Метод и программа автоматизированного синтеза систем обеспечения тепловых режимов микроэлектронной аппаратуры::Журнал СА 4.2018
www.samag.ru
     
Поиск  
              
 www.samag.ru    Web  0 товаров , сумма 0 руб.
E-mail
Пароль  
 Запомнить меня
Регистрация | Забыли пароль?
Сетевой агент
О журнале
Журнал «БИТ»
Информация для ВАК
Звезды «СА»
Подписка
Где купить
Авторам
Рекламодателям
Магазин
Архив номеров
Форум
Вакансии
Спроси юриста
Игры
Контакты
   
Слайд шоу  
Представляем работы Виктора Чумачева
Виктор Чумачев – известный московский художник, который сотрудничает с «Системным администратором» уже несколько лет. Именно его забавные и воздушные, как ИТ, иллюстрации украшают многие серьезные статьи в журнале. Работы Виктора Чумачева хорошо знакомы читателям в России («Комсомольская правда», «Известия», «Московские новости», Коммерсант и др.) и за рубежом (США, Германия). Каждый раз, получая новый рисунок Виктора, мы в редакции улыбаемся. А улыбка, как известно, смягчает душу. Поэтому смотрите на его рисунки – и пусть у вас будет хорошее настроение!
1001 и 1 книга  
22.11.2018г.
Просмотров: 192
Комментарии: 0
MySQL 8 для больших данных

 Читать далее...

22.11.2018г.
Просмотров: 123
Комментарии: 0
Осваиваем C++17 STL

 Читать далее...

22.11.2018г.
Просмотров: 158
Комментарии: 0
Решение задач на современном C++

 Читать далее...

22.11.2018г.
Просмотров: 122
Комментарии: 0
Программируй на Haskell

 Читать далее...

29.10.2018г.
Просмотров: 443
Комментарии: 0
Информатика. Учебник, 4-е издание, цветное, переработанное и дополненное

 Читать далее...

Дискуссии  
17.09.2014г.
Просмотров: 19944
Комментарии: 3
Красть или не красть? О пиратском ПО как о российском феномене

Тема контрафактного ПО и защиты авторских прав сегодня актуальна как никогда. Мы представляем ...

 Читать далее...

03.03.2014г.
Просмотров: 22097
Комментарии: 1
Жизнь под дамокловым мечом

Политические события как катализатор возникновения уязвимости Законодательная инициатива Государственной Думы и силовых структур, ...

 Читать далее...

23.01.2014г.
Просмотров: 30731
Комментарии: 3
ИТ-специалист будущего. Кто он?

Так уж устроен человек, что взгляд его обращен чаще всего в Будущее, ...

 Читать далее...


  Опросы

Друзья сайта  

Форум системных администраторов  

sysadmins.ru

 Метод и программа автоматизированного синтеза систем обеспечения тепловых режимов микроэлектронной аппаратуры

Архив номеров / 2018 / Выпуск №4 (185) / Метод и программа автоматизированного синтеза систем обеспечения тепловых режимов микроэлектронной аппаратуры

Рубрика: Наука и технологии

Без фото ГРОМОВ И.Ю., аспирант, Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики», prostoe@gmail.com

Метод и программа автоматизированного синтеза
систем обеспечения тепловых режимов микроэлектронной аппаратуры

Описан метод автоматизированной параметрической и структурной оптимизации систем обеспечения теплового режима микроэлектронной аппаратуры с использованием современных информационных технологий

Введение

Для современной микроэлектронной аппаратуры (МЭА) характерны усложнение конструктивного исполнения, непрерывная миниатюризация одновременно с ростом плотности рассеиваемой тепловой мощности. Требования к надежности при этом остаются крайне высокими. В связи с этим задача оптимального проектирования структуры и параметров систем обеспечения теплового режима (СОТР) для МЭА становится нетривиальной, крайне затруднительной илиневозможной для оптимального решения интуитивным подходом [1].

В данной работе предлагаются методы и модели, позволяющие автоматизировать процесс выбора как средств терморегулирования и термостатирования для МЭА, так и их параметров.

В большинстве источников в первую очередь затрагивается вопрос параметрической оптимизации тепловых систем, например в статье [2].

