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JP3782912B2 - Cooling device and cooling method for processor and companion voltage regulator - Google Patents

Cooling device and cooling method for processor and companion voltage regulator Download PDF

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JP3782912B2
JP3782912B2 JP2000016852A JP2000016852A JP3782912B2 JP 3782912 B2 JP3782912 B2 JP 3782912B2 JP 2000016852 A JP2000016852 A JP 2000016852A JP 2000016852 A JP2000016852 A JP 2000016852A JP 3782912 B2 JP3782912 B2 JP 3782912B2
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JP
Japan
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processor
voltage regulator
cooling
electrical coupling
main surface
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クリスチャン・エル・ビレディ
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HP Inc
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子部品の冷却に関し、より詳細には、プロセッサとそのコンパニオン電圧調整器を同時に冷却するために配置された冷却板を備えたプロセッサとコンパニオン電圧調整器用の冷却装置及び冷却方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
高速動作の電子部品は、望ましくない熱を発生する。例えば、マイクロプロセッサ、グラフィックスプロセッサなどの高速コンピュータプロセッサは、効率的な動作のためには除去しなければならない望ましくない熱を生成する。熱を除去することにより、より低い動作温度、より速い動作速度及びより高い計算能力が提供される。さらに他の利点には、高い信頼性がある。
【0003】
コンピュータの能力に対する高まりつつある要求を満たすために、プロセッサの設計法は発展し続け、より複雑になっている。設計が複雑になるほど、より膨大な数のトランジスタが一体化されるようになり、そのような各トランジスタが動作中により多くの熱を発生する原因になる。各トランジスタがより高速で動作するにつれて、熱の発生はさらに多くなる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術において、様々な冷却方式が知られている。一般に、熱を除去する効率が高くなればなるほど、その冷却方式を実現する機構は、より大きく、より重く、よりかさばるようになり、そして、コンピュータシステム内に配置するのがより困難になる。
【0005】
高速コンピュータシステムは、圧倒的な計算能力に恵まれているが、2つの問題を有している。その第1の問題は、高速プロセッサが求める厳しい冷却条件であり、第2の問題は、高速プロセッサの近くに注意深く配置された1つ又は複数の専用コンパニオン電圧調整器と高速メモリが要求するさらに厳しい条件である。
【0006】
従来技術のいくつかのプロセッサ冷却方式において、その方式を実現するためのかさばる機構があるため、コンパニオン電圧調整器とメモリの動作速度をできるだけ高めるために有利な構成と配置を妨げる。例えば、そのようなかさばる機構ゆえに、設計者は、マザーボードの表面全体に拡がるプロセッサと電圧調整器の実質的な共面配置を採用することができなかった。この問題は、電圧調整器を冷却するためにさらなる嵩高な機構を導入することによって悪化する。
【0007】
本発明は、かかる状況に鑑みてなされたものであり、高速動作のためにプロセッサの近くに電圧調整器とメモリの有利な配置としつつ、プロセッサと電圧調整器の両方から熱を同時に吸収するように配置された、効率的でかつ小型のプロセッサとコンパニオン電圧調整器用の冷却装置及び冷却方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高速動作のためにプロセッサの近くに電圧調整器とメモリを有利に配置しながら、プロセッサと電圧調整器の両方からの同時に熱を吸収するように配置された効率的でかつ小型の冷却方法及び冷却装置を提供する。
【0009】
過去において、嵩高な冷却機構のために、マザーボードの表面全体に拡がるプロセッサと電圧調整器の実質上共面配置を達成することができなかった。これと対照的に、本発明は、高速動作のためにそれぞれ互いに近くに配置された電圧調整器、冷却板及びプロセッサの小型の積層配置を実現する。また、近くに配置することにより、電気雑音の低減(また、それに対応するコンデンサなどの構成要素をデカップリングするために利用するものの条件の緩和)において有利である。
【0010】
簡潔かつ概略的に言うと、本発明は、少なくとも1つのバイアス電圧を必要とするプロセッサを含み、さらにバイアス電圧を供給するためのコンパニオン電圧調整器を含む。電圧調整器とプロセッサ間の電気的結合により、バイアス電圧が導かれる。電圧調整器は、この電気的結合のインダクタンスを抑制するために、プロセッサの十分近くに配置される。
【0011】
少なくとも1つの冷却板が、熱伝達状態でプロセッサと電圧調整器との間に挟まれ、プロセッサと電圧調整器から熱を同時に吸収するように構成される。
【0012】
