【摘要】： 隨著高集成計(jì)算機(jī)芯片的發(fā)展,傳統(tǒng)的冷卻方法將趨于其散熱極限,對(duì)高性能芯片冷卻的需求已上升到前所未有的層面。為了克服此類芯片所引發(fā)的熱障問(wèn)題,低熔點(diǎn)金屬或其合金被引入計(jì)算機(jī)熱管理。這一嶄新的芯片散熱方法引申出了大量的理論、試驗(yàn)及實(shí)際器件研制等方面的問(wèn)題。本論文旨在對(duì)這一課題進(jìn)行研究,所取得的進(jìn)展如下: 1、二元低熔點(diǎn)合金熱物性的研究 室溫金屬流體在芯片散熱領(lǐng)域中正日益顯示重要價(jià)值,但相關(guān)材料的熱物性比較缺乏。本文基于Faber-Ziman理論,采用Ashcroft-Langreth硬球模型偏結(jié)構(gòu)因子以及空核心模型贗勢(shì)計(jì)算了液態(tài)二元鎵銦及鈉鉀合金的電阻率,在此基礎(chǔ)上結(jié)合Wiedemann-Franz-Lorenz(WFL)定律,得到了兩類合金的熱導(dǎo)率。作為對(duì)比,本文同時(shí)也對(duì)鎵銦合金的熱導(dǎo)率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)定。采用Iida唯象二元合金粘度理論分別計(jì)算了液態(tài)鈉鉀和鎵鋁合金粘度隨原子組分濃度的變化關(guān)系。 2、電磁驅(qū)動(dòng)室溫金屬流體的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究 作為電磁驅(qū)動(dòng)室溫金屬流體散熱系統(tǒng)的動(dòng)力源,電磁泵直接影響著最終散熱性能。為深入認(rèn)識(shí)電磁泵驅(qū)動(dòng)室溫金屬流體的特性,本文建立了相應(yīng)的磁流體動(dòng)力學(xué)方程,針對(duì)兩類不同流道結(jié)構(gòu)的電磁泵,采用有限元方法模擬得到了金屬流體在電磁泵內(nèi)的流速分布、電流分布以及進(jìn)出口壓差。同時(shí),采用澆注方法制作了透明的室溫金屬流體電磁泵,開(kāi)展了初步的靜壓測(cè)試,驗(yàn)證了計(jì)算方法和仿真程序的準(zhǔn)確性;結(jié)果表明,室溫金屬流體電磁泵的進(jìn)出口壓差與磁感應(yīng)強(qiáng)度和輸入的電極電流成線性關(guān)系。 3、基于NaK77.8芯片散熱技術(shù)的數(shù)值評(píng)估 采用CFD軟件Fluent,對(duì)采用NaK77.8合金和水作為冷卻工質(zhì)的冷頭性能進(jìn)行了數(shù)值評(píng)估。數(shù)值結(jié)果表明:NaK77.8作為工質(zhì)時(shí)的冷頭性能要優(yōu)于同等條件下水作為換熱介質(zhì);NaK77.8較低的體積比熱使其出口平均溫度要比相同條件下的水來(lái)得高,同時(shí)在較高流速下的冷頭性能更為優(yōu)越;在高熱流密度和極端環(huán)境下,基于液體金屬NaK77.8冷頭同樣有著很好的性能。利用熱分析軟件Icepak對(duì)基于NaK77.8的芯片散熱技術(shù)的冷卻性能進(jìn)行了系統(tǒng)級(jí)熱仿真,考察和分析了遠(yuǎn)端散熱器對(duì)整個(gè)冷卻系統(tǒng)性能的影響。結(jié)果表明:遠(yuǎn)端散熱器更易成為整個(gè)系統(tǒng)的散熱瓶頸,阻礙熱量的有效散發(fā)。 4、液體金屬散熱技術(shù)應(yīng)用于臺(tái)式機(jī)和筆記本系統(tǒng)的研究 在前期工作的基礎(chǔ)上,對(duì)液體金屬散熱技術(shù)在實(shí)際計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了嘗試。本文研制出一套可用于臺(tái)式電腦的液體金屬冷卻系統(tǒng),并對(duì)其聯(lián)機(jī)后的實(shí)際應(yīng)用性能進(jìn)行了初步評(píng)估,測(cè)試結(jié)果表明液體金屬冷卻系統(tǒng)能有效地將臺(tái)式計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的熱量帶走。針對(duì)內(nèi)部空間狹小和芯片高度集成的筆記本電腦,本文提出了液體金屬冷卻系統(tǒng)的筆記本解決方案。利用Icepak軟件對(duì)其性能進(jìn)行了數(shù)值評(píng)估,其結(jié)果令人滿意。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院（理化技術(shù)研究所）
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號(hào)】：TP303.2
【圖文】：

