इलेक्ट्रॉनिक्स प्रणालियों के लिए शीतलन तकनीकें और रणनीतियाँ

चित्र 1: 60W+ Kintex-7 FPGA और अंदर दोहरे 25W डॉटरकार्ड के साथ एक मजबूत IP67 आउटडोर सॉफ़्टवेयर-परिभाषित रेडियो

जैसे-जैसे कंप्यूटिंग शक्ति अधिक उन्नत होती जाती है, मशीनों को ठंडा करने की आवश्यकताएं अधिक चुनौतीपूर्ण होती जाती हैं। लेकिन विशेष रूप से उन्नत कंप्यूटिंग सिस्टम के लिए एआई सिस्टम के साथ, अधिक जटिल शीतलन विधियों को नियोजित करने की आवश्यकता है। ये सिद्धांत दूरसंचार, एआई, नेटवर्किंग, परीक्षण और माप, अंतरिक्ष, उपग्रह और चिकित्सा सहित कई बाजारों में लागू होते हैं।

मॉड्यूलर ओपन सिस्टम

बैकप्लेन-आधारित डिज़ाइनों के लिए, विशेष रूप से रक्षा अनुप्रयोगों में, मॉड्यूलर ओपन सिस्टम दृष्टिकोण (एमओएसए) इंटरऑपरेबल घटकों और मानकीकृत इंटरफेस को बढ़ावा देता है, जिससे सिस्टम को प्रमुख रीडिज़ाइन के बिना समय के साथ अपग्रेड या पुन: कॉन्फ़िगर करने की अनुमति मिलती है। परिणामस्वरूप थर्मल समाधानों को तेजी से घने प्रोसेसर द्वारा उत्पादित गर्मी का प्रबंधन करते हुए मानकीकृत मॉड्यूल प्रारूपों के भीतर काम करना चाहिए। इस खुले मानक दृष्टिकोण का उपयोग किनारे पर एआई के लिए भी किया जाता है। शीतलन दृष्टिकोण काफी हद तक उस अनुप्रयोग पर निर्भर करता है जहां सिस्टम रखा जाएगा।

डेटासेंटर में आम तौर पर अधिक स्थान उपलब्ध होता है और एक नियंत्रित वातावरण होता है, जो शीतलन दृष्टिकोण में अधिक लचीलापन प्रदान करता है। फ़ोर्स्ड-एयर दृष्टिकोण सबसे आम और लागत प्रभावी में से एक है। कम से मध्यम झटके/कंपन वाले अन्य 19-इंच रैकमाउंट डिज़ाइन अक्सर मजबूर वायु शीतलन का उपयोग करेंगे।

ऐसे वातावरण में जहां पर्यावरण पर कम नियंत्रण होता है, यानी धूल, नमी, या नमक-कोहरा, या सर्विसिंग के दौरान इलेक्ट्रॉनिक्स उजागर हो सकते हैं, बाड़े की प्रणाली पूरी तरह से खुले वायु प्रवाह पर निर्भर नहीं रह सकती है। इसके बजाय, इसे मॉड्यूल से गर्मी को हटाने और इसे प्लेटफ़ॉर्म संरचना या नियंत्रित एयरफ़्लो चैनलों में स्थानांतरित करने के लिए एक सीलबंद चेसिस, कंडक्शन कूलिंग या उन्नत एयरफ्लो तकनीकों का उपयोग करना चाहिए। उदाहरण के लिए, एक स्वायत्त वाहन में एम्बेडेड सिस्टम को भी समान चुनौतियों का सामना करना पड़ सकता है और स्थान/शक्ति/वजन सभी सीमित हैं।

चालन शीतलन

ओपनवीपीएक्स एक व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला हार्डवेयर आर्किटेक्चर है, जो रक्षा अनुप्रयोगों में MOSA का समर्थन करता है। ये खुले मानक सिस्टम उच्च-प्रदर्शन कंप्यूटिंग मॉड्यूल को एक कॉम्पैक्ट चेसिस में पैक करते हैं, जिन्हें अक्सर विमान, जमीनी वाहनों या नौसेना प्रणालियों में तैनात किया जाता है। ये वातावरण उपलब्ध वायु प्रवाह, आकार, वजन और शक्ति पर सख्त सीमाएँ लगाते हैं।

