(57)【要約】      （修正有）【課題】ＧＰＵサーバなど、ハウジング内で列に配置され、複数の熱を発生する電子デバイスの間で、単一の冷却用空気源を利用して、冷却効率及び温度を均一に改善する方法及び構造を提供する。【解決手段】ＧＰＵサーバにおいて、電子デバイス１６、２１は、複数の列に配置されるが、最後の列のためのヒートシンク４２は、冷却用空気ストリーム（矢印９の方向）内で異なる位置を占有すべく、１番目の列のヒートシンク５２より上に持ち上げられる。電子デバイスのヒートシンクは、１番目の列の電子デバイスのヒートシンクの近傍であるが、冷却用空気の異なる流路に存在すべく、前方に拡張される。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の熱を発生する処理ユニットの配列における拡張ヒートシンクであって、前記処理ユニットは、前列及び少なくとも後列を含む少なくとも２列に設置され、さらに、前記前列から前記少なくとも後列に向かう方向に冷却用空気の流れを生じる冷却用空気源を有し、前記拡張ヒートシンクは、前記少なくとも後列の処理ユニットからの拡張ヒートシンク構造を備える、
拡張ヒートシンク。
【請求項２】
前記前列及び前記少なくとも後列は、サーバのハウジングに含まれる、
請求項１に記載の拡張ヒートシンク。
【請求項３】
前記拡張ヒートシンクはさらに、冷却回路を備え、前記冷却回路は、
前記拡張ヒートシンクの冷媒のための第１容器と、前記後列の少なくとも１つのＧＰＵと接触する冷媒のための第２容器と、前記第２容器から前記第１容器に蒸気冷媒を移送するための少なくとも１つの導管と、前記第２容器から前記第１容器に蒸気冷媒を移送する少なくとも１つの導管と、前記第１容器の液体冷媒を前記第２容器に運ぶ第２導管とを有する、
請求項１又は２に記載の拡張ヒートシンク。
【請求項４】
前記第２導管の液体冷媒の前記移送は、重力によりもたらされる、
請求項３に記載の拡張ヒートシンク。
【請求項５】
処理ユニットの前記配列は、数が全部で８つの処理ユニットになり、前記前列の４つの処理ユニットと、前記少なくとも後列の４つの処理ユニットとが存在し、前記少なくとも後列の各処理ユニットは、それ自身の拡張ヒートシンクと関連付けられるように配置される、
請求項１から４のいずれか一項に記載の拡張ヒートシンク。
【請求項６】
前記冷媒は、Ｒ１３４ａ、Ｒ２２、Ｒ１２、Ｒ４０７ｃ及びＲ４１０ａから成る群から選択される少なくとも１つである、
請求項３に記載の拡張ヒートシンク。
【請求項７】
前記前列の処理ユニットと、前記少なくとも後列の処理ユニットとの間の温度差は、３oＣ以下である、
請求項５に記載の拡張ヒートシンク。
【請求項８】
前記冷却用空気源は、少なくとも１つのファンを有する、
請求項１から７のいずれか一項に記載の拡張ヒートシンク。
【請求項９】
ハウジング内の前列と少なくとも後列とに配置される熱を発生する処理ユニットの配列を備えるサーバであって、前記配列の前記処理ユニットの各々は、ヒートシンクと、熱サイフォンの冷却回路とを有し、
前記少なくとも後列の処理ユニットごとの前記冷却回路は、各処理ユニットと接触する冷媒のための第１容器及び冷媒のための第２容器と、前記第２容器から前記第１容器に蒸気冷媒を移送するための少なくとも１つの導管と、前記第１容器の液体冷媒を前記第２容器に移送するための第２導管とを含み、
前記前列の処理ユニットごとの前記冷却回路は、前記前列の各処理ユニットと接触する冷媒のための第３容器及び冷媒のための第４容器と、前記第４容器から前記第３容器に蒸気冷媒を移送するための少なくとも１つの導管と、前記第３容器の液体冷媒を前記第４容器に移送するための第２導管とを含む、
サーバ。
【請求項１０】
