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论CompactPCI中 x86处理器的未来

供稿:中国工控网 2012/9/12 10:57:44

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CompactPCI 的处理器卡板供货商目前正遭遇到来自用户的挑战,期望能提供和桌上型产品相同的效能表现、长寿命周期的支持、延伸更广的操作温度区间,以及能支持更丰富多样的周边装置设备。在过去CompactPCI的历史中,设计者总能在工业标准定义的规范下所提供的功率与空间范畴内,去达成产品使用者对效能表现的期望以及满足周边装置的需求。随着整个产业界开始准备下一代的x86处理器与技术,这些挑战也变得更加困难去克服。这些挑战包括卡板的大小、可供应的功率,以及散热问题等。目前的单槽CompactPCI处理器卡板采用1.7GHz的Mobile
Pentium 4微处理器,最典型的状况是产生30Watts的功率消耗,这些卡板在大部分的CompactPCI系统中所能提供的每槽50Watss功率的条件下是没有问题的,当设计者开始将目标放在3GHz
Pentium 4微处理器,消耗80Watts的功率时,在散热的处理上和空间限制上的挑战就变得比较严重了。要解决这些挑战,设计者所要了解的不仅是在PICMG2.0中所定义的CompactPCI详细规范,还包括了底下的说明中所做的种种假设。对CompactPCI卡板的产品使用者而言,也必须对下一代x86处理器会对平台的使用带来何种关连性的影响要有一个系统性的概念。



空间的限制

虽然微处理器和周边装置在过去几年中在某种程度上维持了一个算是比较固定的大小,但是有一个地方却在占用的空间上非常快速的增加,那就是系统的内存。低成本的DRAM和当今的高效能处理器两个条件结合在一起,使得CompactPCI处理器卡板在内存的需求急遽地上升,大部分的供货商在单槽的CompactPCI卡板上提供1
or 2 GB的内存,这些内存一般是透过直接附着在卡板上的DRAM,再加上SO-DIMM的扩充槽来达成。下一代的设计将会用到4到8 GB的内存,设计者使用典型密度约2GB的SDIMM,在CompactPCI的设计上需用DIMM底座来达到8GB的内存。在下一代的卡板设计上,设计者必须要找到方法在一块卡板上放入38个或更多的DRAM,而且还能够提供满足客户期望的丰富多样周边装置,512MB和1GB密集度的内存芯片将会是必需品。卡板大小所面临的挑战,将是在能完整发挥内存运作下,将内存设备置入并做线路规划,这个目标是可以达成的,但是比较起以往的设计来说,会花上更长的规划与设计周期。




微处理器功率设计导引

在CompactPCI演进的历史轨迹中,x86处理器已经经历过非常显著的变化。有些非常早期的卡板用的是66MHz的CPU,目前这一代的x86产品,包含了1.7GHz
Mobile Pentium 4 CPU。在嵌入式工业对支持长生命周期的产品需求,造成了产品制造厂在处理器的选择上,倾向从嵌入式或有长周期支持的产品线去选择。这些产品并不像桌上型计算机或服务器的处理器那样走得那么先端,这些产品的生命周期是用年而不是用月来计算的。此外,这个产业也藉由使用mobile
processor而取得一些优势,这种处理器在电源供应的需求上和嵌入式以及电信领域的应用非常类似。下圖提供了Pentium各系列的處理器與其功率消耗的一個關連性,可以看到Pentium
III與Mobile Pentium 4處理器家族的產品符合了今日CompactPCI板卡對處理器所提供的30Watts功率規格。











展望未来x86的设计,我们可以预期到CompactPCI卡板的设计将必须支持会消耗到60甚至80Watts的处理器。要解决这个问题,将需要更强的散热片设计与更佳的热管理。卡板与机构设计者在协力合作解决散热问题挑战上的能力,对下一代的设计工作将是非常重要。



板卡电源

CompactPCI卡板透过J1/J2的连接器来接收电源。有8个3.3V、6个5V、1个+12V、1个-12V的电源接脚。这些接脚供应1安培 IEC61076-4-101规格的电。每个接脚一安培的限制是保守的,而且某种程度上会误导让人以为所有的接脚可以在周边温度70°C的状况下去接一安培的电流。在现实状况中并不是所有连接器中的接脚都负载到最大的电流量,事实上大部分的CompactPCI接脚都是负载在以毫安为单位的电流范围中。70°C一安培的限制,是基于流过接脚的电流所产生的热。当电流增加时,也加大了跨过接脚的电位差。产生的热是一种电压和电流的函数,电压和电流的增加会使连接器接脚的温度上升。在CompactPCI中有最显著电流量的的接脚,是电源供应器接脚。如果设计者假设J1/J2连接器中的其它所有接脚都有电流负载,每一个接脚的最大电流则会是在40°C
2.5Amps, 这个信息可以在椀祴?猠癥??????ùIEC61076-4-101的规格中的4.2.3中被找到。在每个接脚2.5安培的条件下,板卡可取得的功率大小如下表所示,此表显示出卡板的设计者最多可以从J1/J2连接器中拉出200Watts的电。