圖 1-1 2004 年國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖對(duì) CPU 熱設(shè)計(jì)功耗的預(yù)測(cè)[7]計(jì)算機(jī)熱管理中的典型液冷技術(shù)1 管路水冷散熱管路水冷冷卻是最常用的一種液冷方式，如圖 1-2 所示，其工作驅(qū)動(dòng)水循環(huán)通過(guò)一個(gè)貼在芯片上的吸熱塊（熱沉），當(dāng)水流經(jīng)吸熱熱的芯片傳到較冷的液體，受熱液體隨后流到遠(yuǎn)端散熱器，利用風(fēng)過(guò)散熱器，將熱量傳到外部的環(huán)境中，冷卻后的液體重新流回到重復(fù)上述過(guò)程，即可完成熱量的輸運(yùn)。目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)宏觀管路水廠商如 SWIFTECH、KOOLANCE、AHANIX 和奧柯瑪?shù)�，都有其冷系統(tǒng)，并在該領(lǐng)域不斷進(jìn)行技術(shù)投入與開(kāi)發(fā)。

目前管路水冷冷卻是最常用的一種液冷方式，如圖 1-2 所示，其工作原理為：流體泵驅(qū)動(dòng)水循環(huán)通過(guò)一個(gè)貼在芯片上的吸熱塊（熱沉），當(dāng)水流經(jīng)吸熱塊，熱量從發(fā)熱的芯片傳到較冷的液體，受熱液體隨后流到遠(yuǎn)端散熱器，利用風(fēng)扇強(qiáng)迫空氣流過(guò)散熱器，將熱量傳到外部的環(huán)境中，冷卻后的液體重新流回到 CPU 吸熱塊，重復(fù)上述過(guò)程，即可完成熱量的輸運(yùn)。目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)宏觀管路水冷系統(tǒng)的主要廠商如 SWIFTECH、KOOLANCE、AHANIX 和奧柯瑪?shù)龋加衅洫?dú)特設(shè)計(jì)的液冷系統(tǒng)，并在該領(lǐng)域不斷進(jìn)行技術(shù)投入與開(kāi)發(fā)。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前7條

1 李騰,劉靜;芯片冷卻技術(shù)中的微/納米材料與結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展[J];微納電子技術(shù);2004年08期

2 方志強(qiáng),付桂翠,高澤溪;電子設(shè)備熱分析軟件應(yīng)用研究[J];北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào);2003年08期

3 柴捷,李朗如,沙次文;電磁流體推進(jìn)系統(tǒng)的研究與發(fā)展[J];電工電能新技術(shù);2000年02期

4 孔巧玲,賀建華;熱管在筆記本電腦散熱中的應(yīng)用[J];電腦開(kāi)發(fā)與應(yīng)用;2004年02期

5 陳潔茹,朱敏波,齊穎;Icepak在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J];電子機(jī)械工程;2005年01期

6 劉靜;周一欣;;芯片強(qiáng)化散熱研究新領(lǐng)域——低熔點(diǎn)液體金屬散熱技術(shù)的提出與發(fā)展[J];電子機(jī)械工程;2006年06期

7 李騰,劉靜;芯片冷卻技術(shù)的最新研究進(jìn)展及其評(píng)價(jià)[J];制冷學(xué)報(bào);2004年03期

本文編號(hào)：2718698