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論CompactPCI中 x86處理器的未來(lái)

Jeff Munch 2003/05/27

空間的限制

　　雖然微處理器和周邊裝置在過(guò)去幾年中在某種程度上維持了一個(gè)算是比較固定的大小，但是有一個(gè)地方卻在占用的空間上非常快速的增加，那就是系統的內存。低成本的DRAM和當今的高效能處理器兩個(gè)條件結合在一起，使得CompactPCI處理器卡板在內存的需求急遽地上升，大部分的供貨商在單槽的CompactPCI卡板上提供1 or 2 GB的內存，這些內存一般是透過(guò)直接附著(zhù)在卡板上的DRAM，再加上SO-DIMM的擴充槽來(lái)達成。下一代的設計將會(huì )用到4到8 GB的內存，設計者使用典型密度約2GB的SDIMM，在CompactPCI的設計上需用DIMM底座來(lái)達到8GB的內存。在下一代的卡板設計上，設計者必須要找到方法在一塊卡板上放入38個(gè)或更多的DRAM，而且還能夠提供滿(mǎn)足客戶(hù)期望的豐富多樣周邊裝置，512MB和1GB密集度的內存芯片將會(huì )是必需品。卡板大小所面臨的挑戰，將是在能完整發(fā)揮內存運作下，將內存設備置入并做線(xiàn)路規劃，這個(gè)目標是可以達成的，但是比較起以往的設計來(lái)說(shuō)，會(huì )花上更長(cháng)的規劃與設計周期。

微處理器功率設計導引

　　在CompactPCI演進(jìn)的歷史軌跡中，x86處理器已經(jīng)經(jīng)歷過(guò)非常顯著(zhù)的變化。有些非常早期的卡板用的是66MHz的CPU，目前這一代的x86產(chǎn)品，包含了1.7GHz Mobile Pentium 4 CPU。在嵌入式工業(yè)對支持長(cháng)生命周期的產(chǎn)品需求，造成了產(chǎn)品制造廠(chǎng)在處理器的選擇上，傾向從嵌入式或有長(cháng)周期支持的產(chǎn)品線(xiàn)去選擇。這些產(chǎn)品并不像桌上型計算機或服務(wù)器的處理器那樣走得那么先端，這些產(chǎn)品的生命周期是用年而不是用月來(lái)計算的。此外，這個(gè)產(chǎn)業(yè)也藉由使用mobile processor而取得一些優(yōu)勢，這種處理器在電源供應的需求上和嵌入式以及電信領(lǐng)域的應用非常類(lèi)似。下圖提供了Pentium各系列的處理器與其功率消耗的一個(gè)關(guān)連性，可以看到Pentium III與Mobile Pentium 4處理器家族的產(chǎn)品符合了今日CompactPCI板卡對處理器所提供的30Watts功率規格。

　　展望未來(lái)x86的設計，我們可以預期到CompactPCI卡板的設計將必須支持會(huì )消耗到60甚至80Watts的處理器。要解決這個(gè)問(wèn)題，將需要更強的散熱片設計與更佳的熱管理。卡板與機構設計者在協(xié)力合作解決散熱問(wèn)題挑戰上的能力，對下一代的設計工作將是非常重要。

板卡電源

　　CompactPCI卡板透過(guò)J1/J2的連接器來(lái)接收電源。有8個(gè)3.3V、6個(gè)5V、1個(gè)+12V、1個(gè)-12V的電源接腳。這些接腳供應1安培 IEC61076-4-101規格的電。每個(gè)接腳一安培的限制是保守的，而且某種程度上會(huì )誤導讓人以為所有的接腳可以在周邊溫度70°C的狀況下去接一安培的電流。在現實(shí)狀況中并不是所有連接器中的接腳都負載到最大的電流量，事實(shí)上大部分的CompactPCI接腳都是負載在以毫安為單位的電流范圍中。70°C一安培的限制，是基于流過(guò)接腳的電流所產(chǎn)生的熱。當電流增加時(shí)，也加大了跨過(guò)接腳的電位差。產(chǎn)生的熱是一種電壓和電流的函數，電壓和電流的增加會(huì )使連接器接腳的溫度上升。在CompactPCI中有最顯著(zhù)電流量的的接腳，是電源供應器接腳。如果設計者假設J1/J2連接器中的其它所有接腳都有電流負載，每一個(gè)接腳的最大電流則會(huì )是在40°C 2.5Amps， 這個(gè)信息可以在IEC61076-4-101的規格中的4.2.3中被找到。在每個(gè)接腳2.5安培的條件下，板卡可取得的功率大小如下表所示，此表顯示出卡板的設計者最多可以從J1/J2連接器中拉出200Watts的電。

　　設計者必須注意對任何的個(gè)別供應電壓，不要超過(guò)其功率上限。典型的DC-DC轉換的產(chǎn)生會(huì )造成CPU的核心電壓流出+12V，即使增加電流在+12V上可額外得到功率，也很可能難以滿(mǎn)足下一代的處理器。設計者必須要注意去平衡輸入電壓的使用，而不要使個(gè)別的供電超出了最大的功率值。從一個(gè)使用者的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，他必須注意要確保整個(gè)系統里面卡板所需的功率不會(huì )超過(guò)系統所能提供的上限，檢查電源供應器的建議功率值，確保整體的承載不會(huì )超過(guò)系統所能供應的。