本発明は、さらに、メモリとプロセッサとの間で信号を伝える電気的結合を提供する。メモリは、この電気的結合を通る信号の伝播の遅延を抑えて高速動作を実現するために、プロセッサの十分近くに配置される。
【0013】
本発明の他の態様及び利点は、本発明の原理を例として示す添付図面を参照して行う以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【0014】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明に係る冷却装置100の好ましい実施形態の等角図である。図のように、本発明は、少なくとも1つのバイアス電圧を必要とするプロセッサ101と、さらにバイアス電圧を供給するコンパニオン電圧調整器103を含む。電圧調整器103とプロセッサ101との間の電気的結合105がバイアス電圧を導く。この電気的結合105は、単層又は多層のポリイミド(又はポリエステル)を使用した柔軟なプリント回路材料のストリップを含むことが好ましい。トレードオフがいくつかあり、一例を示すと、多層ストリップは、望ましい低いインダクタンスを提供することができるが、一般に単層ストリップよりも高価である。
【0015】
電源電圧は、好ましくは柔軟なプリント回路材料からなる別の電気的結合109を介して支持プリント配線板107から電圧調整器103に供給される。プリント配線板の四角い取付具110は、確実な電気接続にするために、電圧調整器103と、柔軟なプリント回路材料からなる電気的結合105、109のそれぞれにはんだ付けされる。代替として、前記別の電気的結合109を接続するために、いわゆる「フライングリード(flying lead)」を使用することができる。
【0016】
また、追加の代替構造を使用して有益な結果を得ることができる。例えば、必要な取付具と共に電圧調整器と電気的結合との一体構造を実現するいわゆる「パワーポッド(power pod)」を使用して本発明を実施することができる。
【0017】
好ましい実施形態において、電源電圧は、直流48ボルトであり、電圧調整器103によって一般に2ボルト以下の選択されたバイアス電圧を供給するようになっている。設計によっては2ボルトのバイアス電圧が好ましいが、本発明の原理は、特定のバイアス電圧(又は特定の電源電圧)に制限されないことを理解されたい。
【0018】
冷却板111は、プロセッサ101と電圧調整器103との間に熱伝達状態で挟まれ、プロセッサ101と電圧調整器103から同時に熱を吸収するように配置される。好ましい実施形態において、冷却板111は、プロセッサ101からの130ワット(130W)の熱と、電圧調整器103から50ワット(50W)の熱を同時に吸収し、摂氏35度(35℃)の代表的な周囲温度を仮定すると、冷却板111の動作温度を摂氏約60度(60℃)乃至摂氏約70度(70℃)の範囲に維持する。合計約180ワット(180W)の熱が、プロセッサ101と電圧調整器103から吸収されるが、冷却板111は、流体流量の増加率などの要因により、より多くの熱を処理できると考えられる。好ましい流量は、冷却する各プロセッサ101につき1分間当たり約378.5ミリリットル(約1/10ガロン)乃至約757ミリリットル(約2/10ガロン)であるが、本発明が、この好ましい流量に制限されないことを理解されたい。
【0019】
熱交換器113は、熱を吸収するために流体が冷却板111と連通する状態で熱的に結合される。この熱交換器113の設計は、フィン付き管、板状ヒートシンク、その他の適切な設計で良い。熱交換器113は、好ましくは銅、又はアルミニウム、ステンレス鋼、又は複合材料から製作することができる。冷却板111と熱交換器113はそれぞれ、例えば水、水を混ぜたエチレングリコール、フルオリナート(fluorinert)、その他当業者に既知の適切な流体を循環させるためのそれぞれの流路を含む。
【0020】
図1に示したように、本発明は、冷却板111と熱交換器113の流路に結合され、それらの間で流体を循環させるための一対の流体導管115、117を含む。好ましい実施形態において、流体導管115、117は、直径6.35ミリメートル(1/4インチ)(又は12.7ミリメートル(1/2インチ))の中空銅管、又は別の適切な材料からなる。
【0021】
好ましい実施形態において、流体の循環を促進するために、電動ポンプ119が、流体導管115、117のうちの1つとライン接続される。様々な異なる電動ポンプにより望ましい結果が得られる。循環する流体を完全に密封するために、磁気的に結合されたポンプを使用することが好ましい。そのようなポンプは、一般に、Iwaki WelchemやGorman Ruppなどのメーカから入手可能である。
【0022】
好ましい実施形態において、メモリモジュール121とプロセッサ101はそれぞれ、プリント配線板107の導体トレースに、はんだ付けされるかあるいは電気的に結合され、これにより、メモリモジュール121とプロセッサ101との間に電気的な結合が設けられ、それらの間で電気信号を伝えることができる。
【0023】
図1に示したように、メモリモジュール121は、電気的な結合を通る信号の伝播の遅延を抑制するようにプロセッサ101の十分近くに配置される。好ましい実施形態において、プロセッサコントローラと、各メモリモジュール121の各メモリコントローラとの間に電気的結合を提供する導体トレースはそれぞれ、約125メガヘルツ(125Mhz)もの高いメモリアクセス周波数を実現するために、実質的に約40センチメートル(40cm)未満である。そのような高いメモリアクセス周波数に十分なタイミングマージンを実現するために、プロセッサコントローラと各メモリモジュール121の各メモリコントローラとの間に電気的結合を提供する導体トレースは、それぞれ約38センチメートル以内であることが好ましい。
【0024】
図2は、図1に示した電圧調整器103、冷却板111及びプロセッサ101のサンドイッチ構造の詳細図である。冷却板111は、第1の主面とその反対側の第2の主面を有する。電圧調整器103は、冷却板111の第1の主面と熱伝達する主面を有する。プロセッサ101は、冷却板111の第2の対向する主面と熱伝達する主面を有する。好ましい実施形態において、熱の流れを促進するために、冷却板111の第1の主面と電圧調整器103の主面との接触部分に、熱グリース(thermal grease)の薄い層(図示せず)が挟まれる。同じ理由のために、冷却板111の反対の第2の面とプロセッサ101との間の接触部分に熱グリースの別の薄い層(図示せず)が挟まれる。代替実施形態において、熱グリースの代わりに、薄い熱パッドを使用しても有益な結果が得られる。
