 0,4 mm) care disipa in spatele ecranuli LCD caldura . Dimensiunile canalelor de racire au fost alese in functie de temperatura ce se dorea sa fie mentinuta la carcasa , (95 oC) cu o temperatura ambianta de 40 oC .Experimentele cu astfel de canale au aratat ca puterea disipata era intre 10-12 [W] . Combinand acest sistem de racire cu cel existent , un minim de 12 [W] putea fi disipat .

Pentru fiecare notebook e posibil sa fie necesara o solutie de managemant termic diferita .

Echipamente de racire folosite in carcasa au drept menire scoaterea caldurii in exterior .

Pentru sistemele portabile , problema racirii devine mai grea deoarece temperatura carcasei trebuie mentinuta la un anumit nivel astfel incat sa nu "raneasca" utilizatorul. Un sistem simplu de racire este prezentat in Figura 2.1.1.

Temperatura ideala care este luata in considerare pentru carcasa ar fi de 45 de grade C.

Figura 2.1.1 Sistemul clasic de racire pentru un ansamblu mobil.

Examinarea puterii consumate de componentele sistemului este un pas important in designul acestuia . Deoarece performantele si caracateristicile sistemului sunt importante pentru a obtine un avantaj in fata competitorilor de pe piata , varietatea laptopurilor complica problema managemantului termic . Strategia de upgradare a sistemului permite imbunatatirea cu componenete mai performante far a schimba ambalajul lapotopului .

Microprocesoarele mai rapide genereaza mai multa caldura ce trebuie indepartata din sistem. Pentru proccesoare de tip PENTIUM puterea consumata variaza intre 5 si 15 W in functie de tipul laptoplui .

Procesoarele din generatia urmatoare sunt preconizate sa aibe un consum de putere intre 12 si 17 W .Coponente noi precum unitatea optica chipsetul AGP si boxe audio deasemenea produc caldura in plus in sistem complicand problema designului termic .

De la sfarsitul anilor 90 , acest sistem de racire a fost incorporat in sistemele portabile IBM Thinkpad prezentat in Figura 2.1.2.

Figura 2.1.2

Schema sistemului de racire in IBM ThinkPad

O alta solutie des intalnita este un sistem de schimb al caldurii combinat ce cuprinde canale de racire , radiator si ventiator . Nguyen (2000) a testat acest concept utilizand o bara din Cupru pentru susra de caldura , canale de racie din Cupru si radiator in Aluminiu . Un capat al canalului de racire de 6 mm este atasat barii de cupru ( 30 x 30 x 3 mm) iar celalat capat este atasat la baza radiatorului de Al. (100 cm2 suprafata utila de racire al radiatorului).

Un ventilator (50 x50 x 9 mm ) asigura un debit de aer fortat prin radiator asa cum este aratat in Figura 2.1.3. Acest sistem de racire poate sa disipe o putere de 20 [W].

Figura 2.1.3 . Schema unui sistem de racire combinat .

Pe la mijlocul anilor 90 INTEL a folosit doar canalele de racire in combinatie cu placa de disipare (Figura 2.1.4), dar apoi a fost inlocuit cu sistemul combinat , implementat in INTEL MOBILE PENTIUM III COOLING TECHNOLOGY cu o putere medie disipata de 20 [W].

Notebook-ul Toshiba Portage 3480CT foloseste acelasi sistem combinat de racire dar cu o configuratie diferita , folosind un radiator din magneziu care capteaza caldura de la suprafata cipului .

Evaporarea apei are loc la capatul cald al canalului de racire (atasat la radiator ) ,si caldura este disipata prin placa de aluminiu in timp ce vaporii se racesc (Figura 2.1.5).

Figura 2.1.4 .

Canalul de racire si placa de disipara de sub tastarura.