４つの処理ユニットが前記前列にあり、４つの処理ユニットが前記少なくとも後列にあり、前記少なくとも後列の前記処理ユニットは各々、前記前列の任意の処理ユニットの前記ヒートシンクより高く配置される前記ヒートシンクを含む、
請求項９に記載のサーバ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
サーバ設計において、発熱は心配事であり、入ってくる冷却用空気が、下流のコンポーネントに到達する前に予熱される、冷却ファンにより提供される最初の空気の流れの下流にあるコンポーネントにおいて、特に心配事である。グラフィック処理ユニット（ＧＰＵ）及中央処理ユニット（ＣＰＵ）の熱出力に関連した最近の動向は、これらのユニットに必要とされる電力がますます高くなっていることに起因して、重大になってきている。本開示は、冷却ファン上の電源負荷を増大することなく、上流コンポーネントと下流コンポーネントと間の温度差を低減することに向けられる。拡張ヒートシンク設計の使用は、コンポーネントの温度差を低減する。「冷却ラインアセンブリを有するサーバ」と題する米国特許出願公開第２０１６０１２００７１号は、サーバが、１又は複数のサーバコンポーネントの流体冷却を提供する冷却ラインアセンブリを含み得ることを開示する。サーバは、シャーシ、シャーシ内に配置された回路基板、及び回路基板に電気的に接続されるプロセッサを含み得る。冷却ラインアセンブリは、プロセッサと熱的連通関係にある冷却されるべき表面上にヒートシンクモジュールを含み得る。ヒートシンクモジュールは、吸気室に流体接続される吸気ポート、吸気室を排気室に流体接続する複数の開口部、及び排気室に流体接続される排気ポートを含み得る。圧力がかかった冷却剤がヒートシンクモジュールの吸気室に提供された場合、開口部は冷却剤のジェットストリームを、第１排気室中へ、冷却されるべき表面に対して放出し得る。
【背景技術】
【０００２】
サーバ設計において、ＧＰＵはますます高い電力が適用されている。現在、ＧＰＵの最高電力は、３００Ｗまでであるが、すぐに４００Ｗに増加するであろう。空気冷却だけによる現在のヒートシンク設計は、ユニットの温度を仕様に至らせるべく、あまりにも制限されすぎて、ＧＰＵ間の温度差を解消することができない。
【０００３】
最新のタイプの例として、図１Ａ（従来技術）の概略レイアウトに示されるように、サーバに８ピースのＧＰＵモジュールが設置される。図１Ａの斜視図は、図１Ｂ（従来技術）に示される。ＧＰＵヒートシンクのために２Ｕ〜３Ｕの高さの空間が存在する。前部の４つのＧＰＵと、後部の４つのＧＰＵとの配置が、図１Ａ及び図１Ｂに示されている。図１Ａにおけるファン１２の配置から分かるように、矢印９の方向の最初の冷却用空気は、４つのＧＰＵの１番目の列を通り過ぎて、それらを仕様まで冷却することとなる。しかしながら、冷却用空気により拾われた熱により、４つのＧＰＵの２番目の列の冷却が小さくなるという結果になる。図２（従来技術）に示されるように、ＧＰＵの１番目の列と２番目の列との間に温度差が存在する。ＧＰＵの前列の温度は、この冷却用空気の予熱に起因して、後ろの２番目の列のＧＰＵの温度より６〜１１oＣ低いオーダーとなるであろう。それゆえ、この設計において、以下の問題が存在する：
（ａ）不十分な温度分布は、最悪の位置に配置されたＧＰＵを７１．８oＣで動作させること；
（ｂ）ＧＰＵのサポートの熱的な制限；及び
（ｃ）最悪の位置にあるＧＰＵを温度仕様の状態に至らせようとすると、ファンの消費電力が高くなること。
【０００４】
本開示は、ファンの消費電力を増加させることなく、ＧＰＵ間の温度差を低減する構造及び方法を提供する。
【発明の概要】
【０００５】
本開示の１つの実施形態において、拡張ヒートシンク構造は、８ピースのＧＰＵサーバに配置されるＧＰＵの間のより均一な冷却を可能にする。
【０００６】
別の実施形態において、ＧＰＵの間の温度差を低減すべく異なる空気冷却通路へと分離される上方及び下方ヒートシンクが提供される。
