Ottimizzare il design termico dei dispositivi elettronici per networking e telecomERT

Gli apparati impiegati per il networking e per le telecomunicazioni devono garantire una operatività di tipo 24/7. Un sistema non affidabile può esporre il suo produttore a ingenti costi per l’assistenza in garanzia, per le campagne di richiamo dei prodotti e anche per la conseguente perdita di reputazione. Le più ricche funzionalità e le migliori prestazioni dei sistemi elettronici odierni, compressi all’interno di fattori di forma sempre più ridotti, rendono sempre più impegnativa la sfida della gestione del calore prodotto dalla circuiteria interna.

Sul fronte della progettazione, la richiesta di nuovi sistemi più performanti – e la parallela contrazione dei cicli di sviluppo – hanno notevolmente abbreviato i tempi che intercorrono tra il primo studio concettuale e la spedizione al cliente. Per riuscire a soddisfare esigenze così impegnative, la progettazione del sistema di raffreddamento e le applicazioni di simulazione devono essere veloci, affidabili e integrate all’interno di un processo di progettazione complesso ed estremamente dinamico.

La continua crescita delle capacità di elaborazione richieste, e anche del traffico nelle reti, implica corrispondenti aumenti delle densità di potenza presenti sia nelle schede che all’interno dei case degli apparati. Queste esigenze guidano la necessità di progetti sempre più sofisticati per la gestione termica a livello di sistema, al fine di spostare quanto più possibile a valle nel progetto l’utilizzo delle soluzioni di raffreddamento a liquido, a livello del server o del rack.

Spesso lo studio del flusso dell’aria all’interno dell’involucro che rinchiude la circuiteria elettronica è complesso, il che porta a identificare la fluidodinamica computazionale, o CFD, come l’unica tecnica possibile per il corretto sviluppo di un progetto. Il flusso d’aria è condizionato sia dall’elettronica che dalla conformazione del case, le quali a loro volta interagiscono per formare l’ambiente termico dell’applicazione.

Nella stragrande maggioranza dei casi, il fluido di raffreddamento è costituito dall’aria presente nell’ambiente. Anche in apparecchi di dimensioni limitate, come ad es. un notebook, dove lo spazio è estremamente limitato, per migliorare le prestazioni del raffreddamento è dunque necessario consentire una circolazione d’aria, nonostante il maggior contributo al risultato derivi dalla dispersione del calore e dalla sua conduzione verso l’involucro.

Ogniqualvolta sia necessario determinare il percorso del flusso d’aria a livello del contenitore dell’apparato, il software FloTHERM si rivela uno dei principali strumenti utilizzabili, come dimostrato dagli esempi illustrati nel seguito.

Ottimizzazione termica di una piattaforma per le telecomunicazioni

Elma Electronic ha utilizzato FloTHERM per ottimizzare la progettazione di una nuova piattaforma, denominata ATCA (Advanced Telecommunications Computing Architecture), in cui il calore da dissipare, per ognuno dei suoi 14 slot, può arrivare fino a 300 W.

Gli ingegneri termici di Elma hanno sfruttato le funzionalità di FloTHERM per eseguire in modo automatico una serie di simulazioni del flusso al variare di numerosi parametri, dimensionali e non, mirate al raggiungimento di svariati obiettivi di progetto, come ad esempio la massimizzazione del flusso d’aria sulle schede.

Elma ha deciso di sviluppare una piattaforma ATCA per rack da 13 unità, che dissipa un totale di 4’200 W nei suoi 14 slot principali, più ulteriori 1’120 W in un modulo RTM (Rear Transition Module) posteriore. Le schede vere e proprie occupano 8 unità, lasciando solo 5 unità disponibili per il raffreddamento, incluse le ventole e i plenum di immissione e di estrazione.

In questo caso, è stato scelto di utilizzare il modulo di ottimizzazione automatica di FloTHERM per una esplorazione preventiva dell’intero spazio di progetto. Il modulo genera automaticamente una serie di modelli, con parametri progettuali variabili, sullo spazio di progetto definito dall’utente; successivamente esegue la simulazione di tali modelli monitorandone le performance, al fine di identificare la combinazione ottimale.

Elma ha iniziato dalle dimensioni delle ventole di immissione, verso il filtro dell’aria e dello spazio tra il filtro dell’aria e le schede, poiché queste geometrie determinano la distribuzione del flusso d’aria tra le diverse schede. Dopo averle ottimizzate, è stato utilizzato il Command Center di FloTHERM per ottimizzare il rapporto tra il plenum di immissione e quello di estrazione, valore che determina il flusso totale d’aria che attraversa il sistema.

