Особенности построения высокопроизводительных компьютеров с кондуктивным охлаждением

В статье рассмотрены вопросы конструктивной реализации бортовых высокопроизводительных компьютеров с кондуктивным охлаждением на базе вычислителей формата CompactPCI Serial.

Введение

Автоматизированные системы управления, устанавливаемые на различных подвижных объектах, на сегодняшний день являются сложными и многофункциональными комплексами, обеспечивающими решения самого широкого круга задач. При этом в зависимости от типа объекта-носителя они могут либо помогать человеку-оператору и расширять его возможности (классический пример – бортовой комплекс авионики на пилотируемом самолете), либо быть основным (иногда единственным) центром управления какого-либо самоходного аппарата-робота (беспилотные ЛА, подводные необитаемые аппараты, космические аппараты и т.д.). Сердцем таких систем управления является бортовой вычислительный комплекс – специализированный компьютер, находящийся, как правило, под управлением операционной системы реального времени и подключённый при помощи периферийного оборудования к системам сбора информации и управления объектом-носителем [1].

Необходимость осуществлять управление объектом в реальном времени в сочетании с резким ростом потоков обрабатываемой информации (например, анализ информации от радиолокационной станции (РЛС), распознавание графических образов, шифрование/дешифрование потоковых данных) диктуют очень высокие требования к быстродействию вычислительного комплекса, что обуславливает рост потребляемой им мощности и, соответственно, требований к системам питания и охлаждения. В обычных условиях для решения такого класса задач, как правило, используют встраиваемые компьютеры с магистрально-модульной архитектурой на базе современных высокоскоростных последовательных интерфейсов, таких как CompactPCI Serial, AdvancedTCA, MicroTCA, VPX и других, причем конструктивно эти компьютеры размещаются в различных стандартных 19-дюймовых конструктивах и охлаждаются при помощи мощных вентиляционных систем. Однако такие решения, как правило, не пригодны для установки на борт подвижного объекта по многим причинам: ограничения по габаритам, по потребляемой мощности, по возможностям для охлаждающей вентиляции (например, на борту необитаемого космического аппарата давление газа очень низкое и конвективного теплоотвода практически нет). Отдельной проблемой являются очень высокие требования по вибро- и ударопрочности оборудования, применяемого на подвижных объектах-носителях, так как последние в процессе движения могут подвергаться жёстким внешним воздействиям, во время и после которых бортовой вычислительный комплекс должен сохранять полную работоспособность.

Рациональным решением в такой ситуации является применение вычислительных систем с кондуктивным охлаждением, которое позволяет одновременно решить как проблему устойчивости системы к механическим воздействиям, так и проблему теплоотвода (рис. 1).

Рис.1. Схема теплоотвода при кондуктивном охлаждении

В этом случае тепло от нагретых электронных компонентов передаётся последовательно через несколько металлических теплопроводящих деталей на корпус шасси, с которого уже отводится воздухом, или на корпус носителя (например, в случае подводного аппарата). На сегодняшний день подспецификации с кондуктивным охлаждением есть во многих стандартах, основными их которых являются VPX (несколько вариантов), CompactPCI Serial (в базовой спецификации) и MicroTCA.3.

Далее будут рассмотрены вопросы конструктивной реализации бортового вычислительного комплекса с кондуктивным охлаждением.

CompactPCI Serial с кондуктивным теплоотводом

Система отвода тепла является одним из решающих факторов, характеризующих надежность компьютера. По упрощенной формуле, срок эксплуатации компьютера уменьшается вдвое, при увеличении температуры на каждые 10 °С. Стандарт CompactPCI Serial в настоящее время определяет 2 типа охлаждения модулей: конвекционный (воздушный) и кондуктивный.
Система на основе кондуктивного теплоотводом предназначена для установки модулей с размерами 122×162 мм (3U) с шагом 5HP. Габариты плат CompactPCI Serial с кондуктивным теплоотводом отличаются от стандартных (рис.2). Данные платы строятся на базе стандартного модуля путем заключения его в металлический кожух. Это позволяет существенно сократить затраты производителей на создание платы с кондуктивным теплоотводом, и как следствие — понизить ее себестоимость.