Figura 2.1.5 . Schema sistemului de racire pentru Toshiba Portage

2.2 Aranjarea componentelor in incinta sistemului

Amplasarea componenetlor in cadrul sistemului e determinata de cerintele consumatorului final . De exemplu amplasarea tastaturii in apropierea ecranului LCD este des intalnita , acest aranjament permite crearea unei suprafete netede unde utilizatorul isi poate pozitiona mainile cand tasteaza .

Bateria si unitatea optica trebuiesc pozitionate astfel incat sa fie posibil accesul la acese componente. Dupa ce se obtine o amplasare preliminara a componentelor , o analiza termica se poate face asupra sistemului . Fiecare componenta are o temperatura maxima specificata care trebuie mentinuta in solutia termica .Microprocesorul care genereaza cea mai mare cantitate de caldura , necesita o temperatura in medie mai mica de 85 de gracde C , insa diferite tipuri de aranjament al procesorului va avea o limita de temperatura variabila .Solutiile de racire sunt de fapt ansamble de echipamente pentru sistemle cu performate scazute care disipa o putere de 18 W ( 8 W fiind generate de microprocesor ) se poate folosii ca sistem de racire un radiator si ventilator cu un ventilator montat deasupra microprocesorului .

In momentul in care puterea disipata de mareste la 25 de W ( 12 W genereati de microprocesor) se pot folosii canale de racire cu rolul de a transporta caldura catre un ventilator sau guri de aerisire . Canalele de racire in mod frecvent sunt atasate la o suprafata de disipare a caldurii aflata sub tastatura .

Pentru a pune in apliacre principiul "Time to profit" designerii de sisteme se regasesc intre

doua extreme si anume cele ale costului scazut si ale performantelor ridicate. De obicei esecurile

care apar la sistemele portabile in forma lor finala se datoreaza considerentelor termice

luate gresit . Acest lucru se datoreaza deoarece problema managemantului caldurii este luata in considerare abia la sfrasitul partii de design.

Exemplul aplasamentul tastaturii este preferat mai aproape de ecranul laptopului astfel se creaza o zona pe laptop (la suprafata ) unde utilizatorul isi poate pune mainile in timp ce scrie .

O scurta prezentare despre modul incare se poate efectua racirea unui sistem de calcul fix sau mobil cu ajuotul canalelor de racire si proprietatile acestora .Canalele de racire sunt inchise etans si sunt partial umplute cu un fluid .

Canalul prin care trece acest fluid actioneaza ca o pompa pasiva prin actiune capilara pentru a sporii cirulatia caldurii in canalul de racire. Cu ajutrul acestor canlele au incercat sa evite folosirea ventilatoarelor mici din cauza costului fiabilitatii si consumul de energie.

In ultimii ani au aparut diverse inbunatarii in aceste metode de ventilatie sau racire .Costurile au scazut in continuare astfel putand fi accesibile folosirii la sistemele mobile

Chiar daca folosirea ventilatoarelor nu este atat de fiabila in laptopuri cum este la desktopuri se folosesc venitlatore de dimensiuni mici care nu vor consuma foarte multa energie .

Comsumul puterii si al energiei scade iar unele ventilatoare consuma doar 0.2 [W ] pentru operatiile tipice .

Una dintre metodele utilizate de designerii sistemelor de calcul mobile este prezentata in

Figura 2.2.1. Dupa cum reiese din aranjarea prezentata in Figura 2.2.1 , caldura generata de procesor este condusa spre o bucata de metal care este in contact direct cu procesorul folosind o interfata de material termic .

Caldura este transfera prin doua parti pentru o disiparea cat mai eficienta :

-o solutie pasiva si este reprezentata de bara de incalzire care este situata deasupra bucatii de metal.

– o slolutie activa si este reprezentata ansanblul ventilatorului care este compus dintr-un radiator si ventilator pentru a permite trecerea curentului de aer spre radiator .

O aerisire speciala este creata in spatele laptopului pentru a permite aerului sa iasa din radiator.

Figura 2.2.1. Aranjarea componentelor pentru racire.