L’obiettivo era ridurre la pressione statica all’interno del telaio, mantenendo al contempo entro valori accettabili sia il flusso d’aria totale che la sua distribuzione verso le schede. Dopo aver impostato il Command Center di FloTHERM per 10 esecuzioni, è stato creato un esperimento di progettazione che utilizza i risultati di queste 10 simulazioni per esplorare efficacemente lo spazio del progetto. Con un paio di esperimenti di progettazione è stato possibile ottimizzare ogni dimensione chiave del telaio e garantire il rispetto dei requisiti di performance del box.

Il sistema utilizza tre cassetti per le ventole estraibili singolarmente, ognuno equipaggiato con due ventole da 120 mm, a 48 V. Il risultato ottenuto fa del sistema S ATCA Carrier-Grade 13U di Elma un prodotto con prestazioni termiche uniche nel mercato, capace di erogare un flusso di 40 CFM (Cubic Feet per Minute) per ogni slot nella gabbia delle schede frontali, sufficienti per raffreddare ben oltre 200 W per slot, oltre a un flusso pari a 6-10 CFM sui moduli RTM posteriori.

Progettazione di dissipatori ottimizzati per i server blade

Hewlett-Packard è uno dei principali produttori di server nel formato blade. La elevata densità di potenza presente negli odierni server blade costringe i progettisti ad affrontare delle difficili sfide per la loro gestione termica, in particolar modo quella costituita dalla dissipazione del calore proveniente dai componenti di maggiore potenza, come le CPU.

Alcune architetture, inoltre, impongono che due CPU vengano disposte addossate l’una all’altra, in configurazioni back-to-back, il che fa sì che il processore frontale pre-riscaldi l’aria prima che essa arrivi a quello posteriore, complicando ulteriormente il problema. Ciò rende ovviamente molto difficile il corretto raffreddamento del processore posteriore.

In questo contesto, il software FloTHERM è stato utilizzato nel corso di tutto il processo di progettazione di un nuovo server blade, a partire dallo studio concettuale fino alla realizzazione del prototipo. L’analisi CFD con FloTHERM ha interessato la progettazione e l’ottimizzazione dei dissipatori, come anche la rappresentazione del flusso in corrispondenza del deflettore inclinato che collega i due dissipatori.

Per rappresentare il deflettore inclinato è stata utilizzata la funzionalità “sloping block” di FloTHERM, mentre per la progettazione e l’ottimizzazione dei dissipatori è stato impiegato lo strumento di ottimizzazione parametrica. L’analisi mediante FloTHERM ha contribuito a ridurre in modo sostanziale i tempi di progettazione, producendo al contempo anche un significativo risparmio nei costi. Inoltre, l’analisi di FloTHERM ha aiutato a garantire il rispetto degli obiettivi fissati per il peso dei dissipatori.

Raddoppio del flusso d’aria all’interno di una piattaforma per router

Redback Networks si è posta l’obiettivo di produrre la prima piattaforma di grande scala (nell’ordine dei milioni di utenti) per servizi di telecomunicazione di tipo “triple-play”, ovvero integrati su tre fronti: televisione ad alta definizione (HDTV), video-on-demand in alta definizione (HD VoD) e mobilità a banda larga.

Per riuscire a ottenere il necessario miglioramento sia delle performance che delle funzionalità, rispetto agli apparati della generazione precedente, i requisiti di dissipazione del calore prodotto dalle schede di linea sono inevitabilmente raddoppiati. Ciò ha creato un serio problema di gestione termica, poiché i circuiti integrati più critici, quelli dedicati al supporto delle applicazioni chiave, lavoravano già a temperature vicine alla temperatura di giunzione massima indicata dalle loro specifiche.

Gli ingegneri di Redback hanno simulato il flusso d’aria e il trasferimento del calore all’interno del contenitore che racchiude l’apparato. Ottimizzando la geometria dei plenum e utilizzando ventole con migliori prestazioni è stata infatti in grado di raddoppiare il flusso d’aria all’interno del sistema.

Tra i primi venti operatori mondiali di telefonia, quindici utilizzano la piattaforma di router SmartEdge di Redback per erogare il proprio mix di servizi (composto da connettività a banda larga, servizi vocali e servizi televisivi) a più di 50 milioni di abbonati, distribuiti su tutto il pianeta. La gamma SmartEdge 1200 fornisce una capacità raddoppiata rispetto al passato, adeguata ai futuri upgrade delle funzionalità video e all’estensione dei servizi triple-play alle reti mobili a banda larga, il tutto mediante una piattaforma che integra fino a sei applicazioni di rete in un unico router. Le nuove applicazioni di rete includono l’ispezione approfondita dei pacchetti per l’analisi del traffico peer-to-peer, nonché funzionalità avanzate di gestione delle sessioni e di controllo della sicurezza della rete, a uso sia degli operatori che dei loro clienti.

