控制與 CPU 相關(guān)的熱問題通常是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的首要任務(wù)。但是，內(nèi)存模塊不一定不那么重要。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(jì)考慮，需要知識(shí)、精度和創(chuàng)造力來診斷和克服內(nèi)存子系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)。

過去，內(nèi)存沒有那么復(fù)雜，也不像設(shè)計(jì)人員支付給 CPU 的那種熱關(guān)注度。由于 CPU 需要冷卻，因此芯片組配備了散熱器作為生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。相比之下，內(nèi)存模塊只需要微調(diào)氣流即可控制溫度。但隨著 DDR3 和 DDR4 技術(shù)在當(dāng)今嵌入式設(shè)計(jì)中速度的提高，內(nèi)存模塊設(shè)計(jì)變得復(fù)雜，并且還需要注意散熱問題。

時(shí)鐘速度只是內(nèi)存比以往更熱的原因之一?？蛻舡h(huán)境、整體設(shè)計(jì)選擇（例如內(nèi)存模塊）、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(huì)影響內(nèi)存模塊的熱狀況。

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)，以實(shí)現(xiàn)完美的信號(hào)完整性和出色的性能。盡管存在其他設(shè)計(jì)問題，但成功的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將內(nèi)存熱管理視為更高級(jí)別的設(shè)計(jì)問題，與不斷發(fā)展的內(nèi)存技術(shù)和熱管理技術(shù)保持同步，以減少內(nèi)存模塊中的熱量。

內(nèi)存設(shè)計(jì)人員可以使用一系列簡單但強(qiáng)大的散熱概念來減輕熱量并設(shè)計(jì)更好的內(nèi)存子系統(tǒng)。同樣，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以通過在創(chuàng)建設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合這些概念來增強(qiáng)產(chǎn)品。

加熱器開著

內(nèi)存設(shè)計(jì)人員首先選擇能夠減輕熱量并提供最佳整體散熱方案的內(nèi)存模塊。將使用最少 DRAM 的模塊合并到最多的模塊列中可以實(shí)現(xiàn)所需的模塊密度并有效地管理電源。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。

圖1

再舉一個(gè)例子，一個(gè) 512 MB 的糾錯(cuò)碼 DIMM 可以使用五個(gè) 64x16 DRAM 芯片而不是九個(gè) 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 值不同，實(shí)際減少量可能會(huì)略少一些。內(nèi)存設(shè)計(jì)人員通常會(huì)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 DRAM 之間適當(dāng)間隔的內(nèi)存模塊，無論是非堆疊的還是沒有大型熱半導(dǎo)體的，都將具有更好的熱特性。小型內(nèi)存（例如堆疊式超薄型內(nèi)存或堆疊式 SODIMM）具有更高的功率密度（瓦特/面積），需要特別考慮冷卻。由于板載高級(jí)內(nèi)存緩沖區(qū)，全緩沖 DIMM 還具有高功率密度，并且可能需要額外的冷卻輔助裝置或氣流。

系統(tǒng)與內(nèi)存

熱傳感器是內(nèi)存設(shè)計(jì)人員的關(guān)鍵工具。JEDEC 的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定內(nèi)存模塊具有熱傳感器，為用戶提供監(jiān)控和觸發(fā)機(jī)制，根據(jù)溫度波動(dòng)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，在觸發(fā)溫度為 +85 ?∞C 時(shí)將 DDR2 DRAM 上的內(nèi)部刷新率加倍至 32 毫秒周期（tREFI = 3.9 微秒）以擴(kuò)展DRAM工作溫度至+95 ?∞C。如果該功能不可用，設(shè)計(jì)人員可以在內(nèi)存模塊上加入特殊編程以延長溫度操作?；蛘?，系統(tǒng)可以使用閉環(huán)動(dòng)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)鍵是 CPU 管理內(nèi)存板的熱傳感器，這表明系統(tǒng)級(jí)和板級(jí)熱問題密切相關(guān)。系統(tǒng)的 BIOS 讀取傳感器的輸出，并根據(jù)識(shí)別可接受溫度范圍的預(yù)編程閾值評(píng)估性能選項(xiàng)。例如，如果內(nèi)存超出限制溫度，系統(tǒng)熱監(jiān)控器會(huì)在溫度超過定義閾值時(shí)向管理員發(fā)出警報(bào)，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，解決任何機(jī)箱通風(fēng)口的問題?？赡鼙蛔枞?，或添加另一個(gè)機(jī)箱風(fēng)扇。

氣流很重要

氣流對(duì)于內(nèi)存來說是一個(gè)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(jì)人員應(yīng)將內(nèi)存子系統(tǒng)放置在處理器的側(cè)面，并位于處理器、散熱器或其他熱組件（如電源或芯片組）產(chǎn)生的熱空氣流之外。環(huán)境進(jìn)氣應(yīng)均勻地流過內(nèi)存子系統(tǒng)和處理器等其他熱組件。

模塊之間的氣隙太小可能會(huì)從氣流路徑內(nèi)物理阻塞的 DIMM 模塊產(chǎn)生氣流背壓。這可能導(dǎo)致 DIMM 側(cè)面的氣流壓力下降，從而導(dǎo)致氣流減少，或者可能將氣流轉(zhuǎn)移到整個(gè)內(nèi)存子系統(tǒng)周圍或周圍。DIMM 插槽的中心間距應(yīng)為 10 毫米或更大。