【0025】
電圧調整器103は、プロセッサ101との電気的結合のインダクタンスを制限するために、プロセッサ101の十分近くに配置される。電気的結合105は、図に示したようにプロセッサ101と係合させてもよく、あるいはプロセッサ101のすぐ隣りでプリント配線板107に接続され、プリント配線板107のために作成された比較的短い導体トレースによってプロセッサ101と結合させても良い。
【0026】
プロセッサ101から、プリント配線板の正方形の取付具110が電圧調整器103にはんだ付けされた場所まで延びる電気的結合105の長さ寸法Lは、プロセッサが約240メガヘルツ乃至約1ギガヘルツ(又はそれ以上)の範囲のクロック周波数で動作するときに、電気的結合105のインダクタンスを制限し、適切な段階的負荷電流応答を提供するように、約2ミリメートル乃至約25ミリメートルの範囲である。好ましい実施形態において、電圧調整器103とプロセッサ101との間の電気的結合105の長さ寸法Lは、プロセッサ101が約500メガヘルツ程のクロック周波数で動作しているときに適切な段階的な負荷電流の応答が提供されるように、約4ミリメートルである。
【0027】
したがって、プロセッサ101と電圧調整器103の近い配置は、約2ミリメートル乃至約25ミリメートルの範囲である。好ましい実施形態において、プロセッサ101と電圧調整器103との隣接配置は、約4ミリメートルである。
【0028】
前述と同じ理由のために、電圧調整器103とプロセッサ101との間の電気的結合105のインダクタンスは、約0.15ナノヘンリ(クロック周波数1GHzで)乃至約0.6ナノヘンリ(クロック周波数240メガヘルツで)の範囲である。好ましい実施形態において、電圧調整器103とプロセッサ101との間の電気的結合105のインダクタンスは、約0.3ナノヘンリ(クロック周波数500メガヘルツに対応)である。
【0029】
電圧調整器103とプロセッサ101との間に挟まれた冷却板111の全体の厚さ寸法Tは、プロセッサ101を電圧調整器103の近くに配置できるように十分に薄い。冷却板111の全体の厚さ寸法Tは、約2ミリメートル乃至約7ミリメートルの範囲である。
【0030】
全体の厚さ寸法Tが約2ミリメートルという第1の制限よりも大きくなければならない理由は、冷却板111を製造する際の制約と関連する。好ましい実施形態において、冷却板111は、密着され伝熱用の冷却流体を循環させる蛇行チャネル又はキャビティが中に延びる2枚の薄い構成板のクラムシェル構造(clam-shell arrangement)で作成される。流体に効率的に伝熱するために、この蛇行チャネルが、直径約4.06ミリメートル(約0.16インチ)乃至約5.08ミリメートル(約0.2インチ)の範囲の好ましい直径を持たなければならないことが、発明者により理論的にわかっている。これよりも小さなチャネル直径でも、ある程度有益な結果を達成することができるが、そのような好ましいチャネル直径は、構成板の構造的完全性と構成板からの効率的な伝熱とを維持するために、2枚の板の全体の厚さ寸法Tが、実質上約2ミリメートルよりも大きくなくてはならない。
【0031】
全体の厚さ寸法Tが、約7ミリメートルという第2の制限よりも小さくなければならない理由は、プロセッサ101と冷却板111と電圧調整器103とのサインドイッチ構造に利用できる空間全体の実際の制約に関連する。利用可能な空間と、構成板の熱効率及び構造的完全性との間の有利なバランスを実現するために、冷却板111の好ましい全体の厚さ寸法Tは、約4ミリメートルである。
【0032】
冷却板111は、プロセッサ101及び電圧調整器103との熱的結合に十分な大きさでなければならず、さらに流体導管115、117との結合に十分な大きさでなければならない。例えば、プロセッサ101の主面が約127ミリメートル(約5インチ)×約76.2ミリメートル(約3インチ)の幅と奥行きの寸法を有する場合、冷却板111の反対の主面はそれぞれ、約95.25ミリメートル(約3.75インチ)×約146.05ミリメートル(約5.75インチ)の幅と奥行きの寸法を有することが好ましい。前述の例において、電圧調整器103の主面は、約60.96ミリメートル(約2.4インチ)×約116.84ミリメートル(約4.6インチ)の幅と奥行き寸法を有すると想定する。当然ながら、本発明の原理によれば、プロセッサ101と電圧調整器103のサイズが異なる場合は、冷却板111のサイズが変化することを理解されたい。
【0033】
図3は、図2のサンドイッチ構造の分解図であり、プリント配線板の四角形の取付具110、電圧調整器103及びプロセッサ101を示す。冷却板111に関して、互いに密封された2つのより薄い構成板のクラムシェル構造は、冷却流体を循環させるために中を通る蛇行チャネルを見せるために、分解された部品として示される。好ましい実施形態において、構成板内に延びるように蛇行チャネルが機械加工され、その構成板は、銅、アルミニウム、ステンレス鋼又は複合材料から製作される。好ましくは腐蝕に強い銅である。チャネルの好ましい長さは、約508ミリメートル(約20インチ)である。構成板は、流体の望ましくない漏れを防ぐために冷却板111を密閉するようにろう付けされる。
【0034】
望ましい冷却板111の温度によっては、代替のチャネル構造を利用して有益な結果を得ることができることを理解されたい。代替実施形態では、流体の循環を実現するために、蛇行チャネルの代わりに、折り畳みファインストック(finestock)が使用される。折り畳みファインストックは、冷却板111を密封して望ましくない漏れを防ぐために、冷却板111の2枚の構成板の間にろう付けされる。
【0035】
