TWI399165B - 用以有效冷卻一處理器的系統 - Google Patents

Description

用以有效冷卻一處理器的系統

本發明係有關於電腦硬體，更明確地說，本發明係有關於一種用於有效冷卻一處理器之系統。

第1圖為一概要圖示，闡明一種運算裝置100，其中含有可用於冷卻一圖形處理單元(GPU)116的一種傳統冷卻系統118。如圖所示，運算裝置100包括一機殼101且有一主機板104位於其中。在主機板104中上裝置了一中央處理單元(CPU)106、一種用於冷卻CPU 106的處理器冷卻器108、一種用於移除來自運算裝置100之熱能的系統風扇110、以及一或多種周邊元件介面(PCI)卡112，其每一種皆介面連接至位於機殼101背面之插槽。主機板104更含有一圖形卡102，其可使得運算裝置100能夠迅速處理與圖形相關之資料以供需要大量圖形之應用程式例如遊戲軟體使用。圖形卡102至少包含一種印刷電路板(PCB)，其上裝置了多種電路元件(此處未顯示)，例如記憶體晶片及其相似者。此外，圖形卡102包括裝置於圖形卡102之一面的GPU 116可用於處理與圖形相關之資料。

由於GPU 116之運算需求通常相當高，GPU 116經常在作業過程中產生大量熱能。若未適當消散所產生之熱能，通常會減低GPU 116的效能。基於前述理由，將經組 態可用於移除來自GPU 116之熱能的冷卻系統118耦合至GPU 116。雖然第1圖中未顯示，冷卻系統118通常包括一專屬風扇，其經組態可迫使氣流通過沿著耦合至GPU 116之冷卻系統118排列的多種空氣通道(亦稱為熱傳表面區域)，而進入外部環境。通過這些通道的氣流使得由GPU 116所產生之熱能能夠消散至外部環境中。

利用冷卻系統118的一種缺點在於冷卻系統118的大小會受限於外圍的限制。更明確地說，圖形卡102能分派給冷卻系統118的表面區域是有限的，且圖形加速器(AGP)晶片規格會以縮減冷卻系統118於圖形卡102上之高度，而進一步限制冷卻系統的大小。對冷卻系統118之大小的限制，會限制冷卻系統118之熱傳表面區域以及專屬風扇的大小，因而會限制冷卻系統118之熱傳效率。

另一種缺點在於冷卻系統118中之專屬風扇的大小亦會受限於外圍限制，因而會限制通過冷卻系統118之熱傳表面區域的氣流，且可進一步抑制冷卻系統118之效率。

冷卻系統118還有一種缺點是專屬風扇的故障率可能相當高。由於冷卻系統118通常是圖形卡102的一種元件，專屬風扇的故障通常造成必須更換圖形卡102。這個條件不僅減低了圖形卡102的可靠信，亦會耗費成本與時間。

此外，在作業過程中，專屬風扇可能會產生大量不受歡迎的噪音，會造成運算裝置100之使用者的不悅。

一種用於冷卻一處理器之系統的一具體實施例，該系統包括一經組態可熱耦合至該處理器之安裝基座、一熱耦合至該安裝基座之被動熱傳裝置、以及一熱耦合至該被動熱傳裝置之熱交換器。

所揭示之冷卻系統的優點之一在於其利用一運算裝置之系統風扇使空氣通過熱交換器，因而除去了對一專屬風扇的需求。此外，利用該系統風扇，相較於利用一專屬風扇，亦可增加通過所揭露冷卻系統之氣流。此一優點加上所增加之熱傳區域，能大量改善所揭露系統之熱傳效率。