При этом проблема одновременной структурной оптимизации, как правило, сводится к итеративному поиску простым сравнением различных систем терморегулирования [3], что трудоемко и неэффективно при расчете сложных моделей МЭА.

Ниже представлена реализация принципиально иного подхода к синтезу данных систем, основанная на оценке эффективности влияния параметров СОТР на тепловой режим.

Для выполнения требования к тепловому режиму каждого ЭРИ могут использоваться различные средства терморегулирования: локальные радиаторы, вентиляторы, теплоотводящие шины, термоэлектронные модули (ТЭМ) Пельтье, тепловые трубы и т.д., которые объединяются в структуру СОТР, связанную с каждым охлаждаемым ЭРИ или элементом конструкции МЭА.

Пример тепловой модели элемента МЭА и вариантов подстановки в тепловую схему показан на рис. 1.

Критерий оптимальности

В качестве модели теплообмена блока МЭА в процессе оптимального синтеза используется тепловая схема, выполненная по принципам электротепловой аналогии (см. рис. 1).

Рисунок 1. Схема подстановки средств СОТР в тепловую модель блока МЭА

Рисунок 1. Схема подстановки средств СОТР в тепловую модель блока МЭА

Концепция метода оптимизации построена на анализе температурного поля, вычисляемого по модели теплообмена после пошагового изменения параметров средств СОТР. При определении направления движения к оптимуму изменение значения каждого параметра определяется вычислением на очередном шаге оптимизации критерия оптимальности для блока МЭА и оптимального направления изменения параметра для каждого средства СОТР, присутствующего в модели.

Критерий отражает эффективность конфигурации СОТР в виде взаимозависимости затрат на реализацию и получаемого теплового эффекта.

При этом затраты на реализацию представляют сумму, включающую стоимость средств СОТР, массы и потребляемой ими мощности, а получаемый эффект – уменьшение отклонения температуры на ЭРИ от заданных значений, необходимых для обеспечения требуемой надежности.

Для реализации указанной выше взаимозависимости в качестве критерия оптимальности для блока МЭА предлагается минимум целевой функции (ЦФ) F для n средств обеспечения теплового режима и m обеспечиваемых температур наЭРИ в узлах тепловой модели:

(1)

где:

  • Q = (q1, ..., qu) – вектор параметров элементов системы с ограничениями (тепловое сопротивление, расход энергии, параметры фитиля для тепловых труб (ТТ), ток питания для ТЭМ Пельтье и т.п.), всего u параметров всех средств СОТР;
  • i – индекс узла, в котором установлено средство СОТР и где будет происходит его замена на другие возможные;
  • ne – общее количество ЭРИ с контролем температуры;
  • ni – индекс по узлам, где выполняется контроль температуры ЭРИ;
  • λlλhλpλм – весовые коэффициенты важности учета видов требований к нижнему и верхнему значениям температур ЭРИ, потребляемой мощности и массе соответственно;
  • cp,icm,i – коэффициенты стоимости единицы массы и мощности для средства СОТР в узле i;
  • kl,nikh,ni – коэффициенты запаса по температуре соотвественно в узле ni;
  • Tni – расчетные температуры на ЭРИ в ni-м узле тепловой модели;
  • Tcl,niTch,ni – нижняя допустимая и верхняя допустимая температуры ni-го ЭРИ соответственно;
  • Pi – потребляемая мощность средства СОТР для обеспечения теплового режима i-го ЭРИ;
  • Mi – масса средства СОТР i-го ЭРИ;
  • nСi – количество всех средств СОТР и стоимость i-го средства соответственно.

В зависимости от выбираемого метода параметрической оптимизации к ЦФ добавляются штрафные функции, учитывающие ограничения на векторы Q и Т.

Требуется, чтобы выбранное решение было наиболее оптимальным с точки зрения стоимости применения тех или иных средств СОТР.

В связи с этим важной особенностью предлагаемого метода является возможность учета целесообразности применения того или иного средства СОТР. Это достигается с помощью учета индивидуального экспертно-ценового параметра – стоимости, характеризующей затраты на применение.

Стоимость (С) средства СОТР в общем виде определяют [4]:

C = f(Q) (2)

В процессе практической оптимизации C представляют в форме линейной или полиноминальной функции, примеры которой представлены ниже (см. таблицу 1).

