散熱概念增強(qiáng)了DRAM內(nèi)存子系統(tǒng)設(shè)計

存儲器設(shè)計人員可以使用一系列簡單但功能強(qiáng)大的熱概念來減輕熱量并設(shè)計更好的存儲器子系統(tǒng)。

控制與CPU相關(guān)的散熱問題通常是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人員的首要任務(wù)。但是，內(nèi)存模塊并不一定不那么重要。熱管理問題在嵌入式環(huán)境中提出了具有挑戰(zhàn)性的設(shè)計考慮因素，需要知識、精度和創(chuàng)造力來診斷和克服存儲器子系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)。

過去，內(nèi)存并不像設(shè)計人員對CPU那樣復(fù)雜，也不需要像設(shè)計人員那樣給予熱關(guān)注。由于CPU需要冷卻，芯片組配備了散熱器作為生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。相比之下，內(nèi)存模塊只需要輕微的氣流調(diào)整即可控制溫度。但是，隨著 DDR3 和 DDR4 技術(shù)在當(dāng)今 ??s 嵌入式設(shè)計中的速度不斷提高，內(nèi)存模塊設(shè)計非常復(fù)雜，也需要熱關(guān)注。

時鐘速度只是內(nèi)存運(yùn)行比以往更熱的原因之一?？蛻舡h(huán)境、整體設(shè)計選擇（如內(nèi)存模塊在電路板上的 ?? 位置、水平或垂直模塊方向）以及系統(tǒng)上的氣流量也會影響內(nèi)存模塊的 ?? 熱狀況。

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人員通常使用緊湊的電路板布局，需要近乎完美的工程設(shè)計才能實(shí)現(xiàn)完美的信號完整性和極致的性能。雖然存在其他設(shè)計問題，但成功的系統(tǒng)設(shè)計人員將內(nèi)存熱管理視為更高級別的設(shè)計問題，以跟上不斷發(fā)展的內(nèi)存技術(shù)和熱管理技術(shù)，以減少內(nèi)存模塊中的熱量。

存儲器設(shè)計人員可以使用一系列簡單但功能強(qiáng)大的熱概念來減輕熱量并設(shè)計更好的存儲器子系統(tǒng)。同樣，系統(tǒng)設(shè)計人員可以在創(chuàng)建設(shè)計時通過整合這些概念來增強(qiáng)產(chǎn)品。

熱火正開啟

存儲器設(shè)計人員首先選擇可減輕熱量并提供最佳整體散熱方案的存儲器模塊。將使用最少 DRAM 的模塊整合到最多數(shù)量的模塊等級中，可以實(shí)現(xiàn)所需的模塊密度并有效管理電源。待機(jī)模式下的 DRAM 越多，模塊消耗的功率就越少 - 通常通過使用具有最寬數(shù)據(jù)總線的 DRAM 來實(shí)現(xiàn)，如表 1 所示。例如，36 芯片四列 x8 DIMM 比 36 芯片兩列 x4 DIMM 使用更少的功率。

圖 1

再舉一個例子，一個512 MB的糾錯碼DIMM可以使用五個64x16 DRAM芯片，而不是九個64x8 DRAM，從而減少44%的熱量。由于數(shù)據(jù)表中為 64x16 和 64x8 DRAM 指定的 IDD 值的差異，實(shí)際減少量可能會略小。內(nèi)存設(shè)計人員通常會探索內(nèi)存控制器芯片組是否可以支持更寬的 DRAM 數(shù)據(jù)總線寬度。

總體而言，在非堆疊或沒有大型熱半導(dǎo)體的DRAM之間適當(dāng)間隔的內(nèi)存模塊將具有更好的熱特性。小型存儲器，如堆疊式超薄型存儲器或堆疊式 SODIMM，具有更高的功率密度（瓦特/面積），需要特殊考慮冷卻。由于板載高級內(nèi)存緩沖器，完全緩沖的 DIMM 也具有高功率密度，并且可能需要額外的冷卻輔助或氣流。

系統(tǒng)與內(nèi)存

熱傳感器是存儲器設(shè)計人員的關(guān)鍵工具。JEDEC‘??s標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，內(nèi)存模塊具有熱傳感器，可為用戶提供監(jiān)控和觸發(fā)機(jī)制，根據(jù)溫度波動調(diào)整系統(tǒng)性能。