第2圖為一概要圖示，闡明一種運算裝置200，其中含有根據本發明之一種具體實施例可用於冷卻一圖形處理單元(GPU)216的一種改良式冷卻系統250。運算裝置200可以是任一種形式之運算裝置，包括但不限於一桌上型電腦、伺服器、筆記型電腦、掌上型電腦、個人數位助理、平板電腦、遊戲主機、行動電話、以電腦為基礎之模擬器、及與其相似者。運算裝置200包括一主機板204位於其中。在主機板204中上裝置了一中央處理單元(CPU)206、一種用於冷卻CPU206的處理器冷卻器208、一種用於移除來自運算裝置200之熱能的系統風扇210、以及一或多種周邊元件介面(PCI)卡212。

一般而言，冷卻系統250可代替一傳統冷卻系統如第 1圖中所示之冷卻系統118，經組態而耦合至GPU 216，且其包括而不限於一安裝基座(此處未顯示)、一被動熱傳裝置252、以及一熱交換器254。被動熱傳裝置252係以其第一端251耦合至GPU 216，且經改良可自GPU 216沿著朝向系統風扇210之方向延伸。如下文連同第3圖所述之進一步詳細說明，被動熱傳裝置252可利用該安裝基座耦合至GPU 216。在一種具體實施例中，被動熱傳裝置252會透過圖形卡202中之一切口而朝向系統風扇210。在一種替代行具體實施例中，可將被動熱傳裝置252沿著圖形卡202之一邊緣纏繞成環狀，而使被動熱傳裝置252朝向系統風扇210。熱交換器254則是耦合至被動熱傳裝置252之一種第二端253，且其進一步經改良可和系統風扇210介面結合。

於下文中亦會連同第3圖進一步詳述，在作業過程中，會將GPU 216產生之熱能傳送到被動熱傳裝置252之第一端251。之後將該熱能沿著被動熱傳裝置252的長度傳送至第二端253，在該處將熱能傳送到熱交換器254。之後系統風扇210會經由熱交換器254吸入空氣，使得傳送到熱交換器254之熱能經由運算裝置200之後方消散進入環境中。重要的是，冷卻系統250以系統風扇210來移除GPU 216所產生的熱能，因而排除了對一種專屬風扇的需求。

習知技藝人士可以理解本發明不限於第2圖中所示之圖形卡202與系統風扇210間之相對位置。圖形卡202 以及系統風扇210之間可以處於任一種形式之相對位置，只要冷卻系統250能夠如同設計目的般運作。

第3圖為一同等大小之圖示，闡明根據本發明之一種改良式冷卻系統300的一種具體實施例。相似於第2圖中所示之冷卻系統250，冷卻系統300經改良可用於任一種適當之運算裝置。如圖所示，冷卻系統300可包括且不限於一安裝基座306、一被動熱傳元件302、以及一交換器304。在一種具體實施例中，安裝基座306經改良可耦合至一GPU，例如第2圖中之GPU 216，但耦合的同時須確保在安裝基座306以及GPU之間有適當之熱學與機械學接觸。在一替代性具體實施例中，可將安裝基座306耦合至GPU以及裝置於PCB上之一或多種記憶體晶片兩者。在另一種具體實施例中，冷卻系統300可至少包含一第二安裝基座(此處未顯示)，其中安裝基座306係耦合至該GPU且該第二安裝基座係耦合至一記憶體晶片。

被動熱傳裝置302以一第一端301耦合至安裝基座306。在第3圖所示之具體實施例中，被動熱傳裝置302至少包括一對熱傳管。在替代性具體實施例中，被動熱傳裝置302可至少包含任何能夠使得冷卻系統如設計般作業之熱傳裝置的類型。舉例而言，被動熱傳裝置302可至少包含一熱虹吸管、一熱傳管、或任何能夠在不透過移動元件部份之情形下，將熱能從一位置傳遞到另一位置的裝置。

熱交換器304係耦合至被動熱傳裝置302之一種第二端303，且其適以和一運算裝置之系統風扇介面結合，例 如第2圖之系統風扇210。在第3圖所示之具體實施例中，熱交換器304至少包含多種堆疊之鰭片。在替代性具體實施例中，熱交換器304可至少包含一壓製、削切或鑄造之散熱片以及其他，或可至少包含多種直接裝置於被動熱傳裝置302之第二端303之個別平板式鰭片，例如經由黏合或壓入等方法。在另一種具體實施例中，可將被動熱傳裝置302以及熱交換器304製成一個完整的單元。