Таблица 1. Применяемые стоимостные функции для средств СОТР

Тип средства СОТР Стоимостная функция
Пластинчатые радиаторы
Тепловые трубы от ЭРИ на корпус РЭА

Описание метода синтеза

Синтез средств обеспечения теплового режима подразумевает структурную оптимизацию – изменения конфигурации модели СОТР и параметрическую оптимизацию – изменения параметров средств СОТР в найденной конфигурации.

Определенная конфигурация тепловой схемы представляется как вершина графа, ребра которого определяют переход между составом средств СОТР в конфигурации.

В процессе синтеза создаются новые конфигурации тепловой схемы с использованием возможных вариантов замен в узлах ее тепловой модели. Эффективность любой конфигурации тепловой схемы оценивается с помощью ЦФ (1).

Рисунок 2. Базовые шаги синтеза средств СОТР и переходы между конфигурациями начиная от исходной модели

Рисунок 2. Базовые шаги синтеза средств СОТР и переходы между конфигурациями начиная от исходной модели

Метод синтеза определяется следующими основными шагами:

Шаг 0. Подготовительный этап. В первоначальной конфигурации тепловой модели для каждого синтезируемого средства СОТР специалистом назначаются возможные варианты замены либо автоматически рассматриваются всевозможные. Назначаются ограничения для F(1) и коэффициенты запаса. Счетчик шагов S = 1.

Шаг. 1. Выполнение перебора по узлам подстановки и расчет матрицы AS.

Оценка состояний возможных вариантов конфигурации синтезируемой схемы на текущем шаге оптимизации S выполняется с помощью матрицы AS размера n×r, элементы gm которой являются максимальными значениями заданного вектора:

где:

  • n – количество узлов тепловой схемы, в которой выполняется подбор средств СОТР;
  • r – максимальное количество средств СОТР, подставляемых в узлы;
  • p – максимально возможное количество параметров в средствах СОТР;
  • ijk – счетчики по узлам, средствам СОТР и их параметрам соответственно.

Если hi = 0 (см. ниже), то расчет gmi,j матрицы AS пропускается и узел не рассматривается, т.к. является зафиксированным.

Оценка эффективности влияния каждого параметра элементов СОТР тепловой схемы выполняется с помощью отношения относительной чувствительности целевой функции к изменению параметра средства СОТР и абсолютной чувствительности стоимости средства СОТР к изменению этого параметра:

где:

  • Fi,j,k – ЦФ (1) в точке qi,j,k ∈ Q
  • Сi,j,k – стоимость применения j-го средства СОТР в узле i для параметра k;
  • qi,j,k – значение k-го параметра в i-м узле j-го средства СОТР.

Шаг 2. Выполняется анализ матрицы AS и поиск ij элемента, являющиегося максимальным max AS, сохраняются si = isj = j. Средство СОТР с индексами sisj подставляется в конфигурацию, и узел n = si отмечается как зафиксированный в матрице H:

где hi равен 0 для i-го узла, если он зафиксирован, и 1 – в противном случае.

Шаг 3. Выполняется параметрическая оптимизация Fi,j,k → min по параметрам выбранного средства СОТР в зафиксированном узле i любым известным методом оптимизации с учетом ограничений, например методом наискорейшего спуска.

Процесс поиска конфигурации с оценкой матрицы A, выбором средства СОТР для очередного узла и его фиксацией от изменений продолжается до тех пор, пока все узлы синтезируемой схемы не будут зафиксированы, т.е. H = (0, … ,0) = Z.

Шаг 4. Проверка H = (0, … ,0) = Z? Если да → Шаг 5. Если нет → Шаг 2.

Шаг 5. Вывод итоговой конфигурации, списка подставленных средств СОТР и температур на ЭРИ и в узлах нашей тепловой модели.

Таким образом, алгоритм рассматривает множество различных непрерывных состояний ЦФ (1), которые зависят от помещенных в тепловую модель СОТР и их параметров. При этом выбираются СОТР, оказывающие наибольшее влияние натепловую модель на очередном шаге (см. шаг 2) с учетом стоимости, и подставляются в тепловую схему.

На последующем этапе производится шаг параметрической оптимизации по одному из параметров СОТР, который доступен для изменения.