CompactPCI卡板上的电源供应状况

Voltage Number of Pins Power

3.3V 8 66W

+5V 6 75W

+12V 1 30W

-12V 1 30W

Total 201W





设计者必须注意对任何的个别供应电压,不要超过其功率上限。典型的DC-DC转换的产生会造成CPU的核心电压流出+12V,即使增加电流在+12V上可额外得到功率,也很可能难以满足下一代的处理器。设计者必须要注意去平衡输入电压的使用,而不要使个别的供电超出了最大的功率值。从一个使用者的观点来看,他必须注意要确保整个系统里面卡板所需的功率不会超过系统所能提供的上限,检查电源供应器的建议功率值,确保整体的承载不会超过系统所能供应的。



散热问题

将CompactPCI卡板上产生的热能移除是一大挑战。用风扇将风吹进来是非常典型用来进行卡板冷却散热的方式。直觉来看,似乎透过增加散热片上的空气对流或散热片本身的大小就足以解决散热的问题。事实上,用加强吹风散热或增大散热片的方式都会受到限制。大部分的CompactPCI卡板都有PMC(PCI
Mezzanine Card)的区域与内存模块影响了散热片大小的扩增.此外,处理器所产生的热能会集中在一个小的区域内,增加散热片的大小并不能等比例地达到强化散热的效果。另外一个因素是散热片本身的散热能力,我们称之为热阻(Thermal
Resistance) 。热阻的单位是°C/W,当要被发散的能量上升时,可预期到周边的温度一定会上升。举例来说,一颗处理器产生了40W的能量要被发散,散热片的热阻如果是0.5°C/W,这处理器的温度就会比其周边高出20度。下图提供了一般的热阻、散热片大小与风速的对应关系,请注意到图形中的X轴与Y轴是以对数的方式呈现。









从图上可以看出散热片的散热能力并不和风速成一线性函数,在热阻上一个非常显著的改善,会在稍呈对流状态的空气与每分钟500英尺的风速情况下显现出来,但是从每分钟500英尺增加到每分钟1000英尺的风速时,热阻的改善就没那么显著了。另一个用吹风方式的限制因素是噪音,当吹过卡板与散热片的风速增加时,所产生的噪音也会增加。从实务面来看,大部分的CompactPCI机箱提供每分钟300英尺的风速,如先前提到的,散热片通常会被内存以及PMC的空间给限制了大小,一个CompactPCI卡板若含有两个PMC的设计,通常会有一个处理器散热片的大小约为3
inch x 4.5 inch x 0.7 inch或9.45立方英吋, ,这样通常约在每分钟300英尺的风速下有0.62°C/W的热阻,大部分的处理器在最热的例子下会到70°C,在一个嵌入式的应用中,周边的最高温很容易就达到50°C,透过这些信息,当遇到限制时,一颗微处理器所能产生出来的热量可透过下列的公式计算而得:最高温度=热阻
x 功率 + 周边温度(最高温度-周边温度)/ 热阻= 功率 (70-50)/0.62= 32Watt。



一个32W的功率让一颗Pentium 4的处理器可以跑到1.7GHz,要增加处理器的速度则让我们必须增加散热片的大小,或是降低最大操作温度、增强吹风,或者是这些方法中的某种组合。下一代的设计目标会是达到3GHz的P4处理器,那表示我们必须要能处理65W的热能。下一代的卡板由于将具备更加多样丰富的功能与规格,势必难以在增加散热片大小上做文章,多出来的33W将必须通过增加风速和降低最大操作温度来达成。每分钟450英尺的风速,散热片热阻0.45°C/W,周边操作温度可被降到40°C。如果给定这样的条件,处理器最大的功率将是
(70-40)/0.45=66Watts,这样刚好进到足以处理的区间。这样的计算显示出通过增加风速和改变温度的规格,是有可能提升处理器的效能的。要注意的是,热阻的大小将会随散热片附着方式的不同而有所变化。另外要考虑的一点是,处理器所产生的热通常会在中间,而且并不会均匀地分布在散热片上,如此也降低了散热片的散热效能,热模拟在确认热处理解决方案时是必要的。下一代卡板的使用者,将需要确定所使用的机箱能提供的风速足以确保处理器能在其规格的极限上运转。



结语

下一代x86技术的使用者与设计者将必须对设计和整合上的错综复杂付出更多的心力,很显然,这些挑战都是可以被克服的。设计者必须在一个固定大小的板子上塞进更多的组件,热工程师必须要设计更有效的散热片,而使用者则必须花更多时间去注意卡板在装到平台上使用时,功率和冷却方面不虞有问题。看起来似乎下一代的x86技术将会把CompactPCI推到极限,似乎种种挑战在来年很不容易克服。不过当我们在一年前看现在时也是一样的状况,我们似乎在面对这个产业的挑战时,总能找出创新的方法去克服它们。

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