重裝CPU、GPU時代下的機內散熱設計(6)實現智慧性熱量管理的下一步

lillian

在電腦系統的散熱設計中，有三大領域的工程師必須坐下來一起談，他們是機構工程師、電子系統工程師及韌體工程師。機構工程師的任務最重，從機殼的造型、內部主機板上各元件的配置、出風口的規劃，到散熱效益的模擬驗證等，都得有完整的考量，他們的專長是在機械與流體力學方面；電子系統工程師則要負責與電子系統相關的散熱設計，主要工作在於對熱源的溫度量測，以及對風扇的控制規劃；韌體工程師則要編寫與韌體相關的散熱執行指令。本文將從電子系統的面向來探討散熱管理的前瞻性技術。

　■電子系統散熱管理架構

　在散熱管理上，電子系統負責的工作雖然只有對溫度的量測及對風扇的控制，但這卻是整個散熱系統中最核心的部分。溫度感測與風扇控制的規劃架構可以有很多種作法，好的規劃對於整體的散熱效益影響甚鉅；加上目前電腦系統中需偵測和控制溫度的元件很多，在規劃上必須考量如何進行最佳化的感測及控制電路？控制的模式為何？如何做到最精確的溫度感測，以及對風扇做到智慧性的控制？這些都是設計上很大的挑戰。此外，今日Intel已推出不少散熱管理的新技術，包括SST、DTS、PECI等，這些新技術都具有改善散熱效益的優勢，但工程師必須懂得如何運用這些技術，才能讓它們的功能獲得完善的表現。

　■風扇控制

　風扇是將熱量從電源供應器、CPU和硬碟處移除的最基本方法。目前每個電腦用的風扇都使用一個無刷式（brushless）的DC馬達，這種風扇的效率與馬達控制的狀況密切相關。無刷式DC風扇馬達控制器提供更高等級的系統控制，它整合了一個馬達控制驅動器，此驅動器能接收數位及類比PWM訊號，進而提供準確的空氣流動和噪音控制。

　傳統的風扇馬達只有兩線的輸出入控制，只具有接地（GND）和電壓（12V）兩個接腳，因此若不是將風扇一直打開，就只能基於恆溫器（thermostat）型式的輸入值，在超過某一特定溫度時來打開風扇。進一步的作法是三線風扇，也就是多了一個接腳來傳輸轉速計（tachometer；tach）訊號。而Intel最新的作法是再多一個PWM輸入接腳的四線風扇，此風扇把PWM的輸入視為一個訊號值，能在極高的PWM頻率下運作，同時還會用到一個更高（kHz範圍）PWM頻率值。在這個設計中，馬達的速度可以降低20％，但仍能可靠地啟動。請參考（圖一）。
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　　　　　　▲圖一：風扇的功能從二線進展到三線及四線功能。
■溫度感測

　所有的熱量管理都是從溫度的量測開始的。要做到溫度量測，方式有很多，包括熱電偶（thermocouple）、熱敏電阻（thermistor）、溫度阻抗型裝置（resistance temperature device；RTD）和半導體感測器等。半導體感測器的溫度係數較其他方案稍微高一些，在不同的溫度時會有不同的偏置值（offset），不過，半導體接合面電壓（junction voltage）對應於溫度的情況又比其他方案更具有線性化的特徵。

　另一種更先進的方法是使用二組電流再減去其電壓差異來得出更為線性的ΔVbe。在今日的PC中，幾乎所有的量測都使用ΔVbe技術，其中的一個二極體是處理器基板二極體（substrate diode）。當製程從90nm微縮到65nm或更小時，這個二極體變得愈來愈不是個理想的二極體，反而是一個可能造成準確性議題的不良電晶體，其增益beta值甚至會小於1。除了beta值的變異外，漏電也是問題的一部分。

　為了改善這種問題，Intel推出低電壓的兩線數位式溫度感測器（digital temperature sensor；DTS），這顆DTS的溫度感測電路會持續地監控內部溫度二極體的基極－射極電壓，以及連結到D+和D-接腳的遠端二極體。這個晶片將兩個類比電壓轉換為數位值，並將此資料放到溫度暫存器。使用與SMBus相容的序列式介面，用戶就可以取得溫度暫存器中的資料。請參考（圖二）。

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　　▲圖二：包含內部ADC、SMBus輸出和溫度警示的DTS晶片區塊圖。
溫度量測的精確度和範圍是溫度感測器性能評鑑的關鍵，這會影響到風扇控制的效益。除了感測器本身的靈敏性外，感測器所在的位置也是一大關鍵，當感測器離熱源愈近，就愈來顯示出實際的溫度狀況，但以CPU來說，感測器的位置與實際熱點會有一段差距，很容易就會產生約10℃的溫度差異，這要視兩者相隔的距離而定。此外，熱點並不是一直都在相同的區域，它會經常的改變。對於單核心來說，這是事實；當走向多核心時，情況只會更糟，即使採用了多個感測器也不能完全解決這個問題。

　■智慧性熱量管理方案

　在今日愈來愈複雜的電腦系統中，熱量管理方案也得變得更聰明才行。要將熱量管理提升到系統等級的智慧性，必須從高度精確的溫度感測做起，也就是要能做到±1℃的準確性，並且涵蓋了極大的產業應用溫度範圍。要達成此目標，背後的核心技術可能包括先進能隙（bandgap）、高效能類比轉換流動（analog conversion flow）、內部類比數位轉換器（ADC）和sigma-delta，以及ΔVbe的建置方式等。而溫度感測的準確性可以精確的控制風扇並降低耗電，透過智慧性冷卻還能將噪音降到最低。

