(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
前記バイアス電圧を供給する電圧調整器と、
前記バイアス電圧を前記プロセッサに伝えるための、前記電圧調整器と前記プロセッサとの間の電気的結合と、
前記プロセッサと前記電圧調整器との間に熱伝達する状態で挟まれ、前記プロセッサ及び前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、
を備え、
前記冷却板の厚さは、２ミリメートル乃至７ミリメートルの範囲内にある、装置。
【請求項２】
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ステップと、
前記プロセッサと前記電圧調整器との間に熱伝達する状態で冷却板を挟むステップであって、前記プロセッサと前記電圧調整器とを分離する前記冷却板の厚さは、２ミリメートル乃至７ミリメートルの範囲内にある、ステップと、
前記冷却板を使用して前記プロセッサと前記電圧調整器とから同時に熱を吸収するステップと、
を含む、方法。
【請求項３】
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、
前記バイアス電圧を供給する電圧調整器と、
前記バイアス電圧を前記プロセッサに伝えるための、前記電圧調整器と前記プロセッサとの間の電気的結合と、
前記プロセッサと前記電圧調整器との間に熱伝達する状態で挟まれ、前記プロセッサ及び前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つの冷却板であって、該冷却板の厚さは、２ミリメートル乃至７ミリメートルの範囲内にある、少なくとも１つの冷却板と、
少なくとも１つのメモリと、
を備え、
サンドイッチ構造の前記プロセッサ、前記電圧調整器、および前記冷却板は、前記メモリとともに、プリント配線板によって支持される、装置。
【発明の詳細な説明】
【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」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」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
【図１】
0004275400.tif 000002
【図２】
0004275400.tif 000003
【図３】
0004275400.tif 000004