Выбор устройств охлаждения процессоров в электронной

1
ВЫБОР УСТРОЙСТВ ОХЛАЖДЕНИЯ ПРОЦЕССОРОВ
В ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЕ
Кандырин Ю.В., Хватынец С.А.
CHOICE of DEVICES of COOLING of PROCESSORS
In the ELECTRONIC EQUIPMENT
АННОТАЦИЯ
В работе приведены основные сведения о причинах повышенного тепловыделения в
центральных и графических процессорах, приведен обзор современных конструктивных методов решения проблемы рассеивания тепла от теплонагруженных элементов и дано краткое
описание авторской программы многокритериального выбора кулеров.
Обеспечение работоспособности конструкций радиоэлектронных и электронновычислительных устройств во многом определяется рациональным выбором теплового режима
теплонагруженных электронных компонентов и, в первую очередь, центральных и графических
процессоров (ЦП и ГП). Рассеиваемая тепловая мощность для современных ЦП может достигать 130-160 Вт. Это требует особого внимания к выбору их систем охлаждения.
В работе проведён обзор наиболее популярных технологий отвода тепла от полупроводниковых элементов, а также предложен метод и программные средства многокритериального
выбора (МКВ) оптимальной системы охлаждения по техническим и стоимостным показателям
качества, приводится пример работы с программой МКВ на примере выбора кулера для ЦП.
Для обеспечения необходимого быстродействия производители ЦП и ГП, а также наборов системной логики (чипсетов) постоянно совершенствуют свою продукцию, добавляя новые
функциональные блоки, совершенствуя технологические процессы изготовления, увеличивая
частоту процессоров. Хотя, надо сказать, что количество транзисторов и тактовая частота процессоров не являются залогом их производительности, что видно на примере процессоров Intel
(Pentium 4 XE 3.73 ГГц) и AMD (Athlon 64 FX-55). Разница в частоте между ними более 1 ГГц,
количество транзисторов у первого 169 млн., у второго 106, а тепловыделение 115 Вт и 103 Вт
соответственно. В среднем же в различных тестах Athlon 64 FX-55 имеет небольшое преимущество над Pentium 4 XE 3.73 ГГц. Крупнейший производитель микропроцессоров Intel отказался
от выпуска процессоров с тактовой частотой 4 ГГц и более, из-за низкого выхода годных образцов при использовании освоенных на сегодня технологий их производства. Поэтому наиболее перспективным направлением сегодня становится создание многоядерных процессоров, но
это еще больше обостряет проблему отвода тепловой мощности от ядра ЦП. Например, самым
высоким уровнем выделяемой тепловой мощности обладает двух ядерный процессор Intel
Pentium XE 840 с тактовой частотой 2  3200 ГГц, состоящий из 230 млн. транзисторов, который имеет тепловыделение 130 Вт, причем ядро, выделяющее столь значительную тепловую
мощность, имеет площадь всего 206 мм2.
Вторыми по уровню выделяемой тепловой мощности являются графические процессоры.
Сегодня производительность и возможности ГП многократно возросли. За девять последних
лет разрядность этих процессоров возросла с 32 бит до 512 бит, а количество транзисторов с 3.5
млн. до 350 млн. Это не могло не сказаться на потребляемой мощности и появлении новых
проблем с тепловыделением. Ещё в 1996 г. графические процессоры имели «небольшое» количество транзисторов и работали на относительно малых частотах (менее 100МГц), что позволяло обходиться без дополнительного охлаждения. Сегодня ГП уже не могут нормально функционировать без дополнительного охлаждения, и некоторые производители графических карт
устанавливают жидкостные системы и системы охлаждения на тепловых трубках, т.к. производительности привычного радиатора с установленным на него вентилятором уже не хватает.
2
Физика процессов тепловыделения в ЦП и ГП
Известно, что полупроводниковые приборы, выделяющие тепловую мощность менее 3
Вт на кристалл, могут функционировать без дополнительных теплоотводов. В истории персональных компьютеров такими микропроцессорами были 8080, 8086, 80186, 80286 и 80386, однако уже i80486 микропроцессор требовал дополнительного охлаждения.
Современные процессоры выделяют уже существенно большую тепловую энергию. И
дело здесь не только в резко возросшем числе вентилей в кристалле и тактовой частоте, но и в
длительностях фронтов и спадов импульсов тока в сигналах, используемых процессором.