冷卻系統300具有許多優於傳統冷卻系統如第1圖之冷卻系統118的優點。首先，利用系統風扇來取代專屬風扇，會得到一種更可靠的冷卻系統300，因為系統風扇比起傳統專屬風扇更強而有力且較不易故障。

此外，利用系統風扇可增加冷卻系統300的冷卻性能，使得冷卻系統300能夠比傳統冷卻系統更有效率地將熱能自GPU傳送出去。造成前述增加的其中一個原因在於熱交換器304之熱傳區域A可比傳統冷卻系統的熱傳區域大上許多，這是因為熱交換器304的大小不會受限於前述與圖形卡有關的外圍限制(因為冷卻系統300不是圖形卡的一部份)。舉例而言，可組態熱交換器304的熱傳區域，使其比第1圖之傳統冷卻系統118之熱交換區域大上百分之60至350。此外，冷卻系統300的熱傳係數h大於傳統冷卻系統的熱傳係數，因為冷卻系統300是依靠大上許多的系統風扇，比起傳統冷卻系統所用之專屬風扇，系統風扇產生的氣流大得多。

根據下列公式來計算熱流速率Q ：Q =h A(T_sink -T_air ) (方程式1)其中，T_sink 為冷卻系統之熱交換元件的溫度，且T_air 為流經熱交換器之空氣的溫度。如上所述，由於冷卻系統300之A以及h大於傳統冷卻系統的A與h(且，若△T大致相等)，當利用冷卻系統300時，熱流速率Q 會明顯增加。該增大之熱流速率Q 會進一步使得冷卻系統300相較於傳統冷卻系統有一改良之熱傳效率，θ_sa 。習知技藝人士可理解，可根據下公式來計算θ_sa ：

θ_sa =(T_sink -T_air )/〔Q〕(℃/watt) (方程式2)其中，較小的θ_sa 值表示熱傳效率增加，且因而更為理想。同樣地，較大之熱傳區域A以及熱傳係數h，會使得冷卻系統300有較大的熱傳速率Q ，且因而亦會得到改良之熱傳效率(由較小之θ_sa 值可得證)。或，當Q 固定時，該改良之熱傳效率會造成較低之T_sink -T_air 。

比較改良式冷卻系統300以及傳統冷卻系統之模擬顯示，改良式冷卻系統300的效率比傳統冷卻系統多出3倍。此外，模擬亦顯示，在固定Q 的情形下，改良式冷卻系統300相較於傳統冷卻系統，能夠將GPU的溫度降低25%。

最後，因為冷卻系統300並未包括一專屬風扇，且通常具有較少的移動部份，冷卻系統300產生的噪音比傳統冷卻系統少得多。

除了前述特徵之外，習知技藝人士可以了解，在替代 性具體實施例中，冷卻系統300可用於冷卻任何類型之處理器。例如，在一具體實施例中，可利用冷卻系統300來冷卻一中央處理單元。在一種替代性具體實施例中，可利用冷卻系統250來冷卻一特殊應用積體電路(ASIC)。

因而，本發明針對處理器冷卻領域提供了一重要之成果。藉由使得較大量之熱能自GPU流出，採用處所樹枝改良式冷卻系統之一系統能夠比先前技藝之冷卻系統設計更有效地散熱。更有甚者，依靠一系統風扇而非一專屬風扇來抽取一熱傳表面上之空氣，也提升了該改良式冷卻系統運作時的可靠度。此外，減少或移除該量式冷卻系統中之移動部份能夠顯著減低作業過程中產生的噪音量。

雖然此處係參照特定具體實施例來描述本發明，習知技藝人士可以明白，可在不悖離如附隨申請專利範圍中所述之本發明之精神與範圍的情形下，對之進行各種修改變形。因此，應將前述說明與圖示視為說明性質而不具限制性。