以上考察したように、本発明は、高速動作のためにプロセッサ101の近くに電圧調整器103とメモリモジュール121を有利に配置しながら、プロセッサ101と電圧調整器103の両方から同時に熱を吸収するように構成された効率的でかつ小型の冷却方法及び冷却装置を提供する。上記の特許請求の範囲の範囲内で、本発明を、具体的に示し図示したものと異なる状況で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の好ましい実施形態の等角法による斜視図である。
【図2】図1に示した電圧調整器、冷却板及びプロセッサによるサンドイッチ構造を拡大して示す斜視図である。
【図3】図2に示したサンドイッチ構造の分解斜視図である。
【符号の説明】
100 冷却装置
101 プロセッサ
103 コンパニオン電圧調整器
105、109 電気的結合
107 プリント配線板
110 取付具
111 冷却板
113 熱交換器
115、117 流体導管
119 電動ポンプ
121 メモリモジュール
L 長さ寸法
T 厚さ寸法
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to cooling of electronic components, and more particularly, to a cooling device and a cooling method for a processor and a companion voltage regulator having a cooling plate arranged to simultaneously cool the processor and its companion voltage regulator.
[0002]
[Prior art]
High speed electronic components generate undesirable heat. For example, high speed computer processors such as microprocessors, graphics processors, etc. generate unwanted heat that must be removed for efficient operation. Removing heat provides a lower operating temperature, faster operating speed and higher computing power. Still other advantages, there is a high reliability.
[0003]
In order to meet the growing demand for computer power, processor design methods continue to evolve and become more complex. The more complex the design, the greater the number of transistors that are integrated, causing each such transistor to generate more heat during operation. As each transistor operates at a higher speed, more heat is generated.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Various cooling methods are known in the prior art. In general, the higher the efficiency with which heat is removed, the larger the mechanism that implements the cooling scheme, the heavier, the bulkier, and the more difficult it will be to place in a computer system.
[0005]
High-speed computer systems are endowed with overwhelming computing power, but have two problems. The first problem is the rigorous cooling requirements required by high speed processors, and the second problem is the more stringent requirements of one or more dedicated companion voltage regulators and high speed memory carefully placed near the high speed processor. It is a condition.
[0006]
In some prior art processor cooling schemes, there is a bulky mechanism to implement the scheme, which hinders advantageous configurations and arrangements to maximize the operating speed of the companion voltage regulator and memory. For example, such a bulky mechanism has prevented designers from adopting a substantially coplanar arrangement of the processor and voltage regulator that extends across the entire surface of the motherboard. This problem is exacerbated by the introduction of additional bulky mechanisms to cool the voltage regulator.