La piattaforma SmartEdge 1200 prevede apparati dotati di 12 schede di linea. Grazie al significativo miglioramento delle funzionalità presenti nell’ultima generazione di ASIC e nelle tecnologie hardware di Redback, il profilo termico di queste nuove schede di linea è sostanzialmente lo stesso di quelle della generazione precedente. Poiché questi router vengono tipicamente impiegati all’interno delle sedi centrali delle aziende, devono inoltre rispettare i rigorosi standard di affidabilità imposti dalle norme americane NEBS (National Equipment Building Systems). La maggiore quantità di calore da dissipare si traduce dunque in un proporzionale aumento del flusso di ventilazione, tale da garantire il mantenimento delle stesse prestazioni termiche del sistema.

L’approccio tradizionale a questo tipo di problema di gestione termica consisterebbe nel realizzare dei prototipi per poi sottoporli a dei test fisici, atti a determinare il flusso d’aria e le temperature all’interno del sistema. Un importante difetto di questo metodo è tuttavia rappresentato dal fatto che la progettazione termica non può iniziare finché non diventa disponibile il primo prototipo. A ogni iterazione progettuale, inoltre, vi è un sostanziale incremento dei tempi e dei costi associati alle modifiche e al testing dei prototipi. Ciò introduce il rischio di slittamenti dei tempi di rilascio del prodotto, nonché di maggiori costi di sviluppo.

Redback Networks, all’interno del proprio processo di progettazione termica, impiega il software FloTHERM. Inoltre, data l’importanza critica della gestione termica per le apparecchiature di rete d’avanguardia, gli ingegneri di Redback Networks iniziano la simulazione degli aspetti termici quanto prima possibile all’interno del processo di progettazione. Nel caso della nuova piattaforma, il primo utilizzo è consistito in uno studio di fattibilità condotto già durante la fase iniziale di definizione del concept.

Sono stati creati in FloTHERM dei modelli delle schede, delle ventole e del case, al fine di stimare il flusso d’aria all’interno del sistema e la distribuzione delle temperature all’interno dell’involucro. Nella successiva fase di progettazione delle schede, è stato realizzato in FloTHERM un modello dettagliato dei componenti critici e dei dissipatori, per poter verificare la conformità rispetto alle specifiche termiche dei diversi componenti.

Durante le fasi iniziali dello sviluppo è estremamente importante poter creare svariati modelli e valutare diverse alternative progettuali in tempi molto rapidi, in modo da fornire tempestivamente ai progettisti dei risultati sempre rilevanti, anche all’interno di un processo di progettazione in continua evoluzione. Per ottenere questo risultato è stato impiegato un approccio basato su modelli compatti e versioni semplificate dei sistemi.

Per determinare come le schede di nuova generazione si sarebbero comportate all’interno del case dei router della precedente generazione, ha effettuato la simulazione di una “galleria del vento virtuale”. Questo modello di galleria del vento consisteva in una singola scheda di linea posta all’interno di un flusso d’aria avente le stesse condizioni al contorno prevedibili per quello calcolato in base al modello dell’involucro del sistema. Per i componenti critici sono stati utilizzati dei modelli di tipo compatto, creati mediante FloTHERM PACK, usando degli appositi template denominati SmartParts.

Per i componenti critici degli IC è stata utilizzata una combinazione costituita da 2 resistori e da modelli Delphi. Per la modellizzato delle schede dei circuiti stampati è stata utilizzata SmartPart PCB, che consente di specificare le dimensioni della scheda e il numero dei layer. Ad esempio, i layer del PCB possono essere definiti in questo modo: FR4, segnale, FR4, segnale, FR4, alimentazione, massa. Sulla base di queste informazioni, SmartPart PCB effettua una stima della conducibilità termica dell’intera scheda, sia su ogni piano che attraverso i diversi piani.

La simulazione condotta ha stabilito che, per consentire ai componenti critici di rimanere all’interno delle rispettive specifiche, era necessario un maggiore flusso d’aria. Inoltre, ha evidenziato un problema relativo al placement dei componenti. Una serie di componenti caldi, allineati verticalmente, innescava infatti un “effetto camino” – nel quale un componente a monte nel flusso di aerazione pre-riscalda l’aria che successivamente investe un altro componente più a valle.

Grazie alla cooperazione con i progettisti della scheda PCB è stato individuato un placement alternativo, in grado di migliorare le performance termiche. Purtroppo, nonostante i miglioramenti del layout elettrico, i modelli indicavano che le temperature di giunzione raggiungevano ancora valori troppo elevati, nelle condizioni del flusso d’aerazione ereditate dal prodotto della precedente generazione. Per consentire di riportare le temperature dei componenti a livelli accettabili, era necessario raddoppiare il volume del flusso d’aria nel sistema.