100‧‧‧運算裝置

101‧‧‧機殼

102‧‧‧圖形卡

104、204‧‧‧主機板

106、206‧‧‧中央處理單元

108、208‧‧‧處理器冷卻器

110‧‧‧系統風扇

112、212‧‧‧周邊元件介面卡

116‧‧‧圖形處理單元

118‧‧‧冷卻系統

200‧‧‧運算裝置

202‧‧‧圖形卡

210‧‧‧系統風扇

216‧‧‧圖形處理單元

250‧‧‧冷卻系統

251‧‧‧第一端

252‧‧‧被動熱傳裝置

253‧‧‧第二端

254‧‧‧熱交換器

300‧‧‧改良式冷卻系統

301‧‧‧第一端

302‧‧‧被動熱傳裝置

303‧‧‧第二端

304‧‧‧熱交換器

306‧‧‧安裝基座306

第1圖為一概要圖示，闡明一種運算裝置，其中含有可用於冷卻一圖形處理單元的一種傳統冷卻系統。

第2圖為一概要圖示，闡明一種運算裝置，其中含有根據本發明之一種具體實施例可用於冷卻一圖形處理單元的一種改良式冷卻系統；以及第3圖為一同等大小之圖示，闡明根據本發明之一種 改良式冷卻系統的一種具體實施例。

300‧‧‧改良式冷卻系統

301‧‧‧第一端

302‧‧‧被動熱傳裝置

303‧‧‧第二端

304‧‧‧熱交換器

306‧‧‧安裝基座

Claims (18)

1. 一種用於一計算裝置中一殼體單元的內部空間的冷卻系統，該計算裝置包括一主機板和一圖形卡，該主機板支承由該殼體單元的一壁中的一風扇冷卻的一中央處理單元，該圖形卡實質垂直於該主機板且支承一圖形處理單元和一記憶體晶片，該冷卻系統包含：一被動熱傳裝置，其具有一第一端以及一第二端，該第一端包含一直接偶合至該圖形處理單元的安裝板；以及一熱交換器，其耦合至該被動熱傳裝置之第二端，且實體安裝於該中央處理單元和該殼體單元的該壁中的該風扇之間，其中，該熱交換器和該風扇成導熱介面，該風扇從而移除由該中央處理單元和該圖形處理單元產生的熱。
2. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中上述之被動熱傳裝置至少包括一熱傳管。
3. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中上述之被動熱傳裝置至少包括一熱虹吸。
4. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中上述之被動熱傳裝置至少包括一電動幫浦。
5. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中上述之熱 交換器至少包括一單一整合元件。
6. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中上述之熱交換器為一壓製式散熱片(an extrusion heatsink)。
7. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中上述之熱交換器為一堆疊鰭式散熱片(a stacked fin heatsink)。
8. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中上述之熱交換器為一削切式散熱片(a skived heatsink)。
9. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中上述之熱交換器為一鑄造式散熱片(a cast heatsink)。
10. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中上述之熱交換器至少包含多個耦合至該被動熱傳裝置之平板式鰭片(plate fins)。
11. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中上述之熱交換器適以耦合至一運算裝置之一系統風扇。
12. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其至少更包含一安裝基座，其適以將該被動熱傳裝置之第一端耦合至 該處理器。
13. 如申請專利範圍第12項所述之系統，其中該安裝基座更可經組態以熱耦合至一或更多記憶體晶片。
14. 如申請專利範圍第12項所述之系統，其至少更包含一第二安裝基座，其經組態可將該被動熱傳裝置耦合至一記憶體晶片。
15. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該處理器至少包含一圖形處理單元。
16. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該處理器至少包含一種特殊應用積體電路或一中央處理單元。
17. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中利用該系統風扇經由熱交換器抽取空氣，使得該處理器產生的熱能被散布到外部環境中。
18. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其至少更包含一第二安裝基座，其可將該被動熱傳裝置耦合至一記憶體晶片。