Чтобы достичь определенной тактовой частоты, необходимо иметь соответствующие
значения длительностей фронтов и спадов тактовых импульсов, иначе импульсы просто сольются друг с другом. Длительности в свою очередь зависят от паразитных емкостей транзисторов процессора. Речь идет о накопленном объемном заряде, который препятствует переключению транзистора в другой режим. Для уменьшения длительностей фронтов и спадов тактовых
импульсов повышают ток в импульсе, а это приводит к дополнительному разогреву полупроводника. Повышается выделяемая тепловая мощность, которая ограничивает рост частоты, однако до некоторого предела это ограничение обычно преодолевается использованием хорошей
системы охлаждения. С повышением температуры растет уровень теплового шума в тактирующих импульсах процессора. Наступает момент, когда флюктуации теплового шума становятся
сравнимы с уровнем информационных импульсов, в этой ситуации возникают ложные переключения транзисторов, что ведет к ошибкам в передаваемых данных и «зависанию» ЦП и ГП.
Наиболее простым решением проблемы воздействия тепловых флюктуаций в тактовых
импульсах, является повышение напряжения питания электронного устройства и, как следствие, увеличение уровня информационных импульсов над тепловыми шумами. Однако при
недостаточно производительной системе охлаждения температура электронного устройства
возрастет, а с ней возрастает и уровень тепловых флюктуаций. Ситуация повторяется, а в конечном итоге, если электронный прибор не снабжен механизмом защиты от перегрева, он выходит из строя из-за теплового пробоя, обусловленного перегревом p-n переходов.
Проблему снижения объемного заряда решают уменьшением размера транзистора. Технологически достижимая толщина диэлектрика затвора (SiO2) составляет до 90 нм, что не превышает нескольких атомов. Чем меньше размеры транзисторов, тем меньше накопленный объемный заряд, тем короче фронты и спады импульсов и тем меньше можно сделать ток в импульсе, что даёт возможность снизить уровень выделяемой тепловой энергии. Однако на пути
уменьшения размеров транзистора есть свои трудности, одна из которых – возрастание токов
утечки.
Для устранения токов утечки Intel в 2001 году разработала новый тип транзистора – так
называемые терагерцевые транзисторы [1] [2].
Со времен создания технологии кремний-на-изоляторе (SOI) было сделано много их усовершенствований.
Во-первых применен новый материал диэлектрика затвора – силицид никеля (NiSi) вместо двуокиси кремния, который при толщине в несколько атомов (до 90 нм) теряет свойства диэлектрика. Соответственно у процессора, собранного на транзисторах с диэлектриком затвора
из SiO2 значительно большее тепловыделение и низкий КПД (первая ревизия процессора Intel
Pentium 4 на ядре Prescott).
Во-вторых, в канале транзистора применен напряженный кремний – расширение шага
кристаллической решётки кремния во время соединения с другим материалом (к примеру, германием) существенно увеличивает скорость переключения транзисторов. Кремниевая решётка
растягивается примерно на 1%. В итоге улучшается мобильность электронов, которые проходят
через кристаллическую решётку, и чип требует меньшего напряжения, что приводит и к снижению тепловыделения. Транзисторы, использующие технологию "напряжённого кремния", также обеспечивают больший запас вычислительной мощности процессора.
Напряженный кремний [3] создается двумя путями: сжатие P-каналов при помощи стока
и истока из SiGe (вместо легированного Si) и растяжение N-каналов напряженным слоем Si3N4
поверх транзистора. К 2007 году планируется перейти на новый материал диэлектрика затвора
3
– “high k”, обладающий высокой диэлектрической проницаемостью, который сможет дополнительно снизить токи утечки и металлический затвор транзистора. Все это позволит уменьшить
размер транзистора до 22 нм к 2010-2011 году.
Наглядным примером снижения тепловыделения при изменении технологического процесса являются процессоры Intel Pentium III на ядре Coppermine и Tualatin. Первый изготовлялся по технологической норме 0.18 мкм, второй - 0.13 мкм. При одинаковых частотах процессор
на ядре Tualatin выделял 29.5 Вт против 37.5 Вт у Coppermine, при этом напряжение питания
было снижено с 1.7 В (у Coppermine) до 1.45 В (у Tualatin).
СПОСОБЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ ЦП и ГП
На
сегодняшний
день
применение
технологии
кремний-на-изоляторе
(AMD) и напряженного кремния (Intel) позволило производителям удержать тепловыделение
процессоров на уровне 130 Вт. Эта цифра вплотную подошла к условно принятой (Intel) допустимой границе, что, в свою очередь, способствовало применению динамических режимов
энергопотребления в ЦП и ГП. В режиме простоя процессор отключает неиспользуемые блоки,
снижает свою тактовую частоту, тем самым, снижая потребление и выделяемую тепловую
мощность. Подобная функция присутствует и в графических процессорах, которые могут отключать блоки обработки 3D графики и динамически снижать тактовые частоты ядра и графической памяти при работе с двухмерной графикой.
Подобные меры призваны снизить среднее потребление электроэнергии ПК, а также понизить средний уровень выделяемой тепловой мощности ЦП и ГП. Однако, при полной вычислительной нагрузке ЦП или ГП выдадут максимальную тепловую мощность, а такие нагрузки,
зачастую бывают продолжительными по времени. Здесь без производительной системы охлаждения уже не обойтись.
Какими показателями качества должна характеризоваться современная система охлаждения ЦП и ГП? Прежде всего, производительностью, т.е. способностью рассеивать определенную тепловую мощность от кристалла процессора. Кроме производительности не менее важен уровень акустического шума, возникающего при работе системы охлаждения. Для персональных компьютеров его величина ограничена 50 дБа, а для рабочих станций и серверов - 70
дБа. Чем «тише» система охлаждения, тем комфортнее работа человека за компьютером.
Приведем краткий обзор принципов действия некоторых серийно выпускаемых систем
охлаждения компонентов электронных устройств:
 аэрогенные системы охлаждения (пассивное воздушное охлаждение);
 аэрогенные системы охлаждения (активное воздушное охлаждение);
 элементы Пельтье (тепловой насос);
 жидкостное охлаждение;
 криогенное охлаждение (системы с фазовым переходом);
 тепловые трубки.
Пассивные и активные аэрогенные системы охлаждения.
Это наиболее распространенный способ охлаждения ЦП и ГП. Пассивные теплообменные конструкции – радиаторы, предназначены для увеличения площади теплоотдачи в окружающую среду, благодаря «развитости» поверхности радиатора, вследствие чего улучшается теплообмен между ядром процессора и окружающей средой. Принцип действия пассивного радиатора описывается конвективным теплообменом, использующим естественное макродвижение
газа, возникающее вследствие различных плотностей горячего и холодного воздуха. Этот процесс описывается законом Ньютона и существенно зависит от давления окружающей атмосферы и направления поверхностей (верхняя, боковая или нижняя) стенок радиатора.
Одной из модельных характеристик пассивного воздушного охлаждения является термическое сопротивление – величина, позволяющая оценить эффективность системы охлаждения.
4
Термическое сопротивление в системе «ядро процессора–окружающий воздух» (RCA)
выражается простым соотношением:
RCA 
Tc  Ta 
Q
, где
(1)
RCA – термическое сопротивление системы «процессор–окружающий воздух»;
Tc – температура поверхности теплораспределителя процессора;
Ta – температура окружающего воздуха;
Q – тепловая мощность, выделяемая ядром процессора;
В реальной ситуации термическое сопротивление RCA складывается из двух
термических сопротивлений:
RCA  RCS  RSA ,
где
(2)
RCS – термическое сопротивление теплопроводящей пасты, обусловленное её теплопроводностью, толщиной промежутка «кристалл – радиатор» и площадью их соприкосновения;
RSA – термическое сопротивление системы «радиатор–окружающий воздух»;
Рис. 1. Схема пассивной системы охлаждения с радиатором
Чем ниже результирующее тепловое сопротивление, тем выше эффективность отвода
тепла радиатором от ядра процессора. На практике термическое сопротивление конвективной
составляющей RCA во многом зависит от площади оребренной поверхности радиатора, скорости
потока воздуха, технологии изготовления и материалов, применяемых для изготовления радиатора.
Для интенсификации конвективного теплообмена применяют искусственное охлаждение, конструктивно реализуемое в виде системы «радиатор-вентилятор – окружающее пространство». Главным компонентом таких систем активного воздушного охлаждения является
вентилятор. На практике применяются осевые (аксиальные) вентиляторы, формирующие воздушный поток в направлении, параллельном оси вращения крыльчатки, а также вентиляторы
турбинного типа (бловеры), которые формируют боковой воздушный поток [4].