2.3 Proiectarea si aranjarea fiecarei componenta notebookului :

Planificarea pentru problemele termice trebuie facuta inca de la începutul ciclului de proiectare. In acest fel se poate realiza răcirea in cel mai eficient mod incat design-ul notebook-ului sa ramana neschimbat.

Adesea cel mai eficient și mai puțin costisitor mod de răcire este de a plasa atent componentele. Păstrarea componentelor fierbinți în curentul de aer și păstrarea hard disk-uri sensibile la căldură departe de procesor ajută la menținerea căldurii sistem în limitele acceptabile. .

CPU generează cea mai mare parte de căldură într-un notebook, de aceea este extrem de important să se identifice cerințele de spațiu pentru orificiile de ventilație, ventilatoare necesare pentru a răci CPU. Asezarea procesorului este prezentata in Figura 2.3.1.

Figura 2.3.1. Asezarea si caldura produsa de procesor in Notebook.

Deoarece chipsetul si memoria trebuie să fie răcit de radiator , este necesar sa se identifice cauzele producerii caldurii a mai multor component.In Figura 2.3.2 este prezentat asezarea si temperatura chipsetului.

Figura 2.3.2. Temperatura chipsetului.

Deoarece notebook-ul este un sistem închis , analiza termică include, de asemenea HDD , CDROM , DC-DC , și bateria . Buna gestionare a întregului sistem afectează designul final ansamblul radiatorului .(Figura 2.3.3)

Figura 2.3.3. Aranjarea perifericelor .

Analiza comportamentului termal a sistemului retelistic functioneaza ca un intreg si reduce timpul ciclic al modelului si de multe ori elimina prototipurile scumpe . (Figura 2.3.4).

Figura 2.3.4. Analiza termica finala unui notebook.

3.Metode de racire:

3.1Tehnologia de racie cu lichid

Desi nu este cea mai utilizata metoda de racire , este cunoscut faptul ca lichidul poate gazdui semnificativ fluxul termic datorita caldurii specifice ce prezinta conductivitate termica . Aceasta metoda de disipare a caldurii are doua utilizari : directa si indirecta .

Racirea cu lichid indirecta impiedica orice contact intre componentele microelectronice si lichidul propriu zis.Acest caz este foarte util deoarece asigurara o conductie termica foarte buna. Pentru cazurile indirecte este recomandat ca lichidul de racire sa fie apa din cauza proprietatilor termice dar si a costurilor reduse , iar in cazut recirii directe este recomandat Flour-Carbonul din cauza caracteristicilor chimice Propietatile lichidelor sunt prezentate in Tabelul 1.

Racirea directa cu lichid consta in contactul direct a componentelor cu lichidul propriu zis . Deoarece nu exista nimic altceva intre licid si microchip , caldura este transportata spre mediul de recire foarte rapid. Tot odata cu aceasta metoda se elimina rezistenta conductiei termica suplimentare si creste coeficientul de transfer termic.

Desi multe lichide pot asigura si furniza racirea directa , trebuie verificata inainte compatibilitatea chimica a lichiduli cu componenta careia ii va asigura racirea pentru a evita distrugerea acesteia.

Tabelul 1.

Compararea prprietatilor termice ale lichidelor de racire , Apa si Flor-Carbon.

Fierberea este un proces de transfer de caldura prin convectie care depinde de schimbarea propietatii fluidului de lucru si transformarea in bule de vapori la suprafata incalzita .Acest fenomen este cunoscut ca punctul de fierbere sau debitul de fierbere.

Curba de fierbere prezentata in Figura 3.1.1 pentru un lichid de răcire tipic Fluor-carbon prezintă magnitudinea de fluxuri de căldură în funcție de "peretele supraincalzit". 

La puteri mici ale chip-ului, are loc o convecție naturală (AB) si începe procesul de transfer de căldură, până când se ajunge la supraîncălzire si se inițiaza o creștere cu bule la suprafata, la care începe punctul de fierbere. 