通常，最大化氣流會(huì)從內(nèi)存中提取熱量。如果噪音不是問題，設(shè)計(jì)師應(yīng)該使用鼓風(fēng)機(jī)或雙風(fēng)扇來優(yōu)化氣流。通過在排氣點(diǎn)抽取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)推入空氣來改善。增壓室、管道或護(hù)罩可用于引導(dǎo)和控制通過內(nèi)存子系統(tǒng)的氣流，平行于 DIMM 的最長邊和兩側(cè)流動(dòng)。這些外殼可能允許較慢的風(fēng)扇速度和較少的噪音，并且不會(huì)影響氣流。

內(nèi)存模塊可以設(shè)計(jì)為允許氣流通過 DIMM 的短邊，從而消除熱量從 DIMM 的長邊拖曳。這種夾層連接器技術(shù)不會(huì)將盡可能多的 DRAM 暴露在來自上游 DRAM 的預(yù)熱空氣中。

如果主板或系統(tǒng)板安裝為平坦且垂直于重力線，則內(nèi)存的最佳方向?qū)⑹谴怪卑惭b，因?yàn)闊峥諝庋刂亓€上升。垂直 DIMM 方向可防止熱量被困在內(nèi)存模塊的底部下方。如果無法垂直安裝，那么傾斜安裝的 DIMM 方向?qū)⑹芤嬗趩蚊?DIMM，DRAM 組件安裝在頂部。這也適用于平放在系統(tǒng)板上的內(nèi)存 DIMM。

設(shè)計(jì)人員應(yīng)選擇具有 DRAM 布局的模塊，該模塊不允許所有 DRAM 設(shè)備同時(shí)在同一側(cè)處于活動(dòng)狀態(tài)。在每個(gè)列的內(nèi)存模塊的每一側(cè)具有交替 DRAM 放置的模塊將均勻地分散 DIMM 周圍的熱量。如果 DIMM 一側(cè)的氣流受限，則僅將 DRAM 放置在氣流最大的一側(cè)的內(nèi)存模塊在較高溫度下的性能會(huì)更好。圖 1 說明了交替 DRAM 列的技術(shù)如何減少熱影響。

圖 2

散熱器等

散熱器是放置在內(nèi)存模塊表面上的金屬蓋，用于將熱量均勻地分散到整個(gè)表面，并通過消除局部熱點(diǎn)來平衡表面溫度。散熱器由導(dǎo)熱材料（例如銅或鋁）制成，呈蛤殼狀，包裹在內(nèi)存模塊周圍。

如果空間允許，放置在內(nèi)存?zhèn)让婧?或內(nèi)存模塊頂部邊緣的散熱器將最大限度地從模塊中提取熱量。散熱器在不影響氣流的情況下為內(nèi)存模塊增加的額外表面積決定了其整體效率。

導(dǎo)熱PCB和PCB芯也是有效的選擇。這些金屬或碳復(fù)合層壓層嵌入到內(nèi)存 PCB 的結(jié)構(gòu)中，使其運(yùn)行溫度低于標(biāo)準(zhǔn) FR-4。這些層還通過消除鎖相環(huán)等局部熱點(diǎn)來均衡組件溫度。通過熱器件下方的孔產(chǎn)生大量熱點(diǎn)以將熱量傳導(dǎo)到核心中的情況并不少見。這些核心依次將熱量傳導(dǎo)到模塊的邊緣指狀件中，并可被帶到 PCB 的頂部邊緣，使其暴露于散熱器或散熱器。此類 PCB 的頂部邊緣具有 DIMM 的內(nèi)部熱核心，連接到模塊頂部的集成散熱器，從而增加了 DIMM 的高度。

在制造過程中，內(nèi)存模塊可以在客戶、運(yùn)行客戶診斷軟件的系統(tǒng)中在高溫下進(jìn)行測試。這種主動(dòng)老化將篩選出潛在的薄弱模塊。被動(dòng)老化（在未通電的模塊上）對(duì)篩選具有弱單元的 DRAM 沒有影響，因?yàn)?DRAM 單元是基于半導(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 DRAM，其工作溫度范圍為 -40 ?∞C ≤ Tcase ≤ +95 ?∞C。這是一種特殊產(chǎn)品，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 ?+85?∞C） 的選項(xiàng)。

全面的熱問題

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(jì)師和內(nèi)存子系統(tǒng)設(shè)計(jì)師之間的設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)也在不斷發(fā)展，并可能影響為耐用性和性能而構(gòu)建的設(shè)計(jì)。值得信賴的系統(tǒng)級(jí)和板級(jí)合作伙伴關(guān)系以及對(duì)與 DRAM 內(nèi)存模塊相關(guān)的當(dāng)前熱概念的更深入了解可以使最終產(chǎn)品取得成功。

將 DRAM 內(nèi)存模塊的散熱考慮作為經(jīng)過驗(yàn)證的系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則的一部分，可以讓設(shè)計(jì)人員對(duì)提高散熱性能的方法有了新的理解。一般設(shè)計(jì)考慮因素和替代散熱選項(xiàng)可以創(chuàng)建成功的內(nèi)存子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有效滿足嵌入式環(huán)境中對(duì)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