Чередование итеративных подходов подстановки СОТР с исключением неэффективных вариантов и оптимизации по параметрам приводит к итоговой тепловой схеме с наиболее оптимальными элементами по сравнению с первоначальной конфигурацией, что подтверждается уменьшением значения ЦФ.

Полученные результаты

Рассмотрим оптимальный синтез СОТР типового блока МЭА, для которого необходимо произвести оценку целесообразности применения алюминиевых радиаторов на ЭРИ по сравнению с медными тепловыми трубами (ТТ), зоны конденсации которых выводятся на корпус. Входящие в состав блока МЭА печатные платы включают 6 ключевых ЭРИ со значением тепловыделения от 2 до 10 Вт.

Исходные данные и граничные условия:

  • атмосфера внутри и снаружи блока – воздух;
  • теплонагруженность – 8 ЭРИ с тепловыделением, равным 2, 1.2, 1.5, 1, 0.8, 0.4, 0.6, 0.6 Вт (см. Ie1-Ie8, рис. 1) соответственно;
  • ТТ расположены горизонтально относительно гравитационного поля, т.е. ψ = 0;
  • граничные условия по кожуху – температура атмосферы  = 30°С;
  • коэффициент теплоотдачи корпуса блока по воздуху α = 2 Вт/м2К;

В таблице 1 параметры для радиатора:

  • DlHrNrDelrDelp – длина оребренной поверхности, высота ребра, количество ребер, толщина ребра и просвет между ребрами соответственно,
  • Dl,minHr,minNr,minDelr,minDelp,min – их минимально возможные значения соответственно;
  • для ТТ:
    • d – внешний диаметр ТТ,
    • w – толщина фитиля,
    • Q – расчетная передаваемая мощность,
    • dminwminQmin – минимально возможные значения вышеназванных параметров соответственно.

В таблицах 2, 3, 4 указаны начальные значения и ограничения при варьировании для параметров средств оптимизируемой СОТР.

Таблица 2. Начальные параметры пластинчатых радиаторов

Наименование параметра Начальное значение Ограничения Варьируется
Hr 200 мм 10 ≤ Hr ≤ 300 +
Dl 200 мм 10 ≤ Dl ≤ 300 +
Delr 1 мм 1 ≤ Delr ≤ 4 +
Delp 2 мм
Nr 5 5 ≤ Nr ≤ 12 +
Материал Al (λ = 200 Вт/м·К)

Таблица 3. Значения начальных параметров ТТ в наборе

Наименование параметра Начальное значение Ограничения Стоим. коэф. (с) Варьируется
D (внешний диаметр) 6 мм 4 ≤ D ≤ 12 0,9 +
tw (толщина фитиля) 2 мм 1 ≤ tp ≤ (D-2) 0,1 +
tp (толщина стенки) 1 мм
Lc (длина зоны конденсатора) 100 мм
Le (длина зоны испарителя) 100 мм
La (длина адиабатического участка) 200 мм
Тип фитиля сеточный
Материал корпуса Cu (λ = 401 Вт/м·К)
Материал фитиля Cu (λ = 401 Вт/м·К)
N (ячеистость) 7870
ds (толщина проволоки) 6,25·10-5 м
ψ (угол наклона) 0

Таблица 4. Параметры набора ТТ

Наименование параметра Значение Ограничения
Qmin (передаваемый тепловой поток) равно Qe = [2, 12] с шагом 2
Nmax (макс. количество ТТ в наборе) 5 1 ≤ Nmax ≤ 10

Проводилось 6 расчетных сеансов оптимизации с различными значениями тепловыделения Qe для первого ЭРИ (см. Ie1, рис. 1) и фиксированным значением Qe для остальных в целях изучения поведения алгоритма оптимизации приразличных входных данных.

В качестве критерия оптимальности СОТР блока МЭА применялась ЦФ, соответствующая (1). Ограничения на температуры в узлах: 0 ≤ Tj ≤ 100 °С.

В процессе оптимизации варьировались параметры радиаторов и диаметров ТТ и их количество с использованием шагов 1-3 разработанного алгоритма синтеза СОТР.