[0007]
The present invention has been made in view of such a situation, so as to absorb heat from both the processor and the voltage regulator at the same time while providing an advantageous arrangement of the voltage regulator and the memory near the processor for high-speed operation. It is an object of the present invention to provide a cooling device and a cooling method for an efficient and small-sized processor and a companion voltage regulator, which are arranged in the above.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides an efficient and compact arrangement arranged to absorb heat from both the processor and the voltage regulator simultaneously, while advantageously placing the voltage regulator and memory close to the processor for high speed operation. A cooling method and a cooling device are provided.
[0009]
In the past, due to the bulky cooling mechanism, it has not been possible to achieve a substantially coplanar arrangement of the processor and voltage regulator that extends over the entire surface of the motherboard. In contrast, the present invention provides a compact stacked arrangement of voltage regulators, cold plates and processors, each placed close to each other for high speed operation. Further, the arrangement close thereto is advantageous in reducing electrical noise (and relaxing the conditions of the components used for decoupling the corresponding components such as capacitors).
[0010]
Briefly and schematically, the present invention includes a processor that requires at least one bias voltage, and further includes a companion voltage regulator for supplying the bias voltage. Electrical coupling between the voltage regulator and the processor leads to the bias voltage. The voltage regulator is placed close enough to the processor to suppress this electrical coupling inductance.
[0011]
At least one cold plate is sandwiched between the processor and the voltage regulator in a heat transfer state and is configured to simultaneously absorb heat from the processor and the voltage regulator.
[0012]
The present invention further provides an electrical coupling that carries signals between the memory and the processor. The memory is placed close enough to the processor to reduce signal propagation delay through this electrical coupling and achieve high speed operation.
[0013]
Other aspects and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description, taken in conjunction with the accompanying drawings, illustrating by way of example the principles of the invention.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is an isometric view of a preferred embodiment of a cooling device 100 according to the present invention. As shown, the present invention includes a processor 101 that requires at least one bias voltage and a companion voltage regulator 103 that further supplies the bias voltage. An electrical coupling 105 between the voltage regulator 103 and the processor 101 introduces a bias voltage. The electrical coupling 105 preferably includes a flexible strip of printed circuit material using a single layer or multiple layers of polyimide (or polyester). There are several tradeoffs, and by way of example, multilayer strips can provide the desired low inductance, but are generally more expensive than single layer strips.
[0015]
The power supply voltage is supplied to the voltage regulator 103 from the support printed wiring board 107 via another electrical coupling 109 preferably made of flexible printed circuit material. The square bracket 110 of the printed wiring board is soldered to the voltage regulator 103 and the electrical couplings 105 and 109 made of flexible printed circuit material, respectively, for reliable electrical connection. Alternatively, a so-called “flying lead” can be used to connect the other electrical coupling 109.
[0016]
In addition, additional alternative structures can be used to achieve beneficial results. For example, the present invention can be implemented using a so-called “power pod” that implements an integral structure of voltage regulator and electrical coupling with the necessary fixtures.
[0017]
In the preferred embodiment, the power supply voltage is 48 VDC and is provided by the voltage regulator 103 to provide a selected bias voltage generally less than 2 volts. Although a 2 volt bias voltage is preferred in some designs, it should be understood that the principles of the invention are not limited to a particular bias voltage (or a particular power supply voltage).
[0018]
The cooling plate 111 is sandwiched between the processor 101 and the voltage regulator 103 in a heat transfer state, and is arranged so as to absorb heat from the processor 101 and the voltage regulator 103 simultaneously. In a preferred embodiment, the cold plate 111 absorbs 130 watts (130 W) of heat from the processor 101 and 50 watts (50 W) of heat from the voltage regulator 103 simultaneously, and is typically 35 degrees Celsius (35 ° C.). Assuming a high ambient temperature, the operating temperature of the cooling plate 111 is maintained in the range of about 60 degrees Celsius (60 ° C.) to about 70 degrees Celsius (70 ° C.). A total of about 180 watts (180 W) of heat is absorbed from the processor 101 and the voltage regulator 103, but the cooling plate 111 is thought to be able to handle more heat due to factors such as the rate of increase in fluid flow. Preferred flow rates are from about 378.5 milliliters (about 1/10 gallon) to about 757 milliliters (about 2/10 gallons) per minute for each processor 101 to be cooled, although the present invention is not limited to this preferred flow rate Please understand that.
[0019]
The heat exchanger 113 is thermally coupled with fluid in communication with the cooling plate 111 to absorb heat. The design of the heat exchanger 113 may be a finned tube, a plate heat sink, or any other suitable design. The heat exchanger 113 can preferably be made from copper, or aluminum, stainless steel, or a composite material. Cold plate 111 and heat exchanger 113 each include a respective flow path for circulating, for example, water, water-blended ethylene glycol, fluorinert, or other suitable fluid known to those skilled in the art.
