DE112004002121T5

DE112004002121T5 - Kühlsystem für eine elektronische Komponente

Info

Publication number: DE112004002121T5
Application number: DE112004002121T
Authority: DE
Inventors: Javier Chandler Leija; Christopher Phoenix Lucero
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2003-11-04
Filing date: 2004-11-03
Publication date: 2007-12-20
Anticipated expiration: 2024-11-04
Also published as: WO2005048346A2; TW200519568A; DE112004002121B4; US6880345B1; WO2005048346A3; JP2010033598A; US20050091989A1; CN1902753B; TWI266175B; JP2007510238A; JP2011258968A; CN1902753A; KR20060086376A; HK1097958A1

Abstract

Kühlsystem für eine elektronische Komponente, welches umfaßt:
mehrere thermoelektrische Elemente zur Anordnung über mehreren verschiedenen Bereichen der elektronischen Komponente;
mehrere Leiter, die mit den thermoelektrischen Elementen verbunden sind, um Strom an die thermoelektrischen Elemente zu liefern, so daß die thermoelektrischen Elemente Wärme von den jeweiligen Bereichen wegbefördern; und
eine Steuereinrichtung, welche mit den Leitern verbunden ist, um relativ zueinander an die thermoelektrischen Elemente gelieferten Strom basierend auf der in den verschiedenen Bereichen erzeugten Wärme zu steuern.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Computerunterbaugruppe und spezieller auf ein Kühlsystem für eine elektronische Komponente einer Computerunterbaugruppe.
2. Stand der Technik
Mit zunehmend höheren Datenraten und höheren Frequenzen, bei denen Halbleiterbauelemente, wie z.B. Prozessoren, betrieben werden, verbrauchen diese allgemein einen höheren Strom und produzieren mehr Wärme.
Wärmeverteiler, Wärmesenken und Ventilatoren sind traditionell für Computerprozessoren vorgesehen worden. Diese Vorrichtungen kühlen einen Prozessor über seine gesamte Fläche. Ein Halbleiterbauelement, wie z.B. ein Prozessor, erzeugt Wärme nicht gleichförmig, so daß in gewissen Bereichen heiße Stellen (hot spots) erzeugt werden. Die an den Prozessor gelieferte Leistung ist so zu limitieren, daß es keine Hot Spots mit Temperaturen oberhalb einer vorbestimmten Temperatur gibt. An den gesamten Prozessor könnte mehr Leistung geliefert werden, wenn die Temperaturen der Hot Spots reduziert werden könnten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird anhand von Beispielen mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
1 eine Draufsicht einer Computerunterbaugruppe nach einer Ausführungsform der Erfindung ist, welche ein Kühlsystem aufweist, das ein Kühlen individueller Bereiche eines Prozessors der Unterbaugruppe ermöglicht;
2 eine seitliche Ansicht von Komponenten der Computerunterbaugruppe ist;
3 eine Draufsicht einer Computerunterbaugruppe nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist, welche ein Kühlsystem mit einem Überwachungs- und Rückkopplungsschaltkreis aufweist, welcher Temperaturen in einzelnen Bereichen auf dem zentralen Leistungssteuermodul ermittelt, welches Zonen-Leistungssteuermodule steuert;
4 eine seitliche Ansicht von Komponenten einer Computerunterbaugruppe nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist, wobei ein Überwachungs- und Rückkopplungsschaltkreis Daten bezüglich der Leistung ermittelt, die an einen Prozessor geliefert wird, und die Prozessorleistungsdaten verwendet werden, um die Kühlung des Prozessors zu steuern; und
5 ein Blockdiagramm ist, welches weitere Komponenten der Computerunterbaugruppe darstellt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 der beigefügten Zeichnungen stellt eine Computerunterbaugruppe 10 nach einer Ausführungsform der Erfindung dar, welche eine elektronische Komponente in der Form eines Prozessors 12 und ein Kühlsystem 14 umfaßt. Das Kühlsystem 14 umfaßt eine Systemleistungsversorgung 16, mehrere n-dotierte thermoelektrische Elemente 18, mehrere p-dotierte thermoelektrische Elemente 20, mehrere Leiter 22, mehrere Temperatursensoren 24 und eine Steuereinrichtung 26.