Рисунок 3. Зависимость ЦФ F(Q) от шага оптимизации S при различных значениях тепловыделения Qe

Рисунок 3. Зависимость ЦФ F(Q) от шага оптимизации S при различных значениях тепловыделения Qe

В результате оптимизации алгоритмом предложена итоговая конфигурация, в которой ЭРИ № 1 охлаждается набором ТТ, а остальные ЭРИ – радиаторами, т.к. тепловыделение первого ЭРИ весьма существенно, и охлаждение его с помощью массивного радиатора приведет к скачку стоимости и значению ЦФ соответственно (см. таблицу 5).

Таблица 5. Найденные в результате оптимизации параметры набора ТТ

Qe1, Вт np D ТТ, мм Qmax ТТ, Вт R, К/Вт min F
2 2 7,5 1,22 0,0207 11725,38
4 3 8 1,44 0,0202 17521,10
6 5 7,5 1,22 0,0207 26021,49
8 6 8 1,44 0,0202 32129,16
10 7 8 1,44 0,0202 36388,74
12 9 8 1,44 0,0202 44763,28

Получены количество n и параметры каждой ТТ в наборе необходимых для отвода на корпус блока МЭА теплового потока Qe от термостатируемого ЭРИ. Рассчитаны параметры набора ТТ и радиаторов в зависимости от тепловыделения ЭРИ.

Как видно из таблицы 5, алгоритмом найдено достаточное, но не избыточное количество ТТ в наборе np с диаметром D для каждого значения Qe. В каждом случае обеспечивается минимальное тепловое сопротивление R единичной ТТ внаборе с учетом ограничений по кипению и уносу жидкости, выраженными в расчетном значении Qmax ТТ. Минимум значения ЦФ (1) при этом возрастает за счет повышения стоимости применения набора с большим количеством ТТ внем.

Алгоритмом оптимизации предложены параметры радиаторов, попадающие в зону ограничения и позволяющие выполнить требования по температуре для ЭРИ, на которые они устанавливаются.

Использование радиаторов является классическим и наиболее простым с технологической точки зрения решением, но оно требует существенного увеличения габаритов межплатного пространства прибора МЭА при росте тепловыделения ЭРИ вследствие роста размеров ребер радиатора, что наглядно отражено в таблице 6.

Таблица 6. Найденные в результате оптимизации параметры радиаторов на примере ЭРИ индексом 2

Qe2, Вт Параметры радиатора R, К/Вт
0.2 Dl = 29 мм, Hr = 24 мм, Nr = 4, Delr = 3 мм, Delp = 2 мм 10,88
0.5 Dl = 32 мм, Hr = 27 мм, Nr = 5, Delr = 3 мм, Delp = 2 мм 8,74
0.8 Dl = 34 мм, Hr = 28 мм, Nr = 6, Delr = 3 мм, Delp = 2 мм 7,12
1 Dl = 39 мм, Hr = 30 мм, Nr = 6, Delr = 3 мм, Delp = 2 мм 4,15
1.5 Dl = 41 мм, Hr = 31 мм, Nr = 6, Delr = 3 мм, Delp = 2 мм 2,87
2 Dl = 42 мм, Hr = 33 мм, Nr = 6, Delr = 3 мм, Delp = 2 мм 1,7

Расчетные температуры термостатируемых таким способом ЭРИ блока МЭА приближаются вплотную к верхнему ограничению, т.к. алгоритм оптимизации использует все возможные ресурсы по снижению стоимости решения вдопустимых пределах по температуре (см. таблицу 7).

Таблица 7. Расчетные температуры в ключевых узлах тепловой модели

Qe1, W Tb T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8
  °С
2 44,4 44,42 91,17 90,53 90,98 90,73 91,72 90,88 90,35
4 45 45,02 90,17 90,61 90,64 90,47 92,32 90,66 90,2
6 45,6 45,62 90,27 90,71 90,38 90,63 92,92 90,87 90,86
8 46,2 46,22 90,87 90,81 90,44 90,45 93,52 90,39 90,32
10 46,8 46,82 91,47 90,23 90,78 90,25 94,12 90,60 90,40
12 47,4 47,427 90,45 90,39 91,38 90,85 90,64 90,07 90,34

В таблице 7 представлены ключевые узлы тепловой модели блока.