5
Рис. 2. Наиболее распространенные конструкции вентиляторов

Элементы Пельтье
В первой половине 19-го века французским ученым Пельтье был открыт эффект заключающийся в том, что напряжение, поданное на два противоположных друг другу по проводимости
материала вызывает разницу температур. В зоне поглощения тепла (охлаждаемый объект) электроны переходят в более высокое энергетическое состояние, поглощая тепловую энергию. Перетекая в зону с низким энергетическим состоянием, электроны отдают тепло (радиатор). Типовой термоэлектрический модуль, таким образом, состоит из нескольких десятков (сотен), так
называемых термопар, образованных полупроводниками различной проводимости p и n.
Рис. 3. Схема системы охлаждения на основе эффекта Пельтье
Все термопары герметично запаяны в две керамические пластины. При подаче напряжения
одна из сторон охлаждается, вторая нагревается. По сути, элемент Пельтье является тепловым
насосом, который увеличивает интенсивность теплообмена между ядром процессора и кулером.
Элемент способен поддерживать разность температур до 4070 ºС в случае использования одного слоя термопар. Радиатор кулера при этом нагревается более равномерно, чем в случае простого кулера, при этом существенно снижается тепловое сопротивление охлаждающей системы, что повышает ее производительность. Однако в системе с элементом Пельтье существуют
три серьезные проблемы:
 Первая – это конденсация влаги на компонентах охлаждающей системы ЦП и ГП до
температур близких к 0оС или ниже. При попадании на незащищенные электрические
проводники это может вывести из строя всё устройство.
 Если на элемент Пельтье установлен массивный радиатор, то при выключении системы,
он может «испечь» процессор, на который установлен.
 Элемент Пельтье необходимо подбирать по мощности процессора, т.к. для заметного
эффекта теплового насоса мощность элемента должна превосходить мощность процессо-
6
ра в 1,52 раза (с учетом КПД модуля). Так мощность элемента на процессор Pentium 4
3.2 ГГц должна быть не ниже 120-180 Вт (чем мощнее элемент, тем ниже температура
ядра процессора).

Жидкостное охлаждение.

Жидкостные системы охлаждения изначально применялась для охлаждения особо теплонагруженных деталей РЭС (мощные лампы выходных каскадов передатчиков и т. д.). Главным преимуществом жидкостной, по сравнению с аэрогенной системой охлаждения, является
существенно большая производительность и низкий уровень производимого шума. Высокая
производительность жидкостной системы охлаждения объясняется тем, что теплопроводность
жидкости, в пять - семь раз выше, чем у воздуха, соответственно меньше её тепловое сопротивление, а тепловой поток выше. Еще одной особенностью жидкостной системы охлаждения является то, что температура охлаждаемого объекта изменяется сравнительно медленно, за счёт
тепловой инерции жидкости.
В общем случае водяная система охлаждения состоит из насоса (помпы), ватерблока
(теплообменника), радиатора, резервуара с жидкостью [5] [6].
Рис. 4. Внешняя помпа
Рис. 5. Жидкостная система охлаждения
в ATI Radeon 9700Pro
Жидкостные системы охлаждения на рынке представлены достаточно широко. Модельный ряд
покрывает все необходимые комплектующие, которым требуется активное охлаждение – процессоры, северные мосты, графические карты.

Криогенное охлаждение (системы с фазовым переходом)
По сути, криогенная система охлаждения превращает компьютер в натуральный холодильник. Хладагентом здесь является фреон или другой подходящий хладагент. Система обеспечивает заморозку центрального процессора, чипсета и процессора видеокарты до -50 °С (теоретически можно до -100 °С если повысить вакуум в системе охлаждения). Криогенное охлаждение технологически более грамотное и удобное решение по сравнению с нитрогенным
(жидкий азот). Хотя по материальным затратам - это самая дорогая система охлаждения для
персональных компьютеров на сегодняшний день. Сейчас серийно выпускаются 2 системы Asetek Vapochill и Chip-Con Prometeia. Цена за систему Prometeia доходит до 650 евро. Однако,
в отличие от аэрогенных кулеров и систем жидкостного охлаждения, криогенные системы
обеспечивают нормальный температурный режим при низком уровне шума для самых последних процессоров при их экстремальном разгоне (повышение тактовой частоты более чем на
30%).
7
В криосистемах происходит работа не только с состояниями хладагента, но и с его давлением.
Как
известно,
температура
кипения
и
давление
связаны.