Der Prozessor 12 kann in Reihen und Spalten aufgeteilt sein, wobei eine Gruppierung von Bereichen 28 durch die Schnittstellen der jeweiligen Reihen und Spalten definiert wird. Der Prozessor 12 weist einen integrierten Schaltkreis ausgebildet auf, welcher, wenn er betrieben wird, Wärme erzeugt. Die von dem Prozessor 12 erzeugte Wärme kann in einigen der Bereiche 28 größer als in anderen sein und sich mit der Zeit verändern. Ein Hot Spot 30 kann dort erzeugt werden, wo die Temperatur des Prozessors 12 in einem der Bereiche 28 höher als in anderen Bereichen 28 ist.
Mehrere der thermoelektrischen Elemente 18 und 20 befinden sich auf jedem der jeweiligen Bereiche 28. Auf einem bestimmten Bereich 28 sind die thermoelektrischen Elemente 18 und 20 in Reihe miteinander verbunden. Wenn Strom durch eine jeweilige Reihenverbindung der thermoelektrischen Elemente 18 und 20 fließt, fließt der Strom durch eines der n-dotierten thermoelektrischen Elemente 18 in einer Richtung aus der Papierebene heraus und durch eines der p-dotierten thermoelektrischen Elemente 20 in einer Richtung in die Papierebene hinein. Sowohl das n-dotierte als auch das p-dotierte thermoelektrische Element 18 und 20 transportieren Wärme in einer Richtung aus der Papierebene heraus, wie es dem Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet allgemein verständlich ist.
Die Gruppe thermoelektrischer Elemente 18 und 20 über einem speziellen Bereich 28 ist mit der Systemleistungsversorgung 16 über zwei der Leiter 22 verbunden. Einer der Leiter 22 liefert Strom an ein erstes der thermoelektrischen Elemente 18 und 20 über einem speziellen Bereich 28. Der andere Leiter 22 verbindet ein letztes der thermoelektrischen Elemente 18 und 20 über dem speziellen Bereich 28 mit der Erdung oder einer Referenzspannung, die von der Systemleistungsversorgung 16 bereitgestellt wird.
Die Temperatursensoren 24 befinden sich zwischen den thermoelektrischen Elementen 18 und 20. Jeder Temperatursensor 24 befindet sich etwa in einer Mitte eines jeweiligen Bereichs 28 und ist von den thermoelektrischen Elementen 18 und 20 umgeben, die über dem jeweiligen Bereich 28 angeordnet sind. Es gibt eine gleiche Anzahl von Bereichen 28 und Temperatursensoren 24, so daß jeder Temperatursensor 24 in einer Mitte eines jeweiligen Bereichs 28 angeordnet ist.
Die Steuereinrichtung 26 umfaßt mehrere Thermostate 32. Jeder Thermostat 32 befindet sich in einem jeweiligen Leiter 22, welcher Strom an die thermoelektrischen Elemente 18 und 20 über einem jeweiligen Bereich 28 liefert. Es gibt daher eine gleiche Anzahl von Bereichen 28 und Thermostaten 32. Jeder der Temperatursensoren 24 ist mit einem jeweiligen Thermostat 32 verbunden. Der jeweilige Thermostat 32 ist geschlossen, wenn die Temperatur, die von dem Temperatursensor 24 erfaßt wird, oberhalb einer vorbestimmten Temperatur liegt, und ist auf geöffnet geschaltet, wenn die Temperatur unterhalb der vorbestimmten Temperatur liegt.
Im Einsatz wird der Prozessor 12 betrieben und kann einen Hot Spot 30 in einem Bereich 28 erzeugen, in dem die Temperatur des Prozessors 12 oberhalb der vorbestimmten Temperatur liegt, wohingegen die Temperaturen der anderen Bereiche 28 unterhalb der vorbestimmten Temperatur liegen. Der Temperatursensor 24, der auf dem Bereich 28 angeordnet ist, welcher den Hot Spot 30 aufweist, wird ermitteln, daß die Temperatur oberhalb der vorbestimmten Temperatur liegt, und den Thermostat 32, mit dem er verbunden ist, so schalten, daß Strom durch einen der Leiter 22 in die Reihenschaltung der thermoelektrischen Elemente 18 und 20 fließt, die auf dem Bereich 28, welcher den Hot Spot 30 aufweist, angeordnet sind. Da Strom durch die thermoelektrischen Elemente 18 und 20, die auf dem Hot Spot 30 angeordnet sind, fließt, werden die thermoelektrischen Elemente 18 und 20 Wärme von dem Hot Spot 30 fortführen. Durch die thermoelektrischen Elemente 18 und 20 über Bereichen 28, welche unterhalb der vorbestimmten Temperatur liegen, wird kein Strom fließen. Nur der Bereich 28, welcher den Hot Spot 30 aufweist, wird daher von der Kühlanordnung 14 gekühlt. Ein Vorteil davon ist, daß Strom gespart wird, und daß die Temperatur des Prozessors 12 gleichförmiger von einem Bereich 28 zum nächsten aufrechterhalten werden kann.