散熱問(wèn)題

　　將CompactPCI卡板上產(chǎn)生的熱能移除是一大挑戰。用風(fēng)扇將風(fēng)吹進(jìn)來(lái)是非常典型用來(lái)進(jìn)行卡板冷卻散熱的方式。直覺(jué)來(lái)看，似乎透過(guò)增加散熱片上的空氣對流或散熱片本身的大小就足以解決散熱的問(wèn)題。事實(shí)上，用加強吹風(fēng)散熱或增大散熱片的方式都會(huì )受到限制。大部分的CompactPCI卡板都有PMC(PCI Mezzanine Card)的區域與內存模塊影響了散熱片大小的擴增.此外，處理器所產(chǎn)生的熱能會(huì )集中在一個(gè)小的區域內，增加散熱片的大小并不能等比例地達到強化散熱的效果。另外一個(gè)因素是散熱片本身的散熱能力，我們稱(chēng)之為熱阻(Thermal Resistance) 。熱阻的單位是°C/W，當要被發(fā)散的能量上升時(shí)，可預期到周邊的溫度一定會(huì )上升。舉例來(lái)說(shuō)，一顆處理器產(chǎn)生了40W的能量要被發(fā)散，散熱片的熱阻如果是0.5°C/W，這處理器的溫度就會(huì )比其周邊高出20度。下圖提供了一般的熱阻、散熱片大小與風(fēng)速的對應關(guān)系，請注意到圖形中的X軸與Y軸是以對數的方式呈現。

　　從圖上可以看出散熱片的散熱能力并不和風(fēng)速成一線(xiàn)性函數，在熱阻上一個(gè)非常顯著(zhù)的改善，會(huì )在稍呈對流狀態(tài)的空氣與每分鐘500英尺的風(fēng)速情況下顯現出來(lái)，但是從每分鐘500英尺增加到每分鐘1000英尺的風(fēng)速時(shí)，熱阻的改善就沒(méi)那么顯著(zhù)了。另一個(gè)用吹風(fēng)方式的限制因素是噪音，當吹過(guò)卡板與散熱片的風(fēng)速增加時(shí)，所產(chǎn)生的噪音也會(huì )增加。從實(shí)務(wù)面來(lái)看，大部分的CompactPCI機箱提供每分鐘300英尺的風(fēng)速，如先前提到的，散熱片通常會(huì )被內存以及PMC的空間給限制了大小，一個(gè)CompactPCI卡板若含有兩個(gè)PMC的設計，通常會(huì )有一個(gè)處理器散熱片的大小約為3 inch x 4.5 inch x 0.7 inch或9.45立方英吋, ，這樣通常約在每分鐘300英尺的風(fēng)速下有0.62°C/W的熱阻，大部分的處理器在最熱的例子下會(huì )到70°C，在一個(gè)嵌入式的應用中，周邊的最高溫很容易就達到50°C，透過(guò)這些信息，當遇到限制時(shí)，一顆微處理器所能產(chǎn)生出來(lái)的熱量可透過(guò)下列的公式計算而得：最高溫度=熱阻 x 功率 + 周邊溫度(最高溫度-周邊溫度)/ 熱阻= 功率 (70-50)/0.62= 32Watt。

　　一個(gè)32W的功率讓一顆Pentium 4的處理器可以跑到1.7GHz，要增加處理器的速度則讓我們必須增加散熱片的大小，或是降低最大操作溫度、增強吹風(fēng),或者是這些方法中的某種組合。下一代的設計目標會(huì )是達到3GHz的P4處理器，那表示我們必須要能處理65W的熱能。下一代的卡板由于將具備更加多樣豐富的功能與規格，勢必難以在增加散熱片大小上做文章，多出來(lái)的33W將必須通過(guò)增加風(fēng)速和降低最大操作溫度來(lái)達成。每分鐘450英尺的風(fēng)速，散熱片熱阻0.45°C/W，周邊操作溫度可被降到40°C。如果給定這樣的條件，處理器最大的功率將是 (70-40)/0.45=66Watts，這樣剛好進(jìn)到足以處理的區間。這樣的計算顯示出通過(guò)增加風(fēng)速和改變溫度的規格，是有可能提升處理器的效能的。要注意的是，熱阻的大小將會(huì )隨散熱片附著(zhù)方式的不同而有所變化。另外要考慮的一點(diǎn)是，處理器所產(chǎn)生的熱通常會(huì )在中間，而且并不會(huì )均勻地分布在散熱片上，如此也降低了散熱片的散熱效能，熱模擬在確認熱處理解決方案時(shí)是必要的。下一代卡板的使用者，將需要確定所使用的機箱能提供的風(fēng)速足以確保處理器能在其規格的極限上運轉。

結語(yǔ)

　　下一代x86技術(shù)的使用者與設計者將必須對設計和整合上的錯綜復雜付出更多的心力，很顯然，這些挑戰都是可以被克服的。設計者必須在一個(gè)固定大小的板子上塞進(jìn)更多的組件，熱工程師必須要設計更有效的散熱片，而使用者則必須花更多時(shí)間去注意卡板在裝到平臺上使用時(shí)，功率和冷卻方面不虞有問(wèn)題。看起來(lái)似乎下一代的x86技術(shù)將會(huì )把CompactPCI推到極限，似乎種種挑戰在來(lái)年很不容易克服。不過(guò)當我們在一年前看現在時(shí)也是一樣的狀況，我們似乎在面對這個(gè)產(chǎn)業(yè)的挑戰時(shí)，總能找出創(chuàng )新的方法去克服它們。

凌華科技供稿 CTI論壇編輯