[0020]
As shown in FIG. 1, the present invention includes a pair of fluid conduits 115, 117 coupled to the flow path of the cold plate 111 and the heat exchanger 113 for circulating fluid between them. In a preferred embodiment, the fluid conduits 115, 117 are comprised of a hollow copper tube of diameter 6.35 millimeters (1/4 inch) (or 12.7 millimeters (1/2 inch)), or another suitable material.
[0021]
In a preferred embodiment, an electric pump 119 is lined with one of the fluid conduits 115, 117 to facilitate fluid circulation. A variety of different electric pumps can provide desirable results. In order to completely seal the circulating fluid, it is preferable to use a magnetically coupled pump. Such pumps are generally available from manufacturers such as Iwaki Welchem and Gorman Rupp.
[0022]
In a preferred embodiment, the memory module 121 and the processor 101 are each soldered or electrically coupled to a conductor trace on the printed wiring board 107 so that the memory module 121 and the processor 101 are electrically connected. Couplings are provided, and electrical signals can be transmitted between them.
[0023]
As shown in FIG. 1, the memory module 121 is placed close enough to the processor 101 to suppress delay in signal propagation through electrical coupling. In a preferred embodiment, each of the conductor traces that provide electrical coupling between the processor controller and each memory controller of each memory module 121 is substantially to achieve a memory access frequency as high as about 125 megahertz (125 Mhz). Less than about 40 centimeters (40 cm). In order to achieve a sufficient timing margin for such a high memory access frequency, the conductor traces that provide electrical coupling between the processor controller and each memory controller of each memory module 121 must be within about 38 centimeters each. Preferably there is.
[0024]
FIG. 2 is a detailed view of the sandwich structure of the voltage regulator 103, the cooling plate 111, and the processor 101 shown in FIG. The cooling plate 111 has a first main surface and a second main surface opposite to the first main surface. Voltage regulator 103 has a main surface that transfers heat to the first main surface of cooling plate 111. The processor 101 has a second opposing main surface of the cooling plate 111 and a main surface that conducts heat. In a preferred embodiment, a thin layer of thermal grease (not shown) is applied to the contact portion between the first major surface of the cold plate 111 and the major surface of the voltage regulator 103 to facilitate heat flow. ) Is sandwiched. For the same reason, another thin layer (not shown) of thermal grease is sandwiched between the opposite second side of the cold plate 111 and the processor 101. In an alternative embodiment, using thin thermal pads instead of thermal grease can provide beneficial results.
[0025]
The voltage regulator 103 is placed close enough to the processor 101 to limit the inductance of the electrical coupling with the processor 101. The electrical coupling 105 may be engaged with the processor 101 as shown, or connected to the printed wiring board 107 immediately adjacent to the processor 101 and made relatively short for the printed wiring board 107. It may be coupled to the processor 101 by conductor traces.
[0026]
The length dimension L of the electrical coupling 105 extending from the processor 101 to where the printed wiring board square fixture 110 is soldered to the voltage regulator 103 is approximately 240 megahertz to about 1 gigahertz (or more). ) In the range of about 2 millimeters to about 25 millimeters so as to limit the inductance of the electrical coupling 105 and provide an appropriate step load current response. In a preferred embodiment, the length dimension L of the electrical coupling 105 between the voltage regulator 103 and the processor 101 is suitable for a step load that is appropriate when the processor 101 is operating at a clock frequency on the order of about 500 megahertz. It is about 4 millimeters so that a current response is provided.
[0027]
Thus, the close placement of the processor 101 and the voltage regulator 103 ranges from about 2 millimeters to about 25 millimeters. In the preferred embodiment, the adjacent placement of the processor 101 and the voltage regulator 103 is about 4 millimeters.
[0028]
For the same reason as described above, the inductance of the electrical coupling 105 between the voltage regulator 103 and the processor 101 is about 0.15 nanohenry (at a clock frequency of 1 GHz) to about 0.6 nanohenry (at a clock frequency of 240 megahertz). ). In a preferred embodiment, the inductance of the electrical coupling 105 between the voltage regulator 103 and the processor 101 is about 0.3 nanohenry (corresponding to a clock frequency of 500 megahertz).
[0029]
The overall thickness dimension T of the cooling plate 111 sandwiched between the voltage regulator 103 and the processor 101 is sufficiently thin so that the processor 101 can be placed near the voltage regulator 103. The overall thickness dimension T of the cooling plate 111 is in the range of about 2 millimeters to about 7 millimeters.