Wie in 2 dargestellt ist, kann das Kühlsystem 14 isolierte keramische Plättchen 36 und 38 umfassen. Die thermoelektrischen Elemente 18 und 20 sind zwischen den keramischen Plättchen 36 und 38 angeordnet. Als solches sind die thermoelektrischen Elemente 18 und 20, welche schließlich auf allen Bereichen 28 angeordnet sind, in einem Gehäuse angeordnet. Das Gehäuse, welches alle thermoelektrischen Elemente 18 und 20 umfaßt, kann gehandhabt und transportiert werden, bevor es als eine Einheit auf dem Prozessor 12 angebracht wird. Die Temperatursensoren 24 werden alle an den keramischen Plättchen 36 angebracht, damit transportiert, und das keramische Plättchen 36 wird schließlich gegen den Prozessor 12 angebracht. Das Verfahren ermöglicht es noch, daß Wärme von dem Prozessor durch Leitung an die thermoelektrischen Elemente 18 und 20 und aus einer oberen Oberfläche des keramischen Plättchens 38 heraus entfernt wird.
3 stellt eine Computerunterbaugruppe 110 nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dar, welche einen Überwachungs- und Rückkopplungsschaltkreis 112 und eine Steuereinrichtung 114 aufweist, die ein zentrales Leistungssteuermodul 116 und separate Zonen-Leistungssteuermodule 118 umfaßt. Die Computerunterbaugruppe 110 aus 3 ist ähnlich der Computerunterbaugruppe 10 aus 1, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten bezeichnen.
Der Überwachungs- und Rückkopplungsschaltkreis 112 ist mit allen Temperatursensoren 24 verbunden und kann die Temperaturen, die von den Temperatursensoren 24 erfaßt werden, überwachen. Das zentrale Leistungssteuermodul 116 ist mit dem Überwachungs- und Rückkopplungsschaltkreis 112 verbunden. Das zentrale Leistungssteuermodul 116 ist mit den Zonen-Leistungssteuermodulen 118 verbunden und kann Strom, der von den Zonen-Stromsteuermodulen 118 geliefert wird, individuell steuern. Das zentrale Leistungssteuermodul 116 kann Intelligenz in Form von darauf gespeicherter Software aufweisen, welche zusätzliche ausgefeiltere Möglichkeiten beim Steuern der Leistung, die von den Zonen-Leistungssteuermodulen 118 bereitgestellt wird, vorsehen kann. Zum Beispiel kann die Leistung, die von den Zonen-Leistungssteuermodulen 118 bereitgestellt wird, allmählich erhöht oder vermindert werden, im Gegensatz zu der An-/Aus-Wirkungsweise der Thermostate 32 in 1.
4 stellt eine weitere Ausführungsform dar, worin ein Leistungsüberwachungsschaltkreis 120 zum Ermitteln der an den Prozessor 12 gelieferten Leistung bereitgestellt wird. Der Überwachungs- und Rückkopplungsschaltkreis 112 ist mit dem Leistungsüberwachungsschaltkreis 120 verbunden. Von dem Überwachungs- und Rückkopplungsschaltkreis 112 ermittelte Daten werden an das zentrale Leistungssteuermodul 116 geliefert. Das zentrale Leistungssteuermodul 116 kann die Daten der an den Prozessor 12 gelieferten Leistung verwenden. Die Daten können dann verwendet werden, um die an die einzelnen Gruppen von thermoelektrischen Elementen gelieferte Leistung zu steuern, wodurch die Kühlkapazität der Kühlanordnung 14 vergrößert oder vermindert wird.