Pe măsură ce puterea crește, bulele se îndepărteze mai frecvent , crescând astfel circulația lichidului de lângă chip. Regiunea dintre B și C poarta denumirea de regim de fierbere de nucleu unde circulația de fluid creste datorita miscarii bulelor de vapori si oferă posibilitatea de a găzdui flux de căldură mai mare cu creștere minimă a temperaturii de suprafață.

Secțiunea D-E arată tranziția la puntul de fierbere în care transferul de căldură depinde de conducție prin vapori. 

Transferul de căldură în această regiune este foarte slab și poate duce la insuficienta electronica din cauza temperaturilor ridicate. Modul cel mai de dorit pentru răcire electronică este regimul de nucleu de fierbere.

Figura 31.1. Curba si punctul de fierbere ale lichidelor de racire.

3.2Racirea cu doua faze

Sistemele termice furnizeaza o metodă pasiva de transfer de căldură în două faze care transmit caldura de la spații închise la o pompa de caldura . O conductă de racire este un vas metalic evacuat și sigilat umplut parțial cu o cantitate mică de lichid (de obicei, apă sau metanol) de lucru care se evapora deoarece căldura este aplicată pe suprafața metalică (Figura 3.2.1).

Structura de tip “Wick” (Structura fragila) de pe pereții interiori ai conductei de racire furnizeaza forțe capilare pentru a incarca pompa de caldura la loc iar la sfarsitul conductei de racire se finalizaza ciclulul continuu de evaporare .

Figura 3.2.1.Sectiunea si principiul canalului de racire .

Prima implementare a unui canal de racire intr-un sistem de calcul a fost in 1994 desii sistemul de racire folosind astfel de canale exista inca din 1963. Notebook-urile de pana atunci pentru a realiza racirea sa bazau pe simple radiatoare metalice , dar spre sfarstitul anilor 90 aproximativ 60% din notebook-uri foloseau canale de racire in solutii de managemant termic. Printre avantajele canalelor de racire se numara structura lor simpla , usoara , fara componente mecanice si fara cansum de energie .Canalele de racire transfera caldura de la CPU si o disipa prin intermediu unei sprafete mari cum ar fi componente aflate in contact cu exteriorul , precum tastatura sau carcasa .

Totusi exista o limita asupra cantitatii de putere ce poate fi disipata doar prin aceasta metoda .Prin intermediul unor studii s-a estimat ca aceasta metoda poate asigura disiparea unei puteri de maximum 6.54 [W] .

3.3 Racirea cu ajutorul ventilatorului si al unui radiator

Pentru sistemele unde caldura generata este mai mare de 30 de W (15 W generat de CPU) un vetilator este necesar pentru a controla temperatura aerului din interiorul sistemului , canalele de racire placi de disipare si radiatoarele au rolul de a conduce caldura catre ventilator unde apoi este scoasa in afara sistemului. Astfel ventilatia devine un criteriu important in desigul termic .Locatia gurilor de aerisire se poate determina la analiza intiala termica .Reducerea distantei intre componentele de racire are un impact mare asupra cosului si dimensiunile sistemului . Pentru un sistem cu performante scazute , un ventilator nu este necesar . Curentii de aer naturali creati de gurile de ventilatie pot scoate caldura din sistem , daca amplasarea lor este facuta corespunzator (Figura 3.3.1) .

Figura 3.3.1. Componentele lapotpului cu radiator ca solutie termala .

Selectarea unui ventilator trebuie sa fie facuta in functie de puterea acestuia si al debitului de aer produs . Datorita spatiului mic din astfel de sisteme dimensiunea standard pentru un venitlator este 25x25x10 mm .Ventilatoare mai mari au o eficienta mai proasta datorita scaderii presiunii aerului. In plus in laptopuri durata de viata a bateriei este foarte importanta , iar un ventilator nu trebuie sa consume atat de mult incat sa o scurteze . Astfel ventilatoarele folosite in astfel de sisteme pot fi controlate cu un senzor de temperatura pentru al pornii doar atunci cand este nevoie .