В отличие от стандарта CompactPCI Serial, для плат в стандарте VPX производитель разрабатывает 2 версии печатных плат – одна для стандартного исполнения, другая – для кондуктивного. Делается это для соблюдения требования стандарта по габаритам. Согласно стандарту VPX, размеры платы в кондуктивном исполнении должны быть такими же как и для версии с воздушным охлаждением. Данное отличие накладывает определенные трудности как для разработчиков плат, так и для пользователей. Такой подход снижает гибкость VPX-системы, ввиду трудности, а зачастую отсутствия возможности, при использования имеющихся плат с воздушным охлаждением в системах с кондуктивным теплоотводом.

Рис.2. Габариты плат CompactPCI Serial с кондуктивным теплоотводом

Благодаря возможности переделки любой платы стандарта CompactPCI Serial (рис.3) с воздушным охлаждением в модуль с кондуктивным теплоотводом у пользователей появляется возможность быстрой разработки защищенных высокопроизводительных систем с пассивным съемом тепла. Использование плат CompactPCI Serial позволяет повторно использовать уже накопленный багаж навыков, знаний, отработанных алгоритмов при модернизации существующих или разработки новых, систем.

Рис.3. Процессорный модуль Fastwel CPC510 с кондуктивным теплоотводом

Построение системы с кондуктивным охлаждением

Построение системы с кондуктивным охлаждением как правило начинается с расчета тепловыделения системы и выбора корпуса, обеспечивающего отвод выделяемой тепловой энергии. Параллельно необходимо учитывать место установки корпуса, требования к механическим и климатическим воздействиям. В общем это сложная инженерная задача и как правило серийно-выпускаемых корпусов для систем с кондуктивным охлаждением не существует. Вычислительный комплекс с кондуктивным охлаждением, как правило, всегда строится под конкретного заказчика и систему.

Бортовой вычислительный комплекс с кондуктивным охлаждением конструктивно состоит из нескольких компонентов: модульного шасси с кросс-платой, блока питания и вычислительных модулей в специальных теплоотводящих кожухах с системой теплоотвода (рис. 4). Модули в шасси прочно фиксируются при помощи специальных распорных клиновых зажимов Wedge-Lock и Card-Lock. Таким образом, тепло полностью передаётся на кожух модуля, с которого благодаря большой площади контакта между ним и корпусом шасси в сочетании с высоким усилием прижатия клиновых зажимов легко отводится на корпус и далее во внешнюю среду.

Рис.4. Бортовой вычислительный комплекс с кондуктивным охлаждением

Модульная структура системы, базирующаяся на платформенной концепции позволяет пользователю не только строить свою систему по модульному принципу, но также расширять и развивать её в будущем. Системы могут иметь различные геометрические размеры, электромагнитное экранирование, защиту IP, использовать различные варианты теплоотвода.
Шасси системы как правило собирается из фрезерованных алюминиевых деталей, свинченных друг с другом. Для изготовления деталей могут использоваться различные алюминиевые сплавы, соответствующие требованиям заказчика системы. Способ финишной обработки поверхностей также может быть различным: чёрное анодирование (наиболее выгодное с точки зрения теплоотвода), никелирование, жёлтое хроматирование и др. Корпус шасси снаружи может иметь оребрение для улучшения теплоотдачи и систему крепежных отверстий и фланцев для крепления различных аксессуаров, крепёжных кронштейнов и дополнительных крышек. Передняя и задняя крышки обычно симметричны, могут иметь различную глубину и дорабатываться в соответствии с требованиями заказчика – иметь отверстия для размещения внешних разъёмов и переключателей.

Конструкция шасси должна обеспечивать максимально эффективную контактную теплопередачу от нагретых активных компонентов на корпус шасси. Перед началом изготовления системы «в металле» обязательно проводится детальное компьютерное моделирование её теплового режима (рис. 4), по результатам которого проект дорабатывается и снова моделируется до тех пор, пока не будет получен 100-процентный результат.

Рис.5. Компьютерное моделирование теплового режима модуля

Литература

1. Гарсия В. Бортовые вычислительные комплексы с кондуктивным теплоотводом: пример конструктивной реализации на основе спецификации VPX REDI // Современные технологии автоматизации. – 2013. – №1. – С. 34–40.

Автор: Alekseim

Источник ^[1]