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计算机系统级热管理方法的研究
作 者: 刘明
导 师: 刘静;周一欣
学 校: 中国科学院研究生院(理化技术研究所)
专 业: 制冷及低温工程
关键词: 计算机热管理 系统级 热设计 流体网络建模 数值模拟 exergy分析 个人高性能计算机 分离热源 实用化 蒸汽压缩制冷 数据中心 嵌入式冷却 能效分析 热经济性
分类号: TB65
类 型: 硕士论文
年 份: 2009年
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内容摘要
随着社会信息化进程的加快,计算机技术的发展可谓一日千里。为了获得更快的计算速度和更大的存储容量,芯片的制作工艺不断改进,封装密度不断提高。尽管新技术对单个微器件功耗的降低起到了一定作用,但其已被集成度日益增加所导致的功耗上升完全抵消。因此,热障问题仍制约着当今计算机技术的发展。近年来,为弥补芯片级散热方案的不足,系统级热管理的思想逐步引起高度重视,由此引申出诸多问题亟待解决。本文以获取先进的热管理方案为目标,对应用于桌面计算机、笔记本电脑以及计算机集群的几种新型系统级热管理方法分别进行了理论或实验研究(或两者兼有),在如下几方面取得进展:1.高性能桌面计算机独立热流路径热管理方法的实验研究通过对传统的单一热流路径系统级风冷热管理方法进行数值模拟,分析了该方法在冷却能力和可用性(主要针对噪音)方面的局限。在实验组件的设计中,充分考虑了先前研究中存在的不足,完成了新方案的样机测试,对过程中出现的新问题提出了解决方案。最后通过与传统方案的对比,评估了新方案的先进性。2.笔记本电脑发热元件分离放置的数值模拟分别对笔记本电脑传统的系统级风冷方案和由本实验室前期提出的发热元件分离放置的方案进行了数值模拟。根据模拟的结果,具体分析了后者优于前者的原因所在,并提出了一些实用化解决方案,初步证明了该方案的可行性。3.嵌入机柜式热管理方案的可行性理论分析采用基于exergy损失的评估模型对作者专利中提出的嵌入机柜式系统级热管理方案进行了分析,重点研究了新方案在能量利用率方面的优越性。研究中,首先建立了部分数据中心的简化数值模型并进行了模拟,随后利用模拟结果进一步计算传统方案与新型方案各部分的exergy损失,最后定量分析了新方案的节能潜力,说明了其实用价值。4.嵌入机柜式热管理方案的实验研究组建了两种嵌入机柜式热管理方案的实验样机并采用模拟热源进行了实验测试。对实验过程中出现的新问题进行了理论分析,提出了解决和优化建议。分析了模型与样机间的差别,采用理论分析和数值模拟的方法对实验结果进行了修正,证明了该方案的可行性和实用性。
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全文目录
摘要 3-5 ABSTRACT 5-8 主要符号表 8-13 第一章 绪论 13-39 1.1 引言 13-16 1.2 个人计算机系统级热管理技术研究进展 16-24 1.2.1 台式电脑 16-18 1.2.2 笔记本电脑 18-23 1.2.3 多机热源集中管理模式 23-24 1.3 服务器系统级热管理技术研究进展 24-34 1.3.1 塔式服务器 25 1.3.2 机架服务器 25-26 1.3.3 刀片服务器 26-28 1.3.4 机柜式及大型计算机 28-32 1.3.5 超级计算机 32-34 1.4 计算机系统级热管理中的关键传热与流动问题 34-37 1.4.1 热传导环节 34-35 1.4.2 对流换热环节 35-36 1.4.3 辐射换热环节 36-37 1.4.4 评估手段 37 1.5 本文的主要工作内容 37-39 第二章 系统级热管理方案设计与评估的理论模型及分析 39-48 2.1 引言 39 2.2 流体网络建模 39-42 2.2.1 概述 39-40 2.2.2 FNM 的理论基础 40-41 2.2.3 FNM 方法的局限性 41-42 2.3 数值传热学理论 42-46 2.3.1 概述 42-43 2.3.2 数值传热学的数学模型与FVM 43-45 2.3.3 数值传热学方法在本文中的具体应用 45-46 2.4 基于Exergy 损失的分析方法 46-47 2.4.1 概述 46 2.4.2 Exergy 分析法的理论基础 46-47 2.5 小结 47-48 第三章 高性能桌面计算机系统级热管理方法的研究 48-67 3.1 引言 48-49 3.2 高性能桌面计算机系统级风冷散热的数值模拟研究 49-57 3.2.1 数值模型 49-51 3.2.2 模拟形式与结果讨论 51-57 3.3 高性能桌面计算机独立热流路径方案的实验研究 57-66 3.3.1 概述 57 3.3.2 组件设计和系统构建 57-60 3.3.3 实验结果与讨论 60-65 3.3.4 处理器独立热流路径系统的数值模拟 65-66 3.4 小结 66-67 第四章 笔记本电脑发热元件分离放置的仿真研究 67-76 4.1 引言 67-68 4.2 数值模型的建立 68-71 4.2.1 原型机模型 68-70 4.2.2 发热元件分离放置的模型 70-71 4.3 模拟结果与讨论 71-75 4.4 小结 75-76 第五章 数据中心热管理方法有效性的理论评估 76-90 5.1 引言 76-79 5.2 热管理能耗评估方法 79-81 5.2.1 无量纲参数评估法 79-80 5.2.2 Exergy 分析法在数据中心中的应用 80-81 5.3 Exergy 损失分析结果及讨论 81-88 5.3.1 传统数据中心热管理方案 81-85 5.3.2 顶置蒸发器的嵌入式热管理方案 85-86 5.3.3 蒸发器分布式设置的嵌入式热管理方案 86-87 5.3.4 讨论 87-88 5.4 小结 88-90 第六章 刀片服务器嵌入机柜式热管理方案的实验研究 90-118 6.1 引言 90 6.2 内置风冷蒸发器机柜的实验研究 90-104 6.2.1 实验原理与系统设计 90-93 6.2.2 测试方法 93-95 6.2.3 实验结果与讨论 95-100 5.2.4 系统实用化及扩展性研究 100-104 6.3 蒸发器冷板直接冷却式机柜的实验研究 104-117 6.3.1 实验原理及组件设计 104-109 6.3.2 测试结果与讨论 109-113 6.3.3 实用化解决方案 113-117 6.4 小结 117-118 第七章 总结与展望 118-121 7.1 全文总结 118-119 7.2 对未来工作的展望 119-121 参考文献 121-134 个人简历 134-135 攻读硕士学位期间发表的论文 135-136 攻读硕士学位期间申请的专利 136-137 致谢 137-139
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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 制冷工程 > 制冷机械和设备
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