根據(jù)定義的參數(shù)，系統(tǒng)可以發(fā)出擴(kuò)展模式寄存器設(shè)置命令，該命令將在+85?∞C的觸發(fā)溫度下將DDR2 DRAM上的內(nèi)部刷新率加倍至32毫秒（tREFI = 3.9微秒），以將DRAM工作溫度擴(kuò)展到+95?∞C。如果該功能不可用，設(shè)計人員可以在存儲器模塊上集成特殊編程，以擴(kuò)展溫度操作?；蛘?，系統(tǒng)可以使用閉環(huán)動態(tài)溫度節(jié)流和風(fēng)扇速度控制來優(yōu)化內(nèi)存性能。

這里的關(guān)鍵點(diǎn)是CPU管理內(nèi)存板’??s熱傳感器，這表明系統(tǒng)級和板級熱問題密切相關(guān)。系統(tǒng)‘??s BIOS讀取傳感器的輸出，并根據(jù)預(yù)編程的閾值評估性能選項，以確定可接受的溫度范圍。例如，如果內(nèi)存在有限的溫度下運(yùn)行，系統(tǒng)熱量監(jiān)控器會提醒管理員溫度高于定義的閾值，提示他們采取必要的步驟來降低溫度，例如檢查處理器和機(jī)箱風(fēng)扇，解決可能阻塞的任何機(jī)箱氣流通風(fēng)口，或添加另一個機(jī)箱風(fēng)扇。

氣流很重要

氣流是內(nèi)存的一個簡單但關(guān)鍵的問題;主要目標(biāo)是避免將預(yù)熱的空氣直接吹過內(nèi)存子系統(tǒng)。只要有可能，設(shè)計人員就應(yīng)將內(nèi)存子系統(tǒng)放置在處理器的側(cè)面，并置在處理器’??s 散熱器或其他熱組件（如電源或芯片組）產(chǎn)生的暖空氣流之外。環(huán)境進(jìn)氣應(yīng)均勻地流過內(nèi)存子系統(tǒng)和其他熱組件（如處理器）。

模塊之間的氣隙太小可能會從氣流路徑內(nèi)物理受阻的 DIMM 模塊產(chǎn)生氣流背壓。這可能導(dǎo)致氣流壓降沿 DIMM 的側(cè)面，導(dǎo)致氣流減少，或者可能將氣流轉(zhuǎn)移出去或繞過整個內(nèi)存子系統(tǒng)。DIMM 插座從中心到中心的間距應(yīng)為 10 mm 或更大。

通常，最大化氣流會將熱量從內(nèi)存中抽出。如果聲學(xué)噪聲不是問題，設(shè)計人員應(yīng)使用鼓風(fēng)機(jī)或雙風(fēng)扇來優(yōu)化氣流。通過抽取排氣點(diǎn)處的熱空氣可以最好地實(shí)現(xiàn)具有最小壓降的氣流，但也可以通過在進(jìn)氣點(diǎn)將空氣推入來改善。充氣室、管道或護(hù)罩可用于引導(dǎo)和容納通過內(nèi)存子系統(tǒng)的氣流，平行于 DIMM 的最長側(cè)和兩側(cè)流動。這些外殼可能允許較慢的風(fēng)扇速度，噪音較小，并且不會影響氣流。

內(nèi)存模塊可以設(shè)計為允許氣流穿過 DIMM 的短側(cè)，從而消除熱量拖過 DIMM 的長側(cè)。這種類型的夾層連接器技術(shù)不會將太多的 DRAM 暴露在來自上游 DRAM 的預(yù)熱空氣中。

如果主板或系統(tǒng)主板平整安裝并垂直于重力線，則內(nèi)存的最佳方向是垂直安裝，因為熱空氣沿著重力線上升。垂直 DIMM 方向可防止熱量被困在內(nèi)存模塊的下部底部。如果無法進(jìn)行垂直安裝，則傾斜安裝 DIMM 方向?qū)⑹芤嬗趩蝹?cè) DIMM，其中 DRAM 組件安裝在頂部。這也適用于平放在系統(tǒng)主板上的內(nèi)存DIMM。