　有了精確的溫度感測，就能為系統控制中的保護頻帶（Guardband）進行最佳化設計，進而能降低風扇運作時間以及電流洩漏，而精確的控制加上一個封閉迴路的風扇就能提供即時的運作管理。如果溫度感測不夠準確，很容易導致風扇過早打開，這會造成過度的耗電及風扇噪音；相較之下，精確的感測能夠降低70％的風扇運作需求，進而減少約2W的耗電以及約15dBA的風扇噪音。請參考（圖三）。
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　　▲圖三：溫度量測的確確性對CPU溫度及風扇速度的Guardband衝擊。
除了功耗與噪音議題外，錯誤的溫度感測也會導致系統的嚴重問題，尤其是無法恰當的保護CPU，進而讓處理器愈來愈熱、消耗愈多的能量，也縮減了使用壽命；此外，過熱的系統會產生當機現象或損毀資料及其他元件。為了提升對系統的管理，具有風扇控制的數位遠矩溫度感測器還能將感測功能與可調變風扇速度控制整合在一起，進而改善系統效能和增加可靠性。

　自動風扇控制讓系統設計師能充分利用減少保護頻帶的好處來為風扇開關的時間做到最佳化的設計。這個封閉迴路系統利用流入或周圍溫度及有效率的PWM控制來減少升溫或降溫模式時的風扇啟用時間，這類感測器具有最小及最大速度、遲滯（hysteresis）和警示的組態暫存器（configuration register），進而讓風扇能基於準確的溫度量測來做線性的速度控制。降低啟用時間能增加風扇及整個系統在失誤（MTBF）和穩定性之間的中間時間（mean time）。請參考（圖四）。
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　　　▲圖四：可變速風扇控制系統建置（以Andigilog aSC7512為例）。
■智慧性熱量管理的下一步

　在Intel推出的散熱管理技術中，DTS是針對CPU核心的數位溫度感測，PECI則是用來傳輸DTS所偵測到的溫度，而新的SST匯流排具有最大的發展潛力，能夠實現真正的智慧型風扇或智慧型電源供應系統。在今日的系統中，如果風扇沒有和主機板相連，就無法對風扇資源進行管理。但透過SST就能夠傳輸從CPU風扇和其他風扇而來的電壓與溫度資訊，對過去無法控制的熱源進行散熱管理，同時對噪音控制做進一步的改善。

　舉例來說，過去電源供應器上的風扇並不會被主機板控制，而不受控制的風扇容易干擾整體機殼中的空氣對流，進而阻礙散熱的效率。採用單線SST匯流排，只需以最少的變化就能連接上未受控制的風扇，以三線及四線的風扇來說，感測的第三接腳可以用SST來取代，這樣就能將指令傳給風扇。這種新增的控制有很多好處，例如不只一個風扇在運作的狀況下，當兩個風扇以很接近的速度在運轉時，就會產生更大聲的拍擊頻率（beat frequency）。採用單點的控制，這種情況就可以被避免掉。

　至於設備端也要連上SST，這樣系統就能同時偵測到設備的溫度，並對設備端的風扇進行控制，例如在Intel的主機板中，標準的電源供應連接器 -5V 的供電腳位可以讓SST連上這個電源供應器，因為這個電壓現在已不使用了。當從主機板到電源供應器或任何熱源及風扇都與單線SST進行了連結，散熱的控制就建立一條整合性的溝通路徑，包括電源供應器、硬碟、記憶體、高速視訊顯示卡等熱源的溫度、電壓參數和風扇的控制指令都可以被傳輸。請參考（圖五）。
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              ▲圖五：SST可以讓系統中的熱源及風扇得到統一的控制。
在了解了熱源的位置和機構中風扇的能力後，設計者就能決定那一個風扇具有得到從外而來的冷空氣的優先權。在具有額外的SST主通訊能力下，透過與所有散熱資源及熱源的介面連結，以及經由溫度或其他量測來了解特定熱源與其他熱源的關係，傳統的硬體控制器就可以被用來管理這個系統。

　更進一步來看，SST能夠實現分散式的散熱管理系統。也就是依機構中各個設備的實際耗熱狀況，由控制中心以智慧性的演算去配置內部各個風扇的運轉狀況，以達到最佳的空氣流動。此外，在下一代的電腦機殼上可以規劃多個通風孔，透過分散式的智慧風扇管理策略來更有效率的規劃冷、熱空氣的流進、流出。在此同時，噪音的程度可以透過降低風扇速度來加以控制，並且可避免在機殼內的特定位置產生熱空氣的累積。

　■結論

　目前電腦的效能及功能不斷提升，但相對的內部核心元件及設備的耗熱狀況也愈來愈嚴重，例如CPU的溫度可以達到40C，而硬碟甚至可以達到50C。此外，今日的電腦已逐步從書房移到客廳及辦公室，因此雖然可以透過風扇來進行散熱，但高速的風扇所產生的噪音，卻不是市場上所樂見的。

　為了因應這些窘況，迫使Intel提供新的BTX架構，如（圖六），及低功耗的核心微架構（Core Microarchitecture）處理器，以及先進速度控制（Advanced Speed Control；ASC）的機構設計新概念。在ACS中，機殼內會有一個智慧性的中心來監控所有的溫度、檢驗它的風扇來源、評估該以何種速度來執行風扇的運轉，以及如何依多組輸入值來進行決定。

jennia

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