Введение к работе
Актуальность темы
Значительный прогресс в области конструирования вычислительных систем с высокой производительностью обусловил необходимость создания эффективного теплообмена для электронных компонентов, в том числе процессоров с повышенной степенью интеграции и все более высокой тактовой частотой. Увеличение интеграции полупроводниковых элементов в микросхеме приводит к увеличению плотности тепловых потоков на единицу поверхности, а уменьшение размеров кристаллов интегральных схем снижает возможность эффективного отвода тепла. Так как производительность компьютеров в значительной мере зависит от температуры электронных компонентов, устройства охлаждения становятся необходимой и важной частью современных компьютеров.
Работы в направлении совершенствования систем обеспечения оптимальных тепловых режимов вычислительной техники ведутся многими исследовательскими лабораториями. Существует большое количество решений охлаждения процессоров, предлагаемых, в том числе, фирмами производителями этих процессоров. В последнее время в вычислительной технике активно применяются системы охлаждения, которые могут использовать в качестве теплоносителя воду или газ, а также применять термоэлектрические охлаждающие устройства (ТОУ).
Анализируя известные конструктивные решения для охлаждения компьютеров, с учетом тенденций развития высокопроизводительной вычислительной техники, можно сделать вывод о том, что термоэлектрические системы (ТЭС) охлаждения являются наиболее перспективными для обеспечения тепловых режимов вычислительной техники, это определяется несколькими причинами. Во-первых, ТЭС обладают рядом достоинств по сравнению с другими системами охлаждения и тер-мостатирования, например: высокой надежностью, отсутствием движущихся частей, практически неограниченным ресурсом работы, небольшими габаритами и весом, возможностью локального охлаждения, малой инерционностью, бесшумностью, независимостью от ориентации в пространстве, возможностью плавного и точного регулирования температуры. Во-вторых, интенсификация исследований в области термоэлектричества и достигнутые успехи в технологии ТОУ позволили создавать термоэлектрические модули (ТЭМ) с максимальной разностью температур до 74 К. В-третьих, высокая экологичность и безопасность, несомненно, увеличивают конкурентоспособность ТЭС по сравнению с другими системами охлаждения. С помощью ТОУ возможно получение
низких температур, что позволяет значительно увеличить производительность процессоров. Используя ТЭМ различных типоразмеров можно проектировать термоэлектрические блоки (ТБ) с различной конфигурацией и повышенной холодопроизводительностью, что особенно актуально для высокопроизводительных вычислительных систем.
Однако создание эффективных ТЭС для вычислительной техники требует решения ряда сложных научно-технических проблем, рассмотрим основные их них. Известные конструктивно-технологические решения ТОУ по ряду причин не удовлетворяют современным требованиям эффективного отвода тепла. В частности, для создания эффективных ТЭС необходимы оригинальные конструкторские решения ТБ, обоснованные методиками расчета элементов конструкции, учитывающими, в том числе, работу ТБ в режиме термоциклирования. Кроме того, отсутствует термоэлектрическое оборудование с высокой холодопроизводительностью, необходимое для обеспечения тепловых режимов высокопроизводительной вычислительной техники.
В подавляющем большинстве случаев модули функционируют при таких температурах, когда неизбежно образование влаги на элементах конструкции ТЭМ, что в значительной степени снижает надежность и, соответственно, ресурс работы ТЭМ. Таким образом, крайне важным является вопрос защиты термоэлектрических модулей.
Эффективность ТОУ в значительной мере зависит от качества и режимов электропитания. Известно негативное влияние пульсаций питающего тока на параметры ТОУ. Однако анализ научно-технической литературы показал, что исследований влияния параметров питания на эффективность термоэлектрических устройств, чрезвычайно мало, к тому же большинство из них ограничиваются приближенными расчетами.
В термическом оборудовании, как правило, используются микропроцессорные системы (МС) автоматического управления. Однако сопряжению этих систем с объектами управления, а также моделированию МС управления термическими объектами не уделено достаточно внимания. Слабо представлены разработки программного обеспечения, реализующие сервисные установки МС и информационное взаимодействие термического оборудования с персональным компьютером.
Наконец, для проведения комплексных исследований ТЭС необходимо разработать высокоточные методики и современные измерительные комплексы, позволяющие, в том числе, проводить исследования дистанционно и в автоматическом режиме.
Таким образом, разработка конструкционно-технологических решений ТОУ и оборудования, предназначенных для обеспечения тепловых режимов вьгаислительных систем, разработка технологии герметизации ТЭМ, исследование влияния параметров питания на эффективность ТОУ, разработка аппаратно-программных средств для управления тепловыми процессами, разработка высокоточных методик и современных измерительных комплексов для исследования ТЭС является актуальной научно-технической задачей, решение которой обеспечит оптимальные температурные режимы электронных компонентов, и позволит повысить надежность и производительность вычислительной техники.
Цель диссертационной работы - разработка и исследование эффективных термоэлектрических устройств и оборудования для обеспечения оптимальных тепловых режимов электронных компонентов компьютеров и вьгаислительных систем, что позволит повысить надежность и производительность вычислительной техники.