Чем выше давление, тем выше температура кипения и, наоборот чем ниже давление, тем ниже
температура кипения. Хладагент (фреон), циркулируя в системе,
Рис. 6. Схема криогенной системы охлаждения
в компрессоре превращается в газ высокого давления. Далее он двигается в первый радиатор,
где под высоким давлением и охлаждающим действием радиатора газ превращается в жидкость, которая стекает в теплообменник "испаритель" (Evaporator), который соприкасается с
охлаждаемым объектом. Так как теплообменник находится на процессоре, фреон тут же начинает кипеть и испаряться. Испаряясь, он попадает в капиллярные трубки. Капиллярные трубки
и клапан позволяют создать на входе высокое давление, а на выходе – низкое, для того чтобы
фреон успевал докипать и не попал обратно в компрессор в жидком состоянии (если это случится, компрессор мгновенно откажет). В схеме находится ещё один радиатор. Он предназначен для охлаждения отработанного газообразного фреона с низким давлением для того, чтобы в
компрессор он попадал уже в готовом к следующему циклу виде.
Вся охлаждающая система контролируется специальным процессором, который следит
за всеми параметрами охлаждающей системы и может изменять характеристики (например,
требуемую температуру охлаждаемого объекта) в реальном времени. В криогенной системе
компрессор работает постоянно, в отличие от обычного холодильника.

Тепловые трубки.
В глобальной борьбе с шумом при работе различных систем охлаждения тепловые трубки (ТТ) могут стать панацеей от многих бед. Тепловые трубки широко используются в военнокосмической отрасли из-за их высокой надежности и КПД. Они бесшумны, не требуют обслуживания и питания, не имеют изнашивающихся частей. Тепловая трубка представляет собой
канал передачи тепловой энергии с высоким КПД, запаянный с обеих сторон, в котором находится определенное количество теплоносителя (рис. 7). Материал стенок трубки и жидкость выбирают исходя из условий эксплуатации. Условно трубку можно разбить на несколько
зон: испарительная, несущая (adiabatic) и зона конденсации. К зоне испарения подводится тепло, жидкость, находящаяся в трубке начинает кипеть и интенсивно испаряться. Крайне важно,
чтобы кипение было без пузырьков. Горячие пары жидкости поднимаются в зону конденсации,
где остывают, и превращается обратно в жидкость, которая возвращается обратно в зону испарения по специальной капиллярной структуре. Капиллярная структура представляет собой кривые прецизионные канавки в меди глубиной 60 мкм. Эти канавки получают
8
Рис. 9. Схематическое изображение тепловой трубки
методами фотолитографии. Такая структура работает по капиллярному принципу, аналогично
фитилю керосинки. Испарительный процесс происходит всегда, когда есть разница температур
между зонами испарения и конденсации.
На рынке систем охлаждения персональных компьютеров тепловые трубки появились
недавно, поэтому ассортимент кулеров на тепловых трубках пока еще невелик, но есть стабильная тенденция к широкому переходу на тепловые трубки.
Рис. 8. ТТ для процессоров
Рис.9 ТТ для видеокарт
Рис. 10. ТТ для винчестров
Как видно способов отвода тепла от теплонагруженных полупроводниковых устройств
достаточно много [7], при этом каждый из них имеет свои преимущества и недостатки и представлен на рынке широким ассортиментом изделий с различными параметрами и ценами.
И, несмотря на постоянное развитие «экзотических» систем охлаждения ГП и ЦП, аэрогенные кулеры сегодня имеют наибольшее распространение, поэтому очень важным становится вопрос о выборе той или иной конкретной модели.
ВЫБОР КУЛЕРОВ ПО СОВОКУПНОСТИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА.
На эффективность отвода тепла от ЦП или ГП влияет не только выбор конкретной модели системы охлаждения, но и температура воздуха вокруг и внутри корпуса компьютера. Если
не осуществляется принудительное перемещение воздуха через корпус, КПД локальной охлаждающей системы может сильно снизиться (зависит от типа и конструкции самой системы
охлаждения). Существует достаточно большое число различных моделей корпусов, которые
различаются по своему внутреннему строению и размерам, а значит, и типы воздушных пото-
9
ков внутри корпуса будут разные для различных корпусов. Ко всему прочему, конфигурацию
воздушных потоков внутри корпуса непредсказуемо изменяют установленные внутри комплектующие и конструктивы, а также различные шлейфы и провода. Учесть данный аспект при выборе системы охлаждения достаточно трудно, единственное, что поддаётся расчёту – это средняя температура воздуха в нагретых зонах внутри корпуса ПК. Кроме того, вентиляторы, которыми осуществляется перемещение воздуха внутри корпуса, сильно различаются по своим характеристикам и возможности создавать турбулентные потоки.
