Nel panorama in rapida evoluzione dell’elettronica e dei sistemi embedded, le sfide legate alle problematiche termiche hanno raggiunto un punto critico.
Immaginiamo un mondo in cui ogni dispositivo, dagli smartphone ai veicoli autonomi e ai sistemi di controllo industriale, sia profondamente legato a processori embedded che richiedano e offrano prestazioni e funzionalità eccezionali.
Questa visione sta diventando realtà, ma ha davanti un avversario temibile: il calore.
Negli anni i processori embedded, un tempo relegati ai confini dei computer desktop, hanno subito una profonda trasformazione; si sono ridotti nelle dimensioni, hanno aumentato la potenza di calcolo e si sono infiltrati in quasi tutti gli aspetti della nostra vita.
Guardiamo per esempio l’immagine sottostante. La densità di potenza è aumentata in modo esponenziale:
Tuttavia, questo notevole progresso ha portato con sé un ostacolo eccezionale: la generazione incessante di calore all’interno di questi micro-generatori di potenza.
Oggi le sfide termiche dei processori embedded sono aumentate a tal punto da richiedere un’attenta analisi e soluzioni innovative.
Come affrontare i problemi termici
Al fine di evitare pesanti complicazioni sui dispositivi elettronici, gli ingegneri sono stimolati a trovare nuove soluzioni per i sistemi di raffreddamento.
Interessante è la soluzione di Engicam, dove, per esempio, il problema viene affrontato in ogni fase di creazione di una nuova scheda o modulo.
Alcuni dei principali aspetti presi in considerazione sono:
- Selezione dei componenti: un consumo di potenza inferiore e un’efficienza superiore comportano una minore generazione di calore, pur rispettando le specifiche richieste.
- Posizionamento dei componenti: i componenti sono organizzati sulle schede per ottimizzare il flusso d’aria e ridurre al minimo l’accumulo di calore. In particolare, i componenti ad alta potenza vengono posizionati lontano gli uni dagli altri per evitare fonti di calore concentrate e, quando possibile, sono collocati in modo da facilitare il montaggio del dissipatore sulle fonti di calore più importanti.
- Progettazione dei circuiti stampati: vengono creati circuiti stampati multistrato con piani di alimentazione e di terra dedicati così da migliorarne l’efficienza di dissipazione del calore e una riduzione delle interferenze elettromagnetiche (EMI). Strati speciali di rame sul PCB vengono disposti accuratamente così da dissipare maggiori quantità di calore, insieme a canali termici che consentano di allontanare il calore dalle aree critiche.
- Ottimizzazione del software: cruciale è l’implementazione del firmware e degli algoritmi software per la gestione termica, oltre alla progettazione di meccanismi per il ‘thermal throttling’, che riducono temporaneamente le prestazioni del processore evitandone il surriscaldamento, e di conseguenza problemi maggiori.
- Dissipazione meccanica: sistemi di dissipazione termica più efficienti progettati attraverso l’uso di software di simulazione e test operativi.
La progettazione ottimale del dissipatore
Una corretta progettazione elettronica può facilitare notevolmente la dissipazione del calore, ma nella maggior parte dei casi risulta comunque non sufficiente.
Quando si parla di processori ad alte prestazioni, l’uso di sistemi di dissipazione esterni diventa obbligatorio.
Per affrontare al meglio questo aspetto, il Team Mechanical di Engicam ha iniziato a sviluppare nuovi sistemi di dissipazione e a migliorare quelli esistenti.
Un esempio estremamente interessante è il nuovo design del SOM i.Core MX8M Plus e del suo dissipatore, che hanno permesso un abbassamento della temperatura operativa del modulo di oltre 12 gradi.
Questi risultati sono stati ottenuti grazie a un’attenta riprogettazione globale, dal PCB al dissipatore. Durante tutte le diverse fasi, è stato fondamentale l’uso di ANSYS Icepak che ha permesso di simulare i risultati ottenuti dalle modifiche apportate e di valutarne rapidamente i benefici, prima ancora di realizzare dei campioni, che, come sappiamo, portano via molto tempo e soldi.
Di seguito sono riportati i risultati di due simulazioni effettuate sulla stessa scheda (con SOM i.Core MX8M Plus) prima e dopo la riprogettazione del PCB. Si vedono evidenziate le distribuzioni di temperatura, meglio ottimizzate sulla superficie del modulo e dei componenti, nelle versioni prima e dopo la riprogettazione.
Nell’immagine sottostante le curve arancione e blu rappresentano l’andamento della temperatura durante lo stress test col vecchio dissipatore.
Nella prima metà, il processore lavora in modalità LINUX idle; nella seconda metà, viene invece stressato con il processo di stress test in esecuzione. Le due curve rappresentano le temperature dei due punti di misura all’interno della CPU i.Core MX8M Plus.
Le curve gialle e grigie mostrano invece l’andamento della temperatura del dissipatore migliorato nelle stesse condizioni operative: possiamo notare chiaramente la differenza di temperatura una volta raggiunta la stazionarietà.
Allo stesso modo, si può notare un diverso comportamento durante i transitori: il nuovo dissipatore assorbe meglio i picchi di potenza, aumentando la temperatura in modo più graduale rispetto alla versione precedente.
Appare evidente ormai come i problemi termici nell’elettronica embedded siano un argomento molto “caldo” al giorno d’oggi e sicuramente sono e saranno sempre più un aspetto cruciale da considerare fin dalle prime fasi di progettazione di un nuovo sistema.
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