設(shè)計人員應(yīng)選擇具有 DRAM 放置位置的模塊，該模塊不允許所有 DRAM 器件同時在同一側(cè)處于活動狀態(tài)。在內(nèi)存模塊的每一側(cè)交替放置 DRAM 的模塊將均勻地分散 DIMM 周圍的熱量。如果 DIMM 的一側(cè)的氣流受到限制，則僅將 DRAM 放在具有最大氣流的一側(cè)的內(nèi)存模塊在較高溫度下的性能會更好。圖1說明了交替DRAM等級技術(shù)如何減少熱影響。

圖 2

散熱器等

散熱器是放置在內(nèi)存模塊表面的金屬蓋，用于將熱量均勻地分散在表面上，并通過去除局部熱點(diǎn)來平衡表面溫度。散熱器由熱導(dǎo)材料（如銅或鋁）制成，形狀為包裹在內(nèi)存模塊周圍的蛤殼形狀。

如果空間允許，放置在內(nèi)存?zhèn)缺砻婧?或內(nèi)存模塊頂邊緣的散熱器將最大限度地從模塊中抽取熱量。散熱器在不影響氣流的情況下向內(nèi)存模塊增加的額外表面積決定了其整體效果。

導(dǎo)熱PCB和PCB芯也是有效的選擇。這些金屬或碳復(fù)合材料層壓層嵌入到存儲器PCB的結(jié)構(gòu)中，使其比標(biāo)準(zhǔn)FR-4運(yùn)行溫度更低。這些層還通過去除局部熱點(diǎn)（如鎖相環(huán)）來均衡元件溫度。通過熱器件下的孔將熱量傳導(dǎo)到磁芯中而產(chǎn)生的許多熱點(diǎn)并不少見。這些磁芯反過來將熱量傳導(dǎo)到模塊的邊緣手指中，并可以帶到PCB的頂部邊緣，使其暴露于散熱器或散熱器中。這種類型的PCB的頂部邊緣具有DIM的內(nèi)部散熱芯，連接到模塊頂部的集成散熱器，從而增加了DIMM的額外高度。

在制造過程中，內(nèi)存模塊可以在運(yùn)行客戶??診斷軟件的客戶??系統(tǒng)中在高溫下進(jìn)行測試。這種主動老化將屏蔽潛在的弱模塊。無源老化（在未通電的模塊上）對篩選出具有弱電池的DRAM沒有影響，因為DRAM電池是基于半導(dǎo)體的電容器，需要不斷充電或刷新以保留二進(jìn)制信息。某些內(nèi)存模塊可使用經(jīng)過篩選的 DRAM，擴(kuò)展工作溫度范圍為 -40 ?∞C ‘? tcase ’?§ +95 ?∞C。這是一個特殊項目，并非所有 DRAM 供應(yīng)商都提供工業(yè)溫度 DRAM 作為商業(yè)溫度 （0 ?∞C‘ - Tcase ’1§ +85? ∞C） 的選件。

熱問題無處不在

熱管理問題隨著內(nèi)存技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，并成為嵌入式系統(tǒng)可靠性和性能的關(guān)鍵。系統(tǒng)設(shè)計人員和內(nèi)存子系統(tǒng)設(shè)計人員之間的設(shè)計動態(tài)也在不斷發(fā)展，可能會影響為耐用性和性能而構(gòu)建的設(shè)計。值得信賴的系統(tǒng)級和板級合作伙伴關(guān)系，以及對與 DRAM 內(nèi)存模塊相關(guān)的當(dāng)前熱概念的更多了解，可以對最終產(chǎn)品的成功產(chǎn)生重大影響。

將 DRAM 內(nèi)存模塊的散熱考慮因素作為經(jīng)過驗證的系統(tǒng)設(shè)計原則的一部分，可以使設(shè)計人員對提高散熱性能的方法有更深入的了解。一般設(shè)計考慮因素和替代散熱選項可以創(chuàng)建一個成功的內(nèi)存子系統(tǒng)設(shè)計，有效地滿足嵌入式環(huán)境中高內(nèi)存帶寬、大內(nèi)存密度、小物理空間和低成本的系統(tǒng)要求。

審核編輯：郭婷