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論CompactPCI中 x86處理器的未來

Jeff Munch 2003/05/27

空間的限制

　　雖然微處理器和周邊裝置在過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�？焖俚脑黾樱蔷褪窍到y(tǒng)的內(nèi)存。低成本的DRAM和當(dāng)今的高效能處理器兩個(gè)條件結(jié)合在一起，使得CompactPCI處理器卡板在內(nèi)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(nèi)存，這些內(nèi)存一般是透過直接附著在卡板上的DRAM，再加上SO-DIMM的擴(kuò)充槽來達(dá)成。下一代的設(shè)計(jì)將會(huì)用到4到8 GB的內(nèi)存，設(shè)計(jì)者使用典型密度約2GB的SDIMM，在CompactPCI的設(shè)計(jì)上需用DIMM底座來達(dá)到8GB的內(nèi)存。在下一代的卡板設(shè)計(jì)上，設(shè)計(jì)者必須要找到方法在一塊卡板上放入38個(gè)或更多的DRAM，而且還能夠提供滿足客戶期望的豐富多樣周邊裝置，512MB和1GB密集度的內(nèi)存芯片將會(huì)是必需品�？ò宕笮∷媾R的挑戰(zhàn)，將是在能完整發(fā)揮內(nèi)存運(yùn)作下，將內(nèi)存設(shè)備置入并做線路規(guī)劃，這個(gè)目標(biāo)是可以達(dá)成的，但是比較起以往的設(shè)計(jì)來說，會(huì)花上更長的規(guī)劃與設(shè)計(jì)周期。

微處理器功率設(shè)計(jì)導(dǎo)引

　　在CompactPCI演進(jìn)的歷史軌跡中，x86處理器已經(jīng)經(jīng)歷過非常顯著的變化。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)對支持長生命周期的產(chǎn)品需求，造成了產(chǎn)品制造廠在處理器的選擇上，傾向從嵌入式或有長周期支持的產(chǎn)品線去選擇。這些產(chǎn)品并不像桌上型計(jì)算機(jī)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計(jì)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(yīng)的需求上和嵌入式以及電信領(lǐng)域的應(yīng)用非常類似。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(guī)格。

　　展望未來x86的設(shè)計(jì)，我們可以預(yù)期到CompactPCI卡板的設(shè)計(jì)將必須支持會(huì)消耗到60甚至80Watts的處理器。要解決這個(gè)問題，將需要更強(qiáng)的散熱片設(shè)計(jì)與更佳的熱管理�？ò迮c機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)者在協(xié)力合作解決散熱問題挑戰(zhàn)上的能力，對下一代的設(shè)計(jì)工作將是非常重要。

板卡電源

　　CompactPCI卡板透過J1/J2的連接器來接收電源。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(yīng)1安培 IEC61076-4-101規(guī)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(dǎo)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(xiàn)實(shí)狀況中并不是所有連接器中的接腳都負(fù)載到最大的電流量，事實(shí)上大部分的CompactPCI接腳都是負(fù)載在以毫安為單位的電流范圍中。70°C一安培的限制，是基于流過接腳的電流所產(chǎn)生的熱。當(dāng)電流增加時(shí)，也加大了跨過接腳的電位差。產(chǎn)生的熱是一種電壓和電流的函數(shù)，電壓和電流的增加會(huì)使連接器接腳的溫度上升。在CompactPCI中有最顯著電流量的的接腳，是電源供應(yīng)器接腳。如果設(shè)計(jì)者假設(shè)J1/J2連接器中的其它所有接腳都有電流負(fù)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(guī)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(shè)計(jì)者最多可以從J1/J2連接器中拉出200Watts的電。

　　設(shè)計(jì)者必須注意對任何的個(gè)別供應(yīng)電壓，不要超過其功率上限。典型的DC-DC轉(zhuǎn)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，也很可能難以滿足下一代的處理器。設(shè)計(jì)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)使用者的觀點(diǎn)來看，他必須注意要確保整個(gè)系統(tǒng)里面卡板所需的功率不會(huì)超過系統(tǒng)所能提供的上限，檢查電源供應(yīng)器的建議功率值，確保整體的承載不會(huì)超過系統(tǒng)所能供應(yīng)的。

散熱問題

　　將CompactPCI卡板上產(chǎn)生的熱能移除是一大挑戰(zhàn)。用風(fēng)扇將風(fēng)吹進(jìn)來是非常典型用來進(jìn)行卡板冷卻散熱的方式。直覺來看，似乎透過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題。事實(shí)上，用加強(qiáng)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(qū)域與內(nèi)存模塊影響了散熱片大小的擴(kuò)增.此外，處理器所產(chǎn)生的熱能會(huì)集中在一個(gè)小的區(qū)域內(nèi)，增加散熱片的大小并不能等比例地達(dá)到強(qiáng)化散熱的效果。另外一個(gè)因素是散熱片本身的散熱能力，我們稱之為熱阻(Thermal Resistance) 。熱阻的單位是°C/W，當(dāng)要被發(fā)散的能量上升時(shí)，可預(yù)期到周邊的溫度一定會(huì)上升。舉例來說，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(yīng)關(guān)系，請注意到圖形中的X軸與Y軸是以對數(shù)的方式呈現(xiàn)。

　　從圖上可以看出散熱片的散熱能力并不和風(fēng)速成一線性函數(shù)，在熱阻上一個(gè)非常顯著的改善，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(xiàn)出來，但是從每分鐘500英尺增加到每分鐘1000英尺的風(fēng)速時(shí)，熱阻的改善就沒那么顯著了。另一個(gè)用吹風(fēng)方式的限制因素是噪音，當(dāng)吹過卡板與散熱片的風(fēng)速增加時(shí)，所產(chǎn)生的噪音也會(huì)增加。從實(shí)務(wù)面來看，大部分的CompactPCI機(jī)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(nèi)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(shè)計(jì)，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(yīng)用中，周邊的最高溫很容易就達(dá)到50°C，透過這些信息，當(dāng)遇到限制時(shí)，一顆微處理器所能產(chǎn)生出來的熱量可透過下列的公式計(jì)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(qiáng)吹風(fēng),或者是這些方法中的某種組合。下一代的設(shè)計(jì)目標(biāo)會(huì)是達(dá)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(guī)格，勢必難以在增加散熱片大小上做文章，多出來的33W將必須通過增加風(fēng)速和降低最大操作溫度來達(dá)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(qū)間。這樣的計(jì)算顯示出通過增加風(fēng)速和改變溫度的規(guī)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(rèn)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(jī)箱能提供的風(fēng)速足以確保處理器能在其規(guī)格的極限上運(yùn)轉(zhuǎn)。

結(jié)語

　　下一代x86技術(shù)的使用者與設(shè)計(jì)者將必須對設(shè)計(jì)和整合上的錯(cuò)綜復(fù)雜付出更多的心力，很顯然，這些挑戰(zhàn)都是可以被克服的。設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(tái)上使用時(shí)，功率和冷卻方面不虞有問題�？雌饋硭坪跸乱淮膞86技術(shù)將會(huì)把CompactPCI推到極限，似乎種種挑戰(zhàn)在來年很不容易克服。不過當(dāng)我們在一年前看現(xiàn)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(zhàn)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