[0030]
The reason why the overall thickness dimension T must be greater than the first limit of about 2 millimeters is related to the constraints in manufacturing the cold plate 111. In a preferred embodiment, the cooling plate 111 is made of a two-lamellar clam-shell arrangement with meandering channels or cavities in which it circulates and circulates cooling fluid for heat transfer. In order to efficiently transfer heat to the fluid, the serpentine channel must have a preferred diameter in the range of about 4.06 millimeters (about 0.16 inches) to about 5.08 millimeters (about 0.2 inches). It is theoretically known by the inventor that this must be done. Smaller channel diameters can achieve some beneficial results, but such preferred channel diameters maintain the structural integrity of the component plate and efficient heat transfer from the component plate. In addition, the overall thickness dimension T of the two plates should be substantially greater than about 2 millimeters.
[0031]
The reason why the overall thickness dimension T must be smaller than the second limit of about 7 millimeters is the actual limitation of the entire space available for the signed switch structure of the processor 101, the cold plate 111 and the voltage regulator 103. is connected with. In order to achieve an advantageous balance between the available space and the thermal efficiency and structural integrity of the component plates, the preferred overall thickness dimension T of the cooling plate 111 is about 4 millimeters.
[0032]
The cold plate 111 must be large enough for thermal coupling with the processor 101 and the voltage regulator 103 and large enough for coupling with the fluid conduits 115, 117. For example, if the major surface of processor 101 has dimensions of about 127 millimeters (about 5 inches) by about 76.2 millimeters (about 3 inches), the opposite major surfaces of cold plate 111 are each about 95 Preferably, it has a width and depth dimension of .25 millimeters (about 3.75 inches) by about 146.05 millimeters (about 5.75 inches). In the foregoing example, it is assumed that the major surface of voltage regulator 103 has a width and depth dimension of about 60.96 millimeters (about 2.4 inches) by about 116.84 millimeters (about 4.6 inches). Of course, it should be understood that according to the principles of the present invention, the size of the cooling plate 111 will change if the size of the processor 101 and the voltage regulator 103 are different.
[0033]
FIG. 3 is an exploded view of the sandwich structure of FIG. 2, showing a printed wiring board square fixture 110, a voltage regulator 103, and a processor 101. With respect to the cold plate 111, two thinner component clamshell structures that are sealed together are shown as disassembled parts to show a serpentine channel therethrough for circulating the cooling fluid. In a preferred embodiment, the serpentine channel is machined to extend into the component plate, which component plate is made from copper, aluminum, stainless steel or a composite material. Preferably, it is copper resistant to corrosion. The preferred length of the channel is about 508 millimeters (about 20 inches). The component plate is brazed to seal the cooling plate 111 to prevent undesirable leakage of fluid.
[0034]
It should be understood that depending on the desired cold plate 111 temperature, alternative channel structures can be utilized to achieve beneficial results. In an alternative embodiment, a folded finestock is used instead of a serpentine channel to achieve fluid circulation. The folded fine stock is brazed between the two component plates of the cold plate 111 to seal the cold plate 111 and prevent unwanted leakage.
[0035]
As discussed above, the present invention absorbs heat from both the processor 101 and the voltage regulator 103 simultaneously while advantageously placing the voltage regulator 103 and the memory module 121 near the processor 101 for high speed operation. An efficient and compact cooling method and cooling apparatus configured as described above are provided. Within the scope of the appended claims, the present invention may be practiced in situations other than those specifically shown and illustrated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of a preferred embodiment of the present invention by an isometric method.
FIG. 2 is an enlarged perspective view showing a sandwich structure including a voltage regulator, a cooling plate and a processor shown in FIG. 1;
3 is an exploded perspective view of the sandwich structure shown in FIG. 2. FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Cooling device 101 Processor 103 Companion voltage regulator 105, 109 Electrical coupling 107 Printed wiring board 110 Mounting tool 111 Cooling plate 113 Heat exchanger 115, 117 Fluid conduit 119 Electric pump 121 Memory module L Length dimension T Thickness dimension

Claims (10)

少なくとも1つのバイアス電圧を必要とするプロセッサと、
上記バイアス電圧を供給する電圧調整器と、
上記バイアス電圧を上記プロセッサに伝えるための、上記電圧調整器と上記プロセッサとの間の電気的結合と、
上記プロセッサと上記電圧調整器との間に熱伝達する状態で挟まれ、上記プロセッサ及び上記電圧調整器から熱を同時に吸収するように構成された少なくとも1つの冷却板と
を含むプロセッサと電圧調整器用の冷却装置。
A processor requiring at least one bias voltage;
A voltage regulator for supplying the bias voltage,
Electrical coupling between the voltage regulator and the processor to communicate the bias voltage to the processor ;
At least one cold plate sandwiched in a state of transferring heat between the processor and the voltage regulator and configured to simultaneously absorb heat from the processor and the voltage regulator ;
Including a cooling device for a processor and a voltage regulator.