A questo punto, si è passato alla modellizzazione dell’intero sistema, basandosi sul modello dei router della precedente generazione. Nel modello system-level completo sono stati inclusi incluso anche svariati modelli compatti aggiuntivi, come ad es. quelli di sei ventole assiali da 185 CFM.

In particolare per le schede, invece di utilizzare il modello dettagliato è stato creato un modello resistivo semplificato, sulla base dei dati reali di flusso misurati su una scheda esistente. Si è quindi tentato di migliorare il progetto impiegando ventole da 250 CFM. La sostituzione delle ventole ha incrementato il flusso nel sistema del 50%, ma ciò non era ancora sufficiente.

Si è passati allora a considerare la geometria dei case, alla ricerca di ulteriori possibili miglioramenti. Le ventole sono state spostate sul lato opposto rispetto ai prodotti della precedente generazione – in corrispondenza delle aperture di estrazione – creando quindi una depressione all’interno del case. Ciò ha impedito alle ventole di pre-riscaldare l’aria a monte delle schede di linea e generare un flusso d’aria più bilanciato e lineare. L’ulteriore miglioramento, benché evidente, era tuttavia ancora insufficiente.

Lo step successivo è stato dedicato alla modifica delle geometrie dei plenum. L’idea era quella di fornire all’aria una più ampia zona di espansione, per ridurre la caduta di pressione all’interno del telaio. Un aumento dell’area di plenum comportava però anche l’aumento delle dimensioni complessive del telaio. Essendo la larghezza e la profondità vincolate dal fattore di forma standard dei rack, l’unica dimensione modificabile era l’altezza.

Un ulteriore obiettivo era quello di massimizzare il numero dei telai inseribili in ogni rack. Con FloTHERM è stato possibile valutare in tempi brevi numerose geometrie alternative per i plenum. Lo scopo era ottenere il flusso d’aria necessario a fronte di un’altezza del telaio minimo. I risultati delle simulazioni hanno confermato che il telaio con il plenum ottimizzato consentiva finalmente un incremento del flusso d’aria pari al 100%, il livello target.

A questo punto è stata ripetuta una simulazione del modello dell’intero sistema, dopo avervi integrato il modello dettagliato delle schede, per poter verificare che il volume di aerazione ottenuto fosse in grado di portare le temperature di giunzione critiche al di sotto delle soglie massime indicate dalle specifiche. Gli standard NEBS, inoltre, impongono che il router riesca a funzionare in sicurezza anche a seguito della rottura di una ventola. Lu ha quindi condotto una serie di simulazioni aggiuntive, per valutare gli effetti di svariate modalità di malfunzionamento.

Le simulazioni hanno mostrato che il fermo di una ventola induceva un ricircolo dell’aria, che a sua volta comportava un surriscaldamento nell’area coinvolta. Lu ha quindi aggiunto in corrispondenza di ogni ventola una serranda ad alette, che chiudesse automaticamente l’apertura in caso di malfunzionamento della ventola. Questo intervento ha efficacemente eliminato il problema di ricircolo.

Infine è stato realizzato un modello in polistirolo laminato del nuovo plenum, in modo da poter effettuare in tempi brevi anche dei collaudi fisici, garantendo il rispetto delle strette tempistiche di rilascio. I risultati delle rilevazioni in laboratorio sono stati pressoché coincidenti con quelli delle simulazioni, quindi nella fase di prototipazione non si sono rese necessarie ulteriori modifiche del progetto. La piattaforma SmartEdge 1200 risultante ha inaugurato una nuova categoria di dispositivi per la telecomunicazioni mobili in classe megabit.

Come illustrato negli esempi, il software FloTHERM ha la capacità di eseguire varianti parametriche dei progetti, e supporta la simulazione di sistemi con soluzioni di raffreddamento di tipo dinamico, come ventole a velocità variabile controllate da sensori di temperatura. La progettazione termica degli involucri esterni è interamente focalizzata sull’ottimizzazione del flusso d’aria che si instaura dopo il posizionamento dell’elettronica. Laddove sia richiesta flessibilità nella progettazione dei case, FloTHERM e FloTHERM XT mettono a disposizione un’apposita SmartPart Enclosure, che consente una rappresentazione dell’involucro rapida e definibile parametricamente.

In altre applicazioni può capitare che la progettazione del case sia ampiamente predefinita, ma potrebbe esserci comunque la necessità di ottimizzarla per esigenze di raffreddamento dell’elettronica. Per chi utilizza FloTHERM, l’apposito modulo FloMCAD Bridge offre la possibilità di semplificare l’importazione dei dati, sia in formato CAD nativo, che nei formati CAD neutrali standard. Per quanto riguarda FloTHERM XT, invece, le geometrie CAD native e i dati nei formati CAD neutrali standard possono essere importati, manipolati e modificati direttamente all’interno del software, utilizzando il kernel CAD integrato presente all’interno di FloTHERM XT.