【０００７】
さらなる実施形態において、冷媒が管内に充填され、 管は拡張ヒートシンクに組み込まれる熱サイフォンソリューションが採用される。
【０００８】
本開示は、以下の利点を有する最良の熱設計を提供する：
（ａ）冷却用空気の予熱をしないこと、及びＧＰＵの前列と後列との間の温度差が３oＣに低減された状態で、温度分布が均一であること；
（ｂ）ヒートシンクの伝熱効率が最良であること；
（ｃ）最悪の場合の温度位置を６５oＣに低減すること；及び、
（ｄ）ファンの消費電力が低下すること。
【０００９】
本開示のこれらの及び他の利点は、添付の図面と併せて読み取られた場合、詳細な説明に関連してより良く理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】（従来技術）従来技術による冷却ファンに関して８ピースのＧＰＵレイアウトの略図である。
【００１１】
【図１Ｂ】（従来技術）従来技術による図１Ａの８ピースのＧＰＵレイアウトの斜視図である。
【００１２】
【図２】（従来技術）図１Ａ及び図１Ｂの８ピースのＧＰＵレイアウトの個別のＧＰＵの動作温度の概略図である。
【００１３】
【図３】第１実施形態による８ピースのＧＰＵ構造のヒートシンク構造の斜視図である。
【００１４】
【図４】図３の８ピースのＧＰＵ構造の概略側面図である。
【００１５】
【図５】ＧＰＵの１番目の列１１のための冷却システムの第２実施形態の概略側面図である。
【００１６】
【図６】本開示の実施形態による図３の８ピースのＧＰＵレイアウトの個別のＧＰＵの動作温度の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明は、添付の図面を参照して説明され、同様な参照符号は、図面に全体にわたって同様又は同等の要素を示すように使用される。図は縮尺通りに描かれてはおらず、単に本発明を説明すべく提供される。本発明のいくつかの態様が、説明のための応用例を参照して、以下に説明される。多数の具体的な詳細、関係、方法が、発明の全体的な理解を提供すべく記載されることが、理解されるべきである。しかしながら、当業者は、本発明が、１又は複数の具体的な詳細がなく、あるいは他の方法で実行され得ることを容易に認識するであろう。他の例において、周知の構造及び動作は、本発明を不明瞭にすることを回避すべく、詳細には示されていない。本発明は動作又はイベントの示された順序によっては限定されない。なぜなら、いくつかの動作は、異なる順序で生じ得、及び／又は、他の動作又はイベントと同時に生じ得るからである。さらに、示された動作又はイベントの全てが、本発明に従うやり方を実施するために必要とは限らない。
【００１８】
従来技術による８ピースのＧＰＵサーバ１０が、図１Ａ及び１Ｂに示される。サーバ１０において、ファン１２は、サーバ１０に含まれる個別のＧＰＵと関連付けられたヒートシンクを通じて、矢印９の方向に冷却用空気の流れを提供する。ヒートシンクは、フィン付きのヒートシンクなどの従来のヒートシンクであり、各々がそのそれぞれのＧＰＵと関連付けられる。個別のＧＰＵは、各々がその個別に関連付けられたヒートシンクを有した状態で、ＧＰＵ１３、１４、１５及び１６をそれぞれ含む前列１１と、ＧＰＵ１８、１９、２０及び２１をそれぞれ含む後列又は２番目の列１７との２列に配置される。ＧＰＵの各々は、サーバ１０のその他のヒートシンクと同じ高さでヒートシンクを含む。従って、ヒートシンクは全て、同じ冷却用空気の流れがぶつかる。
【００１９】
冷却用空気は、ＧＰＵ１３、１４、１５及び１６を含む１番目の列１１にぶつかり、これらのＧＰＵを動作温度仕様まで、かつその範囲内に冷却するであろう。しかしながら、冷却用空気は、ＧＰＵ１８、１９、２０及び２１の２番目の列１７に冷却用空気が到達する前にＧＰＵの１番目の列１１により予熱されるであろう。１番目の列１１を通り過ぎる冷却用空気により運ばれる追加の熱が、ＧＰＵの２番目の列１７にぶつかるので、冷却効率はピーク値又は最適値にならないことを意味することとなる。