5 der beigefügten Zeichnungen stellt weitere Komponenten der Computerunterbaugruppe 10 dar. Die Computerunterbaugruppe 10 umfaßt ferner einen Bus 1112, welcher daran angeschlossen den Prozessor 12, einen Cache-Speicher 1116, einen Hauptspeicher 1118, ein Floppy-Laufwerk 1120, ein Compakt-Disk Nur-Lesespeicher (CD-ROM)-Laufwerk 1122, ein Festplattenlaufwerk 1123, einen Monitor 1124, welcher einen Bildschirm mit einem Anzeigebereich aufweist, eine Tastatur 1126 und eine Maus 1128 hat. Eine Liste von Anweisungen in Form eines Programms kann z.B. auf einer Compakt-Disk gespeichert sein und in das CD-ROM-Laufwerk 1122 geladen werden. Die Anweisungen des Programms können in den Cache-Speicher 1116 und den Hauptspeicher 1118 geladen werden, während weitere Anweisungen auf der Compakt-Disk und auf der Festplatte des Festplattenlaufwerks liegen können. Das Floppy-Laufwerk 1120 oder das Festplattenlaufwerk 1123 können anstelle des CD-ROM- Laufwerks 1122 zum Laden der Anweisungen in die Computerunterbaugruppe 10 verwendet werden. Die Anweisungen können von dem Prozessor 12 in einer logischen Weise gelesen werden, wodurch ein geeignetes Ausführen des Programms sichergestellt wird. Ein Anwender kann mit Hilfe der Maus 1128 oder Tastatur 1126 eingreifen. Ein jeweiliges Signal kann von der Maus 1128 oder der Tastatur 1126 erzeugt werden. Das Signal wird über den Bus 1112 und letztendlich an den Prozessor 12 gesandt, welcher auf das Signal derart antwortet, daß er ein Ausführen des Programms ändert. Das Ausführen des Programms durch den Prozessor 12 resultiert in einer Steuerung davon, wie die Informationen, die in dem Hauptspeicher 1118, dem Cache-Speicher 1116, dem Festplattenlaufwerk 1123 oder dem CD-ROM-Laufwerk 1122 gespeichert sind, in dem Anzeigebereich des Monitors 1124 angezeigt werden.
Während gewisse beispielhafte Ausführungsformen beschrieben und in den beigefügten Zeichnungen gezeigt worden sind, sollte verständlich sein, daß solche Ausführungsformen nur illustrativ und nicht einschränkend für die vorliegende Erfindung sind, und daß diese Erfindung nicht durch die speziellen Konstruktionen und Anordnungen, die gezeigt und beschrieben sind, beschränkt ist, da Modifikationen dem Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet ersichtlich sind.
Zusammenfassung
Ein Kühlsystem für eine elektronische Komponente wird bereitgestellt. Das Kühlsystem umfaßt mehrere thermoelektrische Elemente zur Anordnung oberhalb mehrerer verschiedener Bereiche der elektronischen Komponente. Das Kühlsystem weist mehrere Leiter auf, die mit den thermoelektrischen Elementen zur Bereitstellung von Strom an die thermoelektrischen Elemente so verbunden sind, daß die thermoelektrischen Elemente Wärme von den jeweiligen Bereichen weg befördern. Das Kühlsystem weist eine Steuereinrichtung auf, die mit den Leitern verbunden ist, um relativ zueinander an die thermoelektrischen Elemente gelieferten Strom basierend auf der in den verschiedenen Bereichen erzeugten Wärme zu steuern.

Claims

Kühlsystem für eine elektronische Komponente, welches umfaßt: mehrere thermoelektrische Elemente zur Anordnung über mehreren verschiedenen Bereichen der elektronischen Komponente; mehrere Leiter, die mit den thermoelektrischen Elementen verbunden sind, um Strom an die thermoelektrischen Elemente zu liefern, so daß die thermoelektrischen Elemente Wärme von den jeweiligen Bereichen wegbefördern; und eine Steuereinrichtung, welche mit den Leitern verbunden ist, um relativ zueinander an die thermoelektrischen Elemente gelieferten Strom basierend auf der in den verschiedenen Bereichen erzeugten Wärme zu steuern.
Kühlsystem nach Anspruch 1, welches ferner umfaßt: mehrere Sensoren, wobei die Steuereinrichtung von den Sensoren Variablen empfängt, welche die in den verschiedenen Bereichen erzeugte Wärme anzeigen.