Canalele de racire sunt alte componente ce pot fi folosite pentru a muta caldura spre exteriorul sistemului . Acestea sunt tuburi sigilate facute din Cupru de obicei . In interiorul tevii de de Cupru este o cantitate mica de lichid care se vaporizeaza cand caldura creste . Vaporii generati se muta catre celalat capat al tevii unde caldura este indepartata si vaporii de condenseaza .

Pe peretele interior al tubului este un strat poros care readuce lichidul catre partea incalzita a tubului ,.Deoarece lichidul isi schimba starea de agregare , caldura poate fi absorbita si mutata foarte eficient. Canalele de racire sunt de 6 ori mai eficiente decat conducerea caldurii prin Aluminiu . Insa coturile si sectiunile plate ale canalelor reduc eficienta acestora . Laptopurile in mod uzual folosesc canale cu diametru de 4 sau 3 mm .

Canalele cu astfel de dimensiuni pot muta pana la 20 de W de caldura . Pentru sistemele cu performante slabe placile de Aluminiu sunt o solutie de transfer de caldura foarte eficiente din punct de vedere al costului . Folosite impreuna cu canalele de racie aceste placi pot aduce caldura direct la tastatura . Se poate adauga o placa in plus in spatele tastaturii care poate absorbii pana la 4 W fara o crestere semnificativa a temperaturii .Pentu sistemele cu performante mari placile pot fi folosite pentru a prelua caldura generata de dispozitive precum sursa de alimentare . Figura 3.3.2 prezinta miscarea curentilor de aer produsi de ventilator prin interiorul unui netebook.

Figura 3.3.2. Fluxul de aer creat de ventilator

Dat fiind spatiul mic din interiorul unui laptop , folosirea unui radiator impreuna cu un ventilator poate obtine cea mai mare disipare de caldura . Un canal de racie este de obice atasat la radiator astfel incat caldura generata de componentele laptopului sa fie transmisa catre acesta.

Aceasta metoda de racire poate fi folosita pentru managemantul termic integral al sistemului datorita eficientei cu care acesta muta caldura catre exterior .

4.Metode de masurare a temperaturii :

4.1 Metode generale de masurare a temperaturii :

Traductoare – Traductoare termice precum termocuplele si termistoarele au fost folosite pentru a masura temperature circuitelor tip VLSI .Dar aceste traductoare au o seride de dezavantaje in ceea ce riveste masurarea temperaturii . Ele necesita o atentie sporita cand sunt pozitionate , conectate si puse in folosire .In plus masuratorile facute cu astfel de senzori trebuie sa fie immune la semnalele de inalta frecventa ce apar pe echipamentele de achizitie a datelor . Datorita acestor dezavantaje , au aparut alte metode precum plasarea senzorului pe chip.

Senzori CMOS – Masurarea temperaturii folosind interdependenta dintre tensiunea si temperatura tranzistoarelor bipolare si CMOS a fost folosita de la inceputul cercetarilor in acest domeniu .Desi tranzistoarele bipolare au o sensibilitate si o stabilitate a temperaturii mai buna decat cele CMOS nu pot fi folosite in sulutiile care folosesc tranzistoare CMOS . Tranzistoarele MOS au fost folosite adesea ca senzori de temperatura datorita dependentetei lor de temperature in regiunile de inversare slabe. Aceasta dependent poate fi exploatata pentru a folosii tehnologie bazata pe tranzistoare CMOS pentru o monitorizare a chipurilor de tip VSLI . Avantajele acestor senzori sunt : Un consum de putere redus si dimensiuni reduse .Dezavantajul este dependenta de temperature mai slaba fata de tranzistoarele bipolare .