Термоэлектрическое оборудование рассматривается, как термоэлектрическая система, представляющая собой целостное образование, состоящее из конструктивных элементов, теснейшим образом взаимосвязанных между собой. Поэтому реализация поставленной цели требует системного подхода к процессу исследований.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
- разработать ряд эффективных конструкционно-технологических
решений термоэлектрических устройств и оборудования, предназначен
ных для обеспечения оптимальных тепловых режимов, как тепловыде
ляющих компонентов компьютеров, так и высокопроизводительных
вьгаислительных систем;
провести оптимизацию конструкции ТБ, разработать методику расчета размеров теплопровода и определить способ его установки;
разработать методику расчета, конструкцию и изготовить ТБ для ТЭС с высокой холодопроизводительностью;
провести моделирование функциональных характеристик термоэлектрического оборудования, с целью оптимизации математических моделей управления этим оборудованием, разработать алгоритмы и ап-паратно - программные средства для реализации полученных математических моделей в МС управления термическим оборудованием;
разработать методики и математические модели для расчета влияния герметизации на основные параметры ТЭМ;
разработать технологию герметизации ТЭМ, изготовить и провести комплексные исследования герметичных термоэлектрических модулей;
провести комплексные теоретические и экспериментальные исследования влияния режимов и параметров питания на эффективность ТОУ;
используя результаты диссертационных исследований разработать и изготовить ТЭС для обеспечения тепловых режимов вычислительной техники различной производительности;
разработать методики и измерительные комплексы и провести исследования функциональных и эксплуатационных характеристик ТЭМ и ТЭС, созданных в рамках диссертационной работы, провести сравнительный анализ расчетных и экспериментальных данных.
Научная новизна
Научная новизна диссертационной работы заключается в использовании системного, научно-обоснованного подхода к созданию и исследованию термоэлектрических устройств и оборудования, предназначенных для обеспечения оптимальных тепловых режимов, как тепловьщеляющих компонентов компьютеров, так и высокопроизводительных вычислительных систем.
1. Предложены и обоснованы новые конструкционно-
технологические решения ТЭС для обеспечения тепловых режимов,
включающие локальные и автономные ТОУ для тепловьщеляющих
электронных компонентов и компьютеров в целом, а также термоэлек
трическое оборудование с повышенной холодопроизводительностью
для высокопроизводительных вычислительных систем.
Предложены методика и математические модели для расчета влияния различных стадий герметизации на основные параметры ТЭМ. Проведенные исследования показали хорошую корреляцию расчетных и экспериментальных данных.
Впервые предложена технология двойной герметизации термоэлектрических модулей, значительно повышающая надежность и механическую прочность ТЭМ. Определены материалы и обоснованы технологические способы и режимы герметизации ТЭМ.
Впервые предложено использование нового конструктивного элемента (теплопровода) в составе ТОУ. Обоснованы целесообразность и технология его установки в ТОУ. Разработана методика для расчета параметров теплопровода. С использованием предложенных математических моделей установлено влияние теплопровода на основные характеристики (разность температур и холодопроизводительность) ТОУ.
5. Разработаны методики и математические модели расчета влияния
режимов и параметров питания на основные характеристики ТОУ. Про
веденные комплексные теоретические и экспериментальные исследова
ния влияния режимов и параметров электрического питания на эффек
тивность ТОУ показали хорошую корреляцию расчетных и эксперимен
тальных данных.
6. Усовершенствована математическая модель пропорционально-
интегрально-дифференциального закона регулирования введением
адаптивных коэффициентов, предназначенных для корректировки вкла
дов интегральной и дифференциальной составляющих управляющего
воздействия. Для оптимизации процесса стабилизации заданной темпе
ратуры в математическую модель управления введена также дополни
тельная составляющая, значение которой определяется воздействием
внешних факторов. Экспериментально подтверждена эффективность
использования предложенной математической модели в микропроцес
сорных системах управления термическим оборудованием.
Новизна научно-технических решений, предложенных в диссертационной работе, защищена 2 патентами на изобретения.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в разработке и внедрении следующих результатов:
1. Для метрологического обеспечения контроля параметров ТЭС при
их исследовании и производстве разработаны следующие методики и
измерительные комплексы:
методика и измерительный комплекс для исследования тепло- и электрофизических параметров термоэлектрических устройств;
методики и измерительный комплекс для исследования влияния режимов и параметров электропитания на характеристики ТОУ;
методика исследования ТЭМ на надежность;
методика испытания ТЭМ на механическую прочность;
методика климатических испытаний термоэлектрических модулей;
методика испытаний ТЭМ при избыточном давлении;
методика и стенд для исследования теплообменников ТЭС;
программно-реконфигурируемый измерительный комплекс для исследования средств измерения температуры и ТЭС.
2. Предложенные в диссертационной работе конструкторские и тех
нологические решения ТОУ и оборудования для обеспечения тепловых
режимов вычислительной техники значительно улучшают характери
стики вычислительной техники, делают их работу надежной и стабиль
ной, повышают быстродействие.