Kühlsystem nach Anspruch 2, wobei die Sensoren Temperatursensoren sind.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Sensoren Leistungssensoren sind, die die zu den elektronischen Elementen geleitete Leistung messen.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung mehrere Thermostate umfaßt, welche Strom zu den jeweiligen thermoelektrischen Elementen in Abhängigkeit davon aus- oder anschalten, ob die Temperaturen der jeweiligen Bereiche jeweils oberhalb oder unterhalb eines vorbestimmten Einstellpunktes liegen.
Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung ein zentrales Leistungssteuermodul und mehrere Zonen-Leistungssteuermodule umfaßt, welche der Steuerung durch das Leistungssteuermoduls unterstehen, um Ströme an die thermoelektrischen Elemente individuell bereitzustellen.
Kühlsystem nach Anspruch 2, wobei es einen jeweiligen Sensor für einen jeweiligen Bereich und ein jeweiliges thermoelektrisches Element gibt, wobei die Ströme zu den jeweiligen thermoelektrischen Elemente in den jeweiligen Bereichen individuell gesteuert werden.
Kühlsystem nach Anspruch 6, wobei die thermoelektrischen Elemente über jedem Bereich alternierende p-dotierte und n-dotierte thermoelektrische Elemente, die in Reihe verbunden sind, umfaßt.
Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei die Bereiche Mittelpunkte aufweisen, die voneinander in x- und y-Richtung beabstandet sind.
Kühlsystem nach Anspruch 9, wobei die Mittelpunkte eine Gruppierung bilden.
Kühlsystem nach Anspruch 10, wobei es einen jeweiligen Sensor für einen jeweiligen Bereich und ein jeweiliges thermoelektrisches Element gibt, wobei die Ströme zu den jeweiligen thermoelektrischen Elementen in den jeweiligen Bereichen individuell gesteuert werden.
Kühlsystem nach Anspruch 11, wobei jeder Sensor von thermoelektrischen Elementen einer entsprechenden Gruppierung umgeben ist.
Computerunterbaugruppe, welche umfaßt: eine elektronische Komponente, welche Wärme erzeugt, wenn sie betrieben wird; mehrere thermoelektrische Elemente, die über mehreren verschiedenen Bereichen der elektronischen Komponente angeordnet sind; mehrere Leiter, welche mit den thermoelektrischen Elementen verbunden sind, um Strom an die thermoelektrischen Elemente zu liefern, so daß die thermoelektrischen Elemente Wähne von den jeweiligen Bereichen wegbefördern; und eine Steuereinrichtung, welche mit den Leitern verbunden ist, um relativ zueinander an die thermoelektrischen Elemente gelieferten Strom basierend auf der in den verschiedenen Bereichen erzeugten Wärme zu steuern.
Computerunterbaugruppe nach Anspruch 13, wobei die elektronische Komponente ein Prozessor ist, welche ferner einen Speicher und eine mit dem Prozessor verbundene Eingabe/Ausgabevorrichtung umfaßt.
Computerunterbaugruppe nach Anspruch 13, welche ferner umfaßt: mehrere Sensoren, wobei die Steuereinrichtung von den Sensoren Variablen empfängt, welche die in den verschiedenen Bereichen erzeugte Wärme anzeigen.
Verfahren zum Kühlen einer elektronischen Komponente, welches umfaßt: Strom an mehrere thermoelektrische Elemente liefern, die über mehreren verschiedenen Bereichen einer elektronischen Komponente so angeordnet sind, daß die thermoelektrischen Elemente Wärme von den jeweiligen Bereichen wegbefördern; und relativ zueinander an die thermoelektrischen Elemente gelieferten Strom basierend auf der in den verschiedenen Bereichen erzeugten Wärme steuern.
Verfahren nach Anspruch 16, welches ferner umfaßt: Erfassen mehrerer Variablen, welche Wärme anzeigen, die in den verschiedenen Bereichen erzeugt wird, wobei der Strom basierend auf den Variablen gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Variablen Temperaturmessungen sind.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Variablen Leistungen sind, die an den elektrischen Komponenten gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die thermoelektrischen Elemente über jedem Bereich alternierende p-dotierte und n-dotierte thermoelektrische Elemente, die in Reihe verbunden sind, umfassen.