Termometre IR – O alta metoda de masurare a temperaturii echipamenteleor electrice este folosirea termometrelor IR care masoara temperature la suprafata chipului . Aceasta metoda indeparteaza nevoia de contact intre suprafata calda si senzor . Din moment ce eficenta unui astfel de senzor este redusa la suprafetele lucioase , un strat subtire de aluminiu este aplicat pe suprafetele metalice ale chpurilor .

Simulari software – Simularile termice sunt o alta metoda de estimare a temperaturii , ele sunt in special folositoare la masurarea temperaturii pentru chipuri cu diferite granulozitati . Unul din cele mai folosita programe pentru astfel de simulari se numeste HotSpot.Programul foloseste pentru simulari un circuit echivalent cu rezistente termice si capacitati condensatoare corespunzatoare unei microarhitecturi prezente intr-un chip .

Studiile cu astfel de metoda au aratat ca zonele cu temperatura ridicata se intalnesc la nivelul granularitatilor locurilor ce alcatuiesc un chip . Doua modele sunt obtinute din simularile temice . Unul vertical a schimbului de caldura de la nucleul chipululi la radiator si de la radiator in aerul inconjurator . Si un model orizontal ce caracterizeaza transferul de caldura intre microarhitecturile diferitelelor blocuri ale chipului. Din moment ce validarea acestor modele este dificila datorita lipsei metodelor de masura a temperaturii la nivel local s-a folosit un program ce foloseste metoda elementului finit pentru analiza si compararea rezultatelor . Au fost obtinute erori mai mici de 5% intre rezultatelor modelelor .

Diode integrate – O alternativa la metoda senzorilor CMOS este calcularea temperaturii nucleului prin masurarea tensiunii jonctiunii diodei localizate in suportul pentru FPGA . Unele modele XILINX FPGA permit accesul la dioda prin intermediul unor pini eterni care pot fi conectati la o placa de achizitie pentru a obtine temperatura nucleului .

4.2 Termometre care folosesc Ring Oscilator

Mod de functionare: Ring Oscilator este format prin conectarea unui numar impar de invertoare intr-o bucla , prezentat in Figura 4.2.1 .

Figura 4.2.1 – Modul de functionare Ring Oscilator .

In oscilatie apare un punct de tranzitie dupa o perioada de timp egala cu timpul de intarziere al unei porti logice inmultit cu numarul de invertoare in bucla (Figura 4.2.2). Perioada unei oscilatii este de doua ori suma intarzierilor invertoarelor din bucla si este data de ecuatia 4.2.1

(4.2.1)

Unde:

este perioada unei oscilatii ;

este timpul de intarziere al unui invertor ;

este numarul de invertoare din bucla ;

Pentru a incepe oscilatia trebuie mai intai ca ultimul invertor al buclei sa fie deconectat de la primul . Un impuls constant este introdus in primul invertor , apoi acestuia i se permite sa se propage prin toate invertoarelor din bucla . Impulsul de iesire al ultimului invertor este reconectat la intrarea in primul invertor . Din acest moment oscilatia se autosustine .

Frecventa de oscilatie al unui Ring Oscilator este proportionala cu schimbarea temperaturii din moment ce viteza de comutatie a tranzistorului aflat in interioul invertorului este direct influientata de temperatura .

Ecuatia 4.2.2 arata relatia dintre tranzistoarele MOS FET si temperatura . Aceasta dependenta este aproape liniara , facand posibila calibrarea usoara a frecventei la iesire a unui ring oscilator , pentru a da o estimare directa a temperaturii chipului Figura 4.2.2 (perioada de oscilatie a unui ring oscilator )

(4.2.2)

Unde :

este temperatura ;

este temperatura nominala ;

este viteza de comutatie la ;

este parametru empiric denumit exponentul vitezei de comutatie in functie de temperatura cu valori intre -1 si -1,5 .