Разработана технологическая документация для серийного производства герметичных ТЭМ. Подготовлена производственная инфраструктура и осуществляется выпуск герметичных ТЭМ, предназначенных для обеспечения тепловых режимов вычислительных блоков. Герметизация модулей позволяет значительно повысить их эксплуатационные характеристики, как для гражданского, так и военного применения.
Разработана новая конструкция ТБ, позволяющая увеличить эффективность ТОУ, а именно максимальный градиент температур, холо-допроизводительность и снизить потребляемую мощность.
Определены критерии конструирования источников питания постоянного тока, учитывающие взаимосвязь между пульсациями напряжения питания и потерями в основных параметрах ТОУ.
Показано, что разработанные математические модели и аппаратно-программные средства регулирования тепловыми процессами, позволяют повысить эффективность микропроцессорных систем управления термоэлектрическим оборудованием.
Разработаны конструкции и изготовлены образцы ТОУ для локального охлаждения, которые устанавливаются непосредственно на тепловыделяющие электронные компоненты компьютера, например, процессор.
Разработаны конструкции и изготовлены образцы автономных ТЭС, предназначенных для обеспечения тепловых режимов, как электронных компонентов, так и компьютера и вычислительной системы в целом.
Разработана конструкция и изготовлена установка с высокой хо-лодопроизводительностью, предназначенная для обеспечения тепловых режимов высокопроизводительных вычислительных систем.
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в Национальном исследовательском университете "МИЭТ" при подготовке лекций и лабораторного практикума по дисциплинам: «Полупроводниковые преобразователи энергии», «Материалы электронной техники», «Термометрия», «Физика и химия полупроводников», «Конструирование и технология ТЭС».
Предложенные и разработанные в диссертации технологии, методики и измерительные комплексы, ТЭМ и ТЭС, МС управления и аппаратно-программные средства внедрены в промышленность. Акты внедрения прилагаются.
Новизна и практическая значимость технических, технологических и аппаратно-программных решений, используемых в диссертационной
работе, подтверждена 8 патентами и свидетельствами о государственной регистрации программного продукта.
На защиту выносятся следующие основные положения:
Системный, научно обоснованный подход к разработке конструктивно-технологических решений ТОУ и оборудования для обеспечения тепловых режимов вычислительной техники.
Метрологическое обеспечение исследований и производства термоэлектрических устройств и оборудования, включающее ряд разработанных методик и измерительных комплексов, предназначенных для исследования теплофизических параметров ТЭМ, функциональных и эксплуатационных характеристик ТЭС.
3. Результаты исследований разработанных термоэлектрических
устройств и оборудования, которые доказывают эффективность приме
нения ТОУ для обеспечения оптимальных температурных режимов вы
числительной техники.
Результаты комплексных исследований и испытаний герметизированных ТЭМ, определяющие значительное повышение эксплуатационных характеристик ТЭМ. Математические модели для расчета влияния герметизации на основные характеристики ТЭМ.
Результаты комплексных теоретических и экспериментальных исследований влияния режимов и параметров питания на основные характеристики ТЭМ, определяющие критерии проектирования источников питания для ТОУ.
Эффективные ТОУ и термоэлектрическое оборудование для обеспечения тепловых режимов вычислительной техники различной производительности, аппаратно-программные средства для: систем мониторинга и управления температурными процессами и реконфигурируемых измерительных комплексов.
Результаты диссертационной работы использованы в следующих НИР, проводимых по заданию Минобрнауки РФ: № 924-ГБ-061-РНП; № 929-ГБ-081-РНП; № 931-ГБ-081-РНП; № Ц-2009-1.1.000-078-16; №16.516.11.6041; № 16.516.11.6067.
Апробация работы
Основные результаты, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на 6 Международных и 5 Всероссийских НТ конференциях: 12-14,17,18 Всеросс. межвуз. НТ конф. «Микроэлектроника и информатика».М, 2005-2007, 2010,2011гг; Междун. НТ конф. «Микроэлектроника и наноинженерия-2008».- М., 2008; Х-ХП Междун. НТ
конф. «Кибернетика и высокие технологии XXI века». Воронеж, 2009, 2010, 2011гг; Междун. НТ конф. М, 2006 г., МИРЭА
Публикации
Основное содержание диссертации изложено в 27 научных работах, в том числе: в 3 статьях в журналах, рекомендованных ВАК, в 2 патентах на изобретения и 6 свидетельствах о регистрации программного обеспечения.
Личный вклад
Личный вклад автора являлся основополагающим на всех стадиях проведения исследований и состоял в определении целей и постановке задач исследований, обосновании способов их осуществления, непосредственном выполнении значительной части экспериментов, отработке технологических операций, проектировании устройств и оборудования, систематизации и анализе полученных результатов и внедрении результатов диссертации, в том числе, в серийное производство.
Объем и структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка использованных источников и приложения. Общий объем диссертации составляет 208 страниц машинописного текста, включая 6 таблиц, 42 рисунка, список использованных источников составляет 175 наименований.