【００２０】
図２において分かるように、たとえ両方の列が、同じ冷却用空気を受けても、たとえ全てのＧＰＵが同じ電力レベルで動作しているとしても、ＧＰＵの１番目の列１１と、ＧＰＵの２番目の列１７との間で６oＣ−１１oＣ間の温度差が存在する。冷却用空気の非効率さはまた、ＧＰＵの１番目の列１１を通り過ぎるときの冷却用空気の予熱によって引き起こされるだけでなく、予熱が冷却用空気の温度を上げるのみならず、ＧＰＵの２番目の列１７にぶつかる冷却用空気の非効率さをさらに引き起こす冷却用空気の流れの渦も生じさせるためでもある。２番目の列のＧＰＵの温度は、個別のＧＰＵを温度仕様から外れて動作させ、さらにＧＰＵサーバ１０の出力を悪化させる。
【００２１】
従来技術の８ピースのＧＰＵサーバの温度差を克服すべく、出願人は、図３に分かるように、８ピースのＧＰＵサーバ３０の構造を作り出した。ファン１２により矢印９の方向に作り出される冷却用空気の流れは今まで通りに、サーバ３０の個別のＧＰＵを通過される。しかしながら、出願人は、ヒートシンクの前列とヒートシンクの後列とを異なる空気冷却通路に分離した。
【００２２】
異なる冷却用通路の１つの実施形態は、図４の概略側面図に示され、ＧＰＵヒートシンクの（図２）の前列１１は、１Ｕから１．５Ｕの高さであるが、拡張した後部のＧＰＵヒートシンクより低い位置に設計されている。後部のＧＰＵヒートシンクは、１．５Ｕから２．０Ｕの上方位置に設計され、それにより、ハウジング４８内の異なる冷却用空気の通路に上方ヒートシンク及び下方ヒートシンクを配置する。別の実施形態は、１番目の列のヒートシンクと２番目の又は最後の列のヒートシンクとを、１番目の列のためのヒートシンクに近接して、又はそれの近傍に最後の列のためのヒートシンクを設置することにより、異なる流路ではあるが、異なる冷却用空気の流路に設置するものである。
【００２３】
さらに、冷却の効率をさらに改善すべく、空気の流れは、拡張ヒートシンクと２番目の列のＧＰＵとの間に接続される熱サイフォン冷却システムの提供により増大される。
【００２４】
図４を具体的に参照すると、ＧＰＵの配置がマザーボード４０上に支えられ、ＧＰＵ２１のための拡張ヒートシンク４２は、ＧＰＵ１６のために低く設置されたヒートシンクを通じた冷却用空気の流路より上の高さで冷却用空気の流路９に設置される。加えて、熱サイフォンシステムの形をした冷却システムは、全体的に４３で示され、拡張ヒートシンク４２と結合してチャンバ又は容器４４を備える。ＧＰＵ２１はまた、１対の導管４６、４７により容器４４に動作可能に接続されるチャンバ又は容器４５を含む。冷却システム４３の冷媒は、水などの任意の知られている冷却剤であり得、又は以下で詳細に論じられる冷媒などの、水の沸点より低い温度で沸騰する他の液体であり得る。ＧＰＵ２１の加熱により作り出される蒸気は、それが容器４４に到達し、そこで液化するまで矢印の方向に導管４７を通じて流れる。容器４４の液化された冷却剤は、導管４６を通じて容器４５へと矢印４９の方向に重力により流れ、容器４５で再度加熱及び蒸気化される。拡張ヒートシンクの同様な配置は、ＧＰＵ２１のために示される同じ態様において後列ＧＰＵ２０、１９及び１８ごとに存在することは、理解されるべきである。
【００２５】