4.3 Beneficiile folosiri in sisteme FPGA

masurarea temperaturii la jonctiune : din moment ce sunt folosite pe suprafata FPGA ring oscilator pot masura temperatura la jonctiune spre deosebire de dispozitive precum termocuplele ce masoara temperatura la exterior .

dimensiunie reduse : un ring oscilator poate fi creat intr-un FPGA prin configurarea tabelului LUT (lookup table ) pentru a implementa structura din Figura 4.2.1 . Marimea unui ring oscilator este mica si ocupa o fractie redusa din resursele disponibile ale chipului .

iesire digitala : spre deosebire de celelalte traductoare de temperatura precum dioda termica , semnalul de iesire de la un ring oscilator este in totalitate digital , eliminand nevoia unui convertor analog digital dupa preluarea semnalului .

sensibilitate mai buna a temperaturii : folosind ring oscilator se poate obitne temperatura din anumite zone ale chipului prin plasarea acestora in diferite locatii in interiorul chipului . Acest beneficiu poate fi folosit in strategii pentru reducerea zonelor de acumulare a caldurii intr-un chip .

capabilitatea de reconfigurare : prin intermediul reconfigurarii dinamice senzorul si circuitele asociate lui pot fi scoase din FPGA cand nu sunt necesare si reinstalate cand apare nevoia lor .

5.Monitorizarea termica

Structura monitorizarii tehnice este aratata in Figura 5.1 . Aceasta numara oscilatile unui RingOscilator intr-o perioada fixa de timp. Este realizata prin programarea Ring Oscilator sa genereze un semnal de ceas , a carui frecventa este direct dependenta de temperatura . Semnalul de ceas generat de Ring Oscilator se numeste Ring Clock .

Alt circuit de incrementare care este obtinut dintr-un semnal de ceas constant, este folosit pentru a masura decate ori incrementarea dependenta de temperatura numara intr-o perioada fixa de timp.

Deoarece perioada Ring Oscilaor este o functie dependenta de temperatura numaratoarea obtinuta variaza cu temperatura circuitului .

In aceasta aplicatie de implementare , un semnal de ceas fix de 33 MHz determina o incrementare de 12 biti , Bitul cel mai semnificativ (MSB) este introdus intr-un circuit de detectare a varfurilor . Semnalul de iesire de la Rong OScilator determina o incrementare de 16 biti . Cand un varf este detectat in MSB ,incrementarii cu semnal fix , un semnal de selectare este plicat unui multiplexor care determina ca semnalul de iesire al incrementarii de 16 biti dependent de temperatura sa genereze un semnal ce indica faptul ca acesta este gata pentru a fi citit . Apoi incrementarea de 16 biti se reseteaza la 0 . Din moment ce temperatura variaza in functie de timpul de FPGA numarul oscilati de incrementare 16 iti intr- perioada fixa de timp difera datorita efectului temperaturii.

Figura 5.1. Arhitectura termica folosind Ring Oscilator

Figura 5.2 ilustreaza formele de unda pentru functionarea termica si dependenta frecventei ring oscilator in functie de temperatura . Cand temperatura scade se reduc si perioadele ring oscilatorului ceea ce duce la o crestere a frecventei.

Figura 5.3 arata nivelul portii si structura ring oscilatorului. Aceasta consta in 23 de invertoare ce sunt conectate intr-o bucla. Poarta “SI” este folosita pentru initializarea oscilatorului iar iesirea semnalului de ceas este generata de dependenta temperaturii.

Frecventa de functionare la temperatura camerei este de aproximativ 80MHz. Numărul de invertoare a fost ales astfel incat numaratoarea sa varize cu 1 la fiecare schimbare de 0.25 grade C.

Figura 5.2 Functionarea termica si dependenta frecventei.

Figura 5.3 Nivelul portii si structura ring oscilatorului

Modelul cu rezistenta termica

Configuratii din articole

FPGA – simularea unui senzor pe chip _ “filed programabile gate A.”

Concept RING OSCILATOR .

Parte teoretica

Studiu de caz

Grafice

Configuratii