Задача выбора локального теплоотвода еще более усложняется, когда электронный блок
с комплектующими и системами охлаждения рассматривается как единая система. Анализ показывает, что все элементы конструкции взаимосвязаны, выбор одного компонента системы
влияет на эффективность другого и при этом одновременно надо учитывать большое число
факторов:
 модель корпуса (соответственно, габаритные размеры и внутренняя конфигурация);
 наличие или отсутствие корпусных вентиляторов, их количество, и направление создаваемого ими воздушного потока;
 тип локальной системы охлаждения и его конкретная модель;
 уровень производимого при работе шума;
 наличие в корпусе других теплонагруженных комплектующих.
Кроме того, при выборе модели системы охлаждения необходимо учитывать то, что
крепления систем охлаждения для разных процессорных разъемов (Socket) - разные.
Попытки моделирования конфигурации воздушных потоков внутри корпусов при различном направлении корпусных вентиляторов уже были [8], но они не затрагивали проблему
выбора модели кулера для моделируемой ситуации, поэтому в представленной работе описана
система многокритериального дискретного выбора типов аэрогенных кулеров по их основным
характеристикам.
Известна постановка многокритериальной задачи [9], которая, в своей формализованной
постановке, имеет вид <C, >, где  – исходное множество альтернатив, т.е. в нашем случае
набор различных моделей аэрогенных кулеров; С – принцип оптимальности, который задается
критерием оптимальности Сk и требованиями по допустимости Сд, С = Сk  Сд . Требования по
допустимости задаются по ТЗ набором условий и ограничений Сд = {У}  {О},
При наложении на характеристики исходного множества вариантов  условий {У} и
ограничений {О}, исходное множество  усекается до множества допустимых вариантов д. В
нашем случае можно говорить об отсечении моделей кулеров, не рассчитанных на установку на
выбранный тип процессорного разъема (Socket) или запрета на продукцию определенной фирмы.
Каждый вариант i из , описывается набором показателей качества (ПК) – {kl}, из которых ЛПР формирует критерий оптимальности Сk. Решение задачи выбора по критерию оптимальности Сk(д) на множестве д позволяет, в свою очередь, найти множество оптимальных решений. Широко известны критерии оптимальности [9]: Парето, лексикографический,
критерий с уступками и интегральный критерий. Каждый из них имеет различную силу усечения, а значит, приводит к разному числу оптимальных решений. Применяя эти критерии на
множестве допустимых вариантов д можно в различной степени сузить круг рациональных
вариантов кулеров с тем, чтобы на множествах существенно меньшей мощности дать возможность ЛПР принять окончательное решение о возможном варианте эффективного решения.
В рассматриваемой задаче к показателям качества кулера относятся:
 скорость вращения вентилятора (max),
 воздушный поток (max),
 уровень производимого шума (min).
В процессе выбора эффективных решений ЛПР предоставляется возможность выбрать
подмножества моделей кулеров для охлаждения заданного типа процессора, которые удовлетворяют четырём критериальным постановкам: -критерию, L- критерию, -критерию и аддитивной интегральной свёртке.
10
Процедура выбора оптимальных моделей кулеров была автоматизирована. Для этого авторами разработаны алгоритм и программа, позволяющие производить многокритериальный
сравнительный анализ вариантов кулеров. Выбор осуществляется в базе данных из 100 типоразмеров аэрогенных серийных систем охлаждения. В базу данных можно добавлять новые модели кулеров и значения их характеристик (рис.11).
Рис. 11. Фрагмент базы данных по кулерам и их характеристикам
На первом шаге производится ввод условий и ограничений для выявления допустимых
вариантов.
На втором шаге осуществляется выбор показателей качества, из которых формируются
критериальные постановки.
На третьем шаге осуществляется выбор критериев, включённых в интерфейсный набор,
по которым будут проводиться процедуры выбора.
На четвертом, пятом, шестом и седьмом шагах реализуются процедуры выбора по критерию
Парето, L-критерию, критерию с уступками и интегральному критерию, соответственно. Результаты поиска представляются в виде HTML отчета с таблицами и графиками. Таблицы содержат информацию о результатах решения задачи, в которой представлены допустимые и оптимальные варианты (рис.12).