本実施形態による改良された冷却構造のさらなる改良版において、ＧＰＵの１１の前列（図２において）はまた、図５に示されるように、図４と関連して論じられるものと構造及び機能が類似する熱サイフォンシステムの形をした冷媒システムが提供される可能性がある。図５に示されるように、拡張ヒートシンク４２及び冷却システム４３の同じ配置が、図４と関連して説明されるように提供される。しかしながら、同様に熱サイフォンシステムの形をした追加の冷却システム５３が、ＧＰＵ１６により例示されるように、ＧＰＵの前列に対して提供される。ＧＰＵ２１により例示されるＧＰＵの２番目の列のための冷却システム４３の機能に類似して、冷却システム５３は、ＧＰＵの１番目の列に対して提供される。拡張ヒートシンク５２の容器５４は、水などの冷却剤、又は冷媒などの、水より低い温度で沸騰する任意の液体を含む。例えば、Ｒ１３４ａ、Ｒ２２、Ｒ１２、Ｒ４０７ｃ、Ｒ４１０ａなど、及びそれらの組み合わせの冷媒が利用され得るが、Ｒ１３４ａが望ましい。容器５４は、ＧＰＵ１６と関連付けられる容器５５に接続される。容器５４及び５５は、導管５６及び５７によりそれぞれ動作可能に接続され、蒸気がＧＰＵ１６による加熱に起因して容器５５を出て、蒸気が容器５４において液化するまで導管５７を通って移動する。次に、液化された液体冷媒は、容器５５に到達するまで導管５６を通って重力により流れ、サイクルが再び始まる。図示は、導管４６、４７、５６及び５７に対して提供されているが、実際には、ヒートシンクは、フィンの冷却効率を改善すべく、導管が目に入らないようにフィンによって囲まれ得、ヒートシンクは、全体が現れる場合がある。
【００２６】
図３に示される個別のＧＰＵのために図６の概略的な温度分布に示されるように、本実施形態による拡張ヒートシンクの使用により、ＧＰＵの１番目の列１１と２番目の列１７との間の温度差は、約３oＣ以下に低下する。従って、冷却ファンの消費電力を増大させることなく、個別のＧＰＵの動作温度は、低減され得、ＧＰＵの動作仕様内に維持され得る。
【００２７】
我々は２列での８つのユニットの配列において熱を発生するＧＰＵを例示したが、本明細書において開示される原理は、サーバの熱源である、２又はそれより多い列に配置される８又はそれより多いユニットを備える熱を発生する電子デバイスを有する任意のデバイスに適用可能である。そのため、本開示の教示が、ＣＰＵの冷却などの、他の熱を発生する電子デバイスの冷却に適用され得ることは、当業者により考慮されるべきである。
【００２８】
本明細書に用いられる用語は、特定の実施形態を説明するという目的のためだけのものであり、本発明を限定しようとする意図はない。本明細書に使用されるように、単数形"ａ"、"ａｎ"及び"ｔｈｅ"は、文脈が明らかに逆のことを示していない限り、複数形も同様に含むことが意図される。さらに、用語「"ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ"（含み）」、「"ｉｎｃｌｕｄｅｓ"（含む）」、「"ｈａｖｉｎｇ"（有し）」、「"ｈａｓ"（有する）」、「"ｗｉｔｈ"（有する）」、又はそれらの異形が、詳細な説明及び／又は特許請求の範囲のいずれかで使用される限り、そのような用語は、用語「"ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ"（備え）」と同様に包括的であることが意図される。
【００２９】
別途定められない限り、本明細書で用いられる全ての用語（技術的用語及び科学的用語を含む）は、本発明が属する当業者が普通に理解する意味と同じ意味を有する。一般に使用されている辞書において定義されるような用語は、関連技術の文脈にてそれらの意味と矛盾しない意味を有するものと解釈されるべきであり、本明細書においてそのように明示的に定義されない限り、理想的あるいは、過度に形式的な意味に解釈されないことがさらに理解されるであろう。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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