कंडक्शन-कूलिंग उच्च विश्वसनीयता प्रदान करता है (पंखे विफलता का एक महत्वपूर्ण बिंदु हैं और रखरखाव, फ़िल्टरिंग आदि की आवश्यकता हो सकती है)। इसलिए, चालन-शीतलन का उपयोग करने वाले पंखे रहित डिज़ाइन को अक्सर नियोजित किया जाता है। ये सिस्टम हीट-सिंक का उपयोग करते हैं, जो मूल रूप से एल्यूमीनियम और/या तांबे के बड़े टुकड़े होते हैं जो इलेक्ट्रॉनिक्स से गर्मी को दूर ले जाते हैं। अक्सर वे पंखदार (चित्र 1 देखें) बाहरी क्षेत्र के साथ इंटरफेस करते हैं, जो गर्मी को खत्म करने के लिए अधिक सतह क्षेत्र प्रदान करता है। इस दृष्टिकोण में सीमा यह है कि पंखे रहित प्रणाली में केवल उतनी ही गर्मी नष्ट हो सकती है। आप हीटसिंक में अधिक धातु जोड़ सकते हैं, लेकिन सिस्टम को ठंडा करने का प्रभावी क्षेत्र जल्दी कम हो जाता है। पंखों को लंबा करना भी एक ह्रासमान प्रतिफल है। इसलिए, जैसे-जैसे सिस्टम में प्रसंस्करण शक्ति बढ़ती रहती है, एक हाइब्रिड दृष्टिकोण की अक्सर आवश्यकता होती है।

चित्र 2: एटीआर थर्मल मॉडल सिस्टम में 800W को ठंडा करने के लिए सिम्युलेटेड 3यू ओपनवीपीएक्स मॉड्यूल के लिए एक एमआईएल मजबूत चेसिस दिखाता है।

एयर-ओवर-कंडक्शन कूलिंग के लिए एम्बेडेड सिस्टम में हाइब्रिड कूलिंग दृष्टिकोण का तेजी से उपयोग किया जा रहा है। इस कॉन्फ़िगरेशन में गर्मी को घटकों से मॉड्यूल फ्रेम या वेज लॉक तक संचालित किया जाता है, जिससे गर्मी को पंख या विस्तारित सतहों तक संचालित किया जाता है। फिर हवा का प्रवाह गर्मी को दूर करने के लिए इन पंखों से होकर गुजरता है। यह विधि वायु प्रवाह द्वारा प्रदान किए गए बेहतर थर्मल ट्रांसफर के साथ चालन शीतलन की विश्वसनीयता को जोड़ती है। चित्र 2 कई ओपनवीपीएक्स बोर्डों को लोड करने के लिए एक हवाई परिवहन रैक संलग्नक दिखाता है। थर्मल मॉडल सिस्टम में 800W तक एयरफ्लो-ओवर-फिन दृष्टिकोण में शीतलन दिखाता है।

उन्नत शीतलन

जबकि 10-स्लॉट 3यू ओपनवीपीएक्स चेसिस में 800W कूलिंग बहुत है, उस फॉर्म फैक्टर में कई मॉड्यूल हैं जो 185W या अधिक हैं। वीआईटीए 100 जैसे नए आर्किटेक्चर ओपनवीपीएक्स के प्रदर्शन को आठ गुना तक लाने के लिए विकास में हैं और इसका मतलब है कि बड़ी मात्रा में गर्मी को नष्ट करना है।

इससे भी आगे जाने के लिए कुछ उच्च-प्रदर्शन प्रणालियों में वायु प्रवाह (एएफटी) विधि का उपयोग किया जाता है। मॉड्यूल के बाहर से हवा गुजारने के बजाय एएफटी हवा को बोर्ड की आंतरिक संरचना से गुजारता है। OpenVPX-आधारित सिस्टम के लिए कई उप-विनिर्देश हैं, जिनमें VITA 48.5, VITA 48.9 और VITA 48.8 शामिल हैं। ये संयुक्त विशिष्टताएँ विभिन्न स्लॉट पिचों की अनुमति देती हैं। प्रति इंच पिच में सटीक सुधार की गणना करना कठिन है, लेकिन 50% थर्मल अपव्यय सुधार एक उचित नियम है।