上記冷却板は、第1の主面とその反対側の第2の主面を有し、
上記電圧調整器は、上記冷却板の第1の主面と熱伝達する主面を有し、
上記プロセッサは、上記冷却板の第2の主面と熱伝達する主面を有する、
請求項1に記載のプロセッサと電圧調整器用の冷却装置。
The cooling plate has a first main surface and a second main surface opposite to the first main surface,
The voltage regulator has a main surface that conducts heat with the first main surface of the cooling plate,
The processor has a main surface that conducts heat with the second main surface of the cooling plate.
Cooling apparatus for processors and voltage regulator of claim 1.
上記電気的結合のインダクタンスを制限するために、上記電圧調整器が上記プロセッサの十分近くに配置されている、請求項1に記載のプロセッサと電圧調整器用の冷却装置。In order to limit the inductance of the electrical coupling, the voltage regulator is arranged sufficiently close to the processor, the cooling device for the processor and voltage regulator of claim 1. 上記プロセッサと上記電圧調整器との近い配置は、約2ミリメートル乃至約25ミリメートルの範囲である、請求項3に記載のプロセッサと電圧調整器用の冷却装置。Disposed close between the processor and the voltage regulator is in the range of about 2 millimeters to about 25 millimeters, the cooling device for the processor and voltage regulator of claim 3. 上記電圧調整器と上記プロセッサとの間の電気的結合の長さは、上記電気的結合のインダクタンスを制限するために、約2ミリメートル乃至約25ミリメートルの範囲にある、請求項1に記載のプロセッサと電圧調整器用の冷却装置。The length of the electrical coupling between the voltage regulator and the processor in order to limit the inductance of the electrical coupling is in the range from about 2 millimeters to about 25 millimeters processor of claim 1 a cooling device for the voltage regulator. 上記電圧調整器と上記プロセッサとの間の電気的結合のインダクタンスが、約0.15ナノヘンリ乃至約0.6ナノヘンリの範囲にある、請求項1に記載のプロセッサと電圧調整器用の冷却装置。Inductance of electrical coupling between the voltage regulator and the processor is in the range of about 0.15 nH to about 0.6 nH, the cooling device for the processor and voltage regulator of claim 1. メモリモジュールと、
上記メモリモジュールと上記プロセッサとの間にあってそれらの間で信号を伝えるための電気的結合と
をさらに含み、 該電気的結合を通る信号の伝播の遅延を抑制するために、上記メモリモジュールを上記プロセッサの十分近くに配置する、請求項1に記載のプロセッサと電圧調整器用の冷却装置。
A memory module ;
Electrical coupling between the memory module and the processor for transmitting signals between them ;
Further comprising a, in order to suppress the delay of signals passing through the electrical coupling propagation, placing the memory module sufficiently close to the processor, the cooling device for the processor and voltage regulator of claim 1.
電圧調整器と、プロセッサと、それらの間で少なくとも1つのバイアス電圧を伝えるための電気的結合とを提供する段階と、
上記プロセッサと上記電圧調整器との間に熱伝達する状態で冷却板を挟む段階と、
該冷却板を使用して上記プロセッサと上記電圧調整器とから同時に熱を吸収する段階と
を含むプロセッサと電圧調整器用の冷却方法。
Providing a voltage regulator, a processor, and an electrical coupling for communicating at least one bias voltage therebetween;
Sandwiching a cooling plate with heat transfer between the processor and the voltage regulator;
Simultaneously absorbing heat from the processor and the voltage regulator using the cold plate ;
Including a method of cooling the processor and voltage regulator.
上記電気的結合のインダクタンスを制限するために、上記プロセッサの十分近くに上記電圧調整器を配置する段階をさらに含む、請求項8に記載のプロセッサと電圧調整器用の冷却方法。In order to limit the inductance of the electrical coupling, further comprising, a method of cooling the processor and voltage regulator of claim 8 the step of disposing the voltage regulator sufficiently close to the processor. メモリモジュールを提供し、該メモリモジュールと上記プロセッサとを電気的に結合してその間で信号を伝える段階と、
上記電気的結合を通る信号の伝播の遅延を抑制するために、上記プロセッサの十分近くに上記メモリモジュールを配置する段階と
を含む、請求項8に記載のプロセッサと電圧調整器用の冷却方法。
Providing a memory module, the method comprising transmitting a signal therebetween and electrically couple with said memory module and the processor,
Placing the memory module close enough to the processor to suppress propagation delay of signals through the electrical coupling ;
Including a method of cooling the processor and voltage regulator of claim 8.
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