  • Узлы с обозначением T2-T8 представляют точки на поверхности ЭРИ, термостатируемых радиаторами, а T1 – набором ТТ.
  • Tb – температура воздуха внутри блока МЭА в самой нагретой точке.

Изменение тепловыделения Qe первого ЭРИ влияет на температуру в узлах всей модели. При этом его температура T1 минимальна, т.к. выделяемый им тепловой поток передается на набор ТТ, а далее на корпус блока с минимальным тепловым сопротивлением R, что показывает высокую эффективность применения ТТ в СОТР блока с точки зрения теплоотвода, но существенно влияет на стоимость в сторону увеличения, что отражается в значении ЦФ (см. таблицу 5).

Выводы

В результате разработаны метод и программа автоматизированного структурного и параметрического синтеза средств обеспечения тепловых режимов МЭА.

Представлен критерий оптимального проектирования, позволяющий оценить эффективность систем обеспечения тепловых режимов с учетом экспертно-ценовых показателей стоимости. Разработан и реализован алгоритм синтеза, а также получены практические результаты, позволяющие подтвердить эффективность разработанного метода.

  1. Улитенко А.И., Гуров В.С., Пушкин В.А. Принципы построения индивидуальных систем охлаждения электронных приборов и устройств. – М.: Горячая линия-Телеком, 2012. – 286 с.: ил. ISBN 978-5-9912-0232-9.
  2. Sidy Ndao, Yoav Peles, Michael K. Jensen. Multi-objective thermal design optimization and comparative analysis of electronics cooling technologies. // International Journal of Heat and Mass Transfer 52 (2009), pp. 4317-4326.
  3. Jaluria, Yogesh. Design and optimization of thermal systems. – 2nd ed. / Yogesh Jaluria, CRC Press, Boca Raton, 2007. – ISBN 978-0-8493-3753-6. – 752 p.
  4. Кожевников А.М. Методы оптимального проектирования бортовых радиоэлектронных средств на основе моделирования их электрических, тепловых и механических режимов [Текст]: диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук / А.М. Кожевников, МИЭМ, 2005 г.
  5. Банди Б. Методы оптимизации. Вводный курс: [Пер. с англ.] / Б. Банди. – М.: Радио и связь, 1988. – 128 с.

Ключевые слова: микроэлектронная аппаратура, оптимизация, проектирование, автоматизация, тепловой режим.


Method and program of automated synthesis of thermal conditions for microelectronic equipment

Gromov I.Yu., graduate student, National Research University "Higher School of Economics", prostoe@gmail.com

Abstract: This paper presents a brief description of principle of automated parametric and structural optimization method for thermal regime system of handheld and onboard radio electronic devices using modern information technologies.

References:

  1. Ulitenko A.I., Gurov V.S., Pushkin V.A. Principy postroenija individual'nyh sistem ohlazhdenija jelektronnyh priborov i ustrojstv. – M.: Gorjachaja linija-Telekom, 2012. – 286 s.: il.
  2. Sidy Ndao, Yoav Peles, Michael K. Jensen. Multi-objective thermal design optimization and comparative analysis of electronics cooling technologies. // International Journal of Heat and Mass Transfer 52 (2009), pp. 4317-4326.
  3. Jaluria, Yogesh. Design and optimization of thermal systems. – 2nd ed. / Yogesh Jaluria, CRC Press, Boca Raton, 2007. – ISBN 978-0-8493-3753-6. – 752 p.
  4. Kozhevnikov A.M. Methodi optimalnogo proyektirovaniya bortovih radioelektronnikh sredstv na osnove modelirovaniya ikh elektricheskikh, teplovikh i mekhanicheskikh regimov [Tekst]: dissertaciya na soiskaniye uchenoy stepeni doktora technicheskikh nauk. / A.M.Kozhevnikov, MIEM, 2005.
  5. Bandi B. Methodi optimizacii. Vvodniy kurs: [Per. s angl.] / B. Bandi. – M.: Radio I svyaz, 1988. – 128 s.

Keywords: radio electronic devices, optimization, design, automation, thermal regime.


Комментарии отсутствуют

Добавить комментарий

Комментарии могут оставлять только зарегистрированные пользователи

               Copyright © Системный администратор

Яндекс.Метрика
Tel.: (499) 277-12-41
Fax: (499) 277-12-45
E-mail: sa@samag.ru