11
Рис.12. Окно сравнительного анализа результатов выбора по разным критериям
Из рис. 12 видно, что критериальные постановки, имеющие наибольшую силу (L-критерий и
интегральный критерий) приводят к оптимальным решениям меньшей мощности, а наиболее
слабые постановки (критерий Парето и критерий с уступками) дают большее число оптимальных решений. Окончательный выбор той
Рис. 13. Окно программы с описанием оптимального варианта
или иной модели кулера может быть осуществлён ЛПР эвристически или программно с привлечением дополнительной информации по ТЗ: условий, ограничений и показателей качества,
уточняющих поставленную задачу.
Каждый из найденных оптимальных вариантов может быть идентифицирован, и для него
выдаются необходимые справочные данные вместе с внешним видом кулера (рис. 13).
Поскольку база данных программы открыта, проектировщик может осуществлять многокритериальный выбор вариантов моделей не только по аэрогенным системам охлаждения, но
и системам охлаждения на тепловых трубках или по системам жидкостного охлаждения после
организации новых однородных баз данных. Интерфейс многокритериального выбора, включающий алгоритмы поиска допустимых и оптимальных вариантов в программе остаётся инвариантным.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Задачи проектирования оптимальных тепловых режимов центральных и графических
процессоров необходимо начинать решать на этапах системного и схемотехнического проектирования с учетом технологии их производства. На конструкторском этапе можно лишь «вытянуть» тепловой режим электронного компонента, за счет отвода излишней тепловой энергии в
окружающее пространство, часто снижая КПД системы в целом из-за включения в конструкцию дополнительных устройств, потребляющих энергию (за исключением пассивных систем).
Современные конструкторские решения в области отвода тепла от электронных компонентов
имеют различные решения. Их краткий обзор приведен в работе. Проектирование теплового
12
режима во многом связано с рациональным выбором того или иного узла теплоотвода, который
должен зиждиться на многокритериальном сравнительном анализе альтернативных вариантов,
широко представленных на рынке. Авторами разработана методика, алгоритмы и программа
автоматизированного выбора кулеров по совокупности показателей качества с применением
различных критериев. Программа прошла апробацию в НИР и ОКР, внедрена в учебный процесс на кафедре РПУ МЭИ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Intel. High Performance Non-Planar Tri-gate Transistor Architecture. September 17, 2002.
www.intel.com
2. Intel. New Transistors for 2005 and Beyond. November 26, 2001. www.intel.com
3. Алекс Карабуто 65-нм технология у Intel готова: кристалл 70 Мбит SRAM есть, утечек
нет. Ждем процессоров. 2004. www.terralab.ru
4. Виталий Криницин. Ликбез по системам охлаждения. Занятие второе: вентиляторы,
технические нюансы. 2002 г. www.ixbt.com
5. Николай Воронов. Классика охлаждения. Трилогия. 2005. www.overclockers.ru
6. Laik Newmark. Правильное охлаждение. www.modlabs.net
7. Роткоп Л.Л., Спокойный Ю.Е. Обеспечение тепловых режимов при конструировании
радиоэлектронной аппаратуры. М., "Сов. радио", 1976, 236 с.
8. Лазаренко Д. Конфигурация воздушных потоков внутри корпуса форм-фактора ATX.
www.overclockers.ru
9. Кандырин Ю.В. Методы и модели многокритериального выбора вариантов в САПР:
Учебное пособие для ВУЗов. – М.: МЭИ, 2004. – 176с.
Сведения об авторах:
Кандырин Юрий Владимирович, профессор Московского энергетического института (ТУ), Академик Российской Академии надежности, зам директора Центра инженерного проектирования МЭИ, заместитель заведующего кафедрой Радиоприемных
устройств МЭИ, автор более 190 работ, в том числе 9 учебных пособий для Вузов и 2-х
монографий. Проблемами надежности занимается более 35 лет. Тел. раб: 362-79-41,
Моб: 8-926-560-02-08.Тел. дом.: 360-19-56. E-mail: ywk@mail.ru
Хватынец Сергей Алексеевич, ассистент и соискатель кафедры Радиоприемных
устройств Радиотехнического факультета МЭИ. Лауреат открытого конкурса студенческих научных работ, кавалер медали Министерства образования и науки РФ.