控制與 CPU 相關的熱問題通常是嵌入式系統(tǒng)設計人員的首要任務。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)性的設計考慮，需要知識、精度和創(chuàng)造力來診斷和克服內(nèi)存子系統(tǒng)設計參數(shù)。

過去，內(nèi)存沒有那么復雜，也不像設計人員支付給 CPU 的那種熱關注度。由于 CPU 需要冷卻，因此芯片組配備了散熱器作為生產(chǎn)標準。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 技術在當今嵌入式設計中速度的提高，內(nèi)存模塊設計變得復雜，并且還需要注意散熱問題。

時鐘速度只是內(nèi)存比以往更熱的原因之一。客戶環(huán)境、整體設計選擇（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)上的氣流量也會影響內(nèi)存模塊的熱狀況。

嵌入式系統(tǒng)設計人員通常使用緊湊的電路板布局，需要近乎完美的工程設計，以實現(xiàn)完美的信號完整性和出色的性能。盡管存在其他設計問題，但成功的系統(tǒng)設計人員將內(nèi)存熱管理視為更高級別的設計問題，與不斷發(fā)展的內(nèi)存技術和熱管理技術保持同步，以減少內(nèi)存模塊中的熱量。

內(nèi)存設計人員可以使用一系列簡單但強大的散熱概念來減輕熱量并設計更好的內(nèi)存子系統(tǒng)。同樣，系統(tǒng)設計人員可以通過在創(chuàng)建設計時結合這些概念來增強產(chǎn)品。

加熱器開著

內(nèi)存設計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現(xiàn)所需的模塊密度并有效地管理電源。待機模式下的 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

再舉一個例子，一個 512 MB 的糾錯碼 DIMM 可以使用五個 64x16 DRAM 芯片而不是九個 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，實際減少量可能會略少一些。內(nèi)存設計人員通常會探索內(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 之間適當間隔的內(nèi)存模塊，無論是非堆疊的還是沒有大型熱半導體的，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)存設計人員的關鍵工具。JEDEC 的標準規(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)機制，根據(jù)溫度波動調(diào)整系統(tǒng)性能。

根據(jù)定義的參數(shù)，系統(tǒng)可以發(fā)出擴展模式寄存器設置命令，在觸發(fā)溫度為 +85 ?∞C 時將 DDR2 DRAM 上的內(nèi)部刷新率加倍至 32 毫秒周期（tREFI = 3.9 微秒）以擴展DRAM工作溫度至+95 ?∞C。如果該功能不可用，設計人員可以在內(nèi)存模塊上加入特殊編程以延長溫度操作。或者，系統(tǒng)可以使用閉環(huán)動態(tài)溫度節(jié)流和風扇速度控制來優(yōu)化內(nèi)存性能。

這里的關鍵是 CPU 管理內(nèi)存板的熱傳感器，這表明系統(tǒng)級和板級熱問題密切相關。系統(tǒng)的 BIOS 讀取傳感器的輸出，并根據(jù)識別可接受溫度范圍的預編程閾值評估性能選項。例如，如果內(nèi)存超出限制溫度，系統(tǒng)熱監(jiān)控器會在溫度超過定義閾值時向管理員發(fā)出警報，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箱風扇，解決任何機箱通風口的問題。可能被阻塞，或添加另一個機箱風扇。

氣流很重要

氣流對于內(nèi)存來說是一個簡單但關鍵的問題；主要目標是避免將預熱的空氣直接吹過內(nèi)存子系統(tǒng)。只要有可能，設計人員應將內(nèi)存子系統(tǒng)放置在處理器的側面，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)境進氣應均勻地流過內(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。這可能導致 DIMM 側面的氣流壓力下降，從而導致氣流減少，或者可能將氣流轉移到整個內(nèi)存子系統(tǒng)周圍或周圍。DIMM 插槽的中心間距應為 10 毫米或更大。

通常，最大化氣流會從內(nèi)存中提取熱量。如果噪音不是問題，設計師應該使用鼓風機或雙風扇來優(yōu)化氣流。通過在排氣點抽取熱空氣可以最好地實現(xiàn)具有最小壓降的氣流，但也可以通過在進氣點推入空氣來改善。增壓室、管道或護罩可用于引導和控制通過內(nèi)存子系統(tǒng)的氣流，平行于 DIMM 的最長邊和兩側流動。這些外殼可能允許較慢的風扇速度和較少的噪音，并且不會影響氣流。

內(nèi)存模塊可以設計為允許氣流通過 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不會將盡可能多的 DRAM 暴露在來自上游 DRAM 的預熱空氣中。

如果主板或系統(tǒng)板安裝為平坦且垂直于重力線，則內(nèi)存的最佳方向將是垂直安裝，因為熱空氣沿著重力線上升。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 方向將受益于單面 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。

設計人員應選擇具有 DRAM 布局的模塊，該模塊不允許所有 DRAM 設備同時在同一側處于活動狀態(tài)。在每個列的內(nèi)存模塊的每一側具有交替 DRAM 放置的模塊將均勻地分散 DIMM 周圍的熱量。如果 DIMM 一側的氣流受限，則僅將 DRAM 放置在氣流最大的一側的內(nèi)存模塊在較高溫度下的性能會更好。圖 1 說明了交替 DRAM 列的技術如何減少熱影響。

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表面，并通過消除局部熱點來平衡表面溫度。散熱器由導熱材料（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。

導熱PCB和PCB芯也是有效的選擇。這些金屬或碳復合層壓層嵌入到內(nèi)存 PCB 的結構中，使其運行溫度低于標準 FR-4。這些層還通過消除鎖相環(huán)等局部熱點來均衡組件溫度。通過熱器件下方的孔產(chǎn)生大量熱點以將熱量傳導到核心中的情況并不少見。這些核心依次將熱量傳導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、運行客戶診斷軟件的系統(tǒng)中在高溫下進行測試。這種主動老化將篩選出潛在的薄弱模塊。被動老化（在未通電的模塊上）對篩選具有弱單元的 DRAM 沒有影響，因為 DRAM 單元是基于半導體的電容器，需要不斷充電或刷新以保留二進制信息。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。

全面的熱問題

熱管理問題隨著內(nèi)存技術的發(fā)展而發(fā)展，并成為嵌入式系統(tǒng)、可靠性和性能的關鍵。系統(tǒng)設計師和內(nèi)存子系統(tǒng)設計師之間的設計動態(tài)也在不斷發(fā)展，并可能影響為耐用性和性能而構建的設計。值得信賴的系統(tǒng)級和板級合作伙伴關系以及對與 DRAM 內(nèi)存模塊相關的當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)過驗證的系統(tǒng)設計原則的一部分，可以讓設計人員對提高散熱性能的方法有了新的理解。一般設計考慮因素和替代散熱選項可以創(chuàng)建成功的內(nèi)存子系統(tǒng)設計，有效滿足嵌入式環(huán)境中對高內(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