चित्र 3: वीआईटीए 48.5 एयर फ्लो थ्रू मॉड्यूल के लिए विकास परिक्षेत्र का निचला आधा भाग

हालाँकि, एएफटी को सावधानीपूर्वक डिजाइन किए गए एयरफ्लो चैनलों और सटीक चेसिस संरेखण की आवश्यकता होती है ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि एयरफ्लो पथ निर्बाध रहें। शीतलन दृष्टिकोण के लिए नए मॉड्यूल और बाड़ों को विकसित करने की आवश्यकता है। चित्र 3 उच्च-शक्ति बोर्डों के प्रोटोटाइप के लिए एएफटी कार्ड गाइड के साथ ओपनवीपीएक्स के लिए परीक्षण/विकास चेसिस का एक उदाहरण दिखाता है।

तरल पदार्थ का प्रवाह

कुछ प्रणालियों की वाट क्षमता को एएफटी द्वारा प्रदान की जा सकने वाली क्षमता से भी अधिक करने की आवश्यकता हो सकती है। इसके अलावा, सभी अनुप्रयोगों में हवा की सुविधा नहीं होती है। जैसे-जैसे ऊंचाई बढ़ती है, हवा पतली होती जाती है, इसलिए वायु-आधारित दृष्टिकोण के सीमित परिणाम होंगे। कंप्यूटिंग प्रणाली के लिए उपलब्ध कराए गए स्थान की सीमा में पर्याप्त हवा का प्रवेश/निकास होना हमेशा व्यावहारिक नहीं होता है। लिक्विड फ्लो थ्रू (एलएफटी) कूलिंग के लिए कुछ विकल्प हैं, जिनमें शामिल हैं:

• मॉड्यूल के माध्यम से तरल प्रवाह – वीआईटीए 48.4 के अनुसार तरल मॉड्यूल से होकर गुजरता है
• साइडवॉल के माध्यम से तरल प्रवाह – तरल चेसिस के साइडवॉल से होकर गुजरता है, जिससे मानक वीआईटीए 48.2 कंडक्शन-कूल्ड मॉड्यूल को प्लग इन किया जा सकता है।

चित्र 4 वीआईटीए 48.4 मॉड्यूल के लिए ओपन फ्रेम टेस्ट/डेवलपमेंट चेसिस के लिए एलएफटी कार्ड गाइड का एक उदाहरण दिखाता है। एलएफटी विशेष रूप से उच्च-शक्ति रडार प्रोसेसिंग, सिग्नल प्रोसेसिंग, या एआई त्वरण वर्कलोड में उपयोगी है।

चित्र 4: वीआईटीए 48.4 ओपनवीपीएक्स मॉड्यूल के लिए एक लिक्विड फ्लो थ्रू मॉड्यूल विनिर्देश है

हालाँकि, तरल शीतलन अतिरिक्त जटिलता का परिचय देता है, जिसमें पंप, पाइपलाइन, सील और रखरखाव संबंधी विचार शामिल हैं। इस कारण से एलएफटी का उपयोग आम तौर पर उन प्रणालियों में किया जाता है जहां बिजली घनत्व वायु-आधारित शीतलन विधियों से अधिक हो सकता है।

थर्मल प्रबंधन एम्बेडेड सिस्टम डिज़ाइन का एक महत्वपूर्ण पहलू है, विशेष रूप से मजबूत MOSA-आधारित आर्किटेक्चर के लिए। नियंत्रित डेटासेंटर वातावरण के विपरीत, सैन्य और एयरोस्पेस सिस्टम को विश्वसनीय प्रदर्शन बनाए रखते हुए चरम स्थितियों को संभालना होगा।

फोर्स्ड एयर और एयर-ओवर-कंडक्शन दृष्टिकोण से लेकर एएफटी और एलएफटी जैसी उन्नत तकनीकों तक, इंजीनियरों के पास शीतलन रणनीतियों की एक श्रृंखला उपलब्ध है। सही विधि का चयन बिजली घनत्व, पर्यावरणीय बाधाओं और सिस्टम वास्तुकला पर निर्भर करता है।

देखें: लिक्विड कूलिंग में नवाचार डेटासेंटर में क्रांति ला रहा है