當 CPU 變得太熱時會發生什么？器件內的電路運行速度較慢，這可能導致系統性能不佳。堅固耐用的任務關鍵型計算機系統的設計必須將熱管理視為系統級問題。

芯片中通常內置了兩級保護，以防止其過熱。第一種是關鍵關機，當觸發時，將關閉整個設備以防止物理損壞。第二個是節流，處理器的時鐘只是減慢了速度。英特爾處理器支持的限制通常在比關機更低的溫度閾值下發生。

例如，英特爾酷睿處理器根據處理器工作負載及其散熱環境自動限制其性能。從理論上講，這是冷卻使用增加功率后升溫的系統的一種好方法。但是，在任務關鍵型環境中，不需要受限制的處理器。對于國防應用，如電子戰 （EW） 和情報、監視和偵察 （ISR），需要一致的確定性性能，處理器限制可能會對任務成功產生不利影響。

處理器限制（有時也稱為動態頻率縮放）在計算機體系結構中用于調整處理器的時鐘頻率或每單位時間執行的指令。限制時鐘頻率會導致處理器運行得更慢、做更少的工作、使用更少的功率，從而產生更少的熱量。當器件的工作時鐘正常減慢時，溫度會下降，從而防止定時錯誤。

保持冷靜

傳統服務器、臺式機或筆記本電腦的熱管理相當簡單。通常，系統設計人員可以提出風扇、散熱器、熱管冷卻器和其他組件的組合，使系統保持在相對涼爽的工作范圍內。然而，堅固耐用的軍用計算機是不同的：軍事平臺在空中、地面或海上遇到的惡劣條件排除了許多傳統冷卻方法的使用，或者需要實質性的改變和/或限制。

例如，典型的冷卻風扇的工作原理是將計算機內部的空氣與外部較冷的環境空氣交換。但是，如果環境空氣中充滿了灰塵、濕度、鹽霧或煙霧怎么辦？如果引入系統，所有這些情況都可能有害。考慮必須在低壓區（高海拔）運行的任務。有時在較高的海拔地區，沒有足夠的空氣來充分傳遞熱量。

每個設計挑戰都必須考慮整個系統，選擇最能滿足成品要求的組件和解決方案。

對于堅固耐用的應用，通常需要多種熱管理技術來保護系統的內部組件。

傳導冷卻

傳導冷卻被定義為熱量通過固體傳遞。一個常見的例子是安裝在冷板上的傳導冷卻底盤（圖1）。電子設備在機箱內部產生的熱量流入機箱的鋁制側壁并向入冷板。由于熱能想要從源頭移動到另一種更冷的介質，因此熱量從芯片傳遞到低溫冷板。

圖1 |傳導冷卻底盤將熱量從芯片傳遞到低溫冷板。

在板級，傳導冷卻是通過將熱量從組件通過傳導框架傳遞到卡邊緣和機箱的“冷壁”來完成的。為了最大限度地將熱量從組件傳遞到冷壁，重要的是最小化該路徑的熱阻，這可以通過使用熱阻低的材料和夾緊力較高的楔形鎖來完成。

多年來，傳導冷卻一直是堅固耐用系統熱管理的支柱。雖然它仍然起著重要作用，但導熱冷卻本身可以消散多少是有限的。大多數傳統的傳導冷卻方法無法分散當今較熱的卡產生的熱量：曾經擁有50瓦卡是司空見慣的，120瓦到200瓦的卡正變得越來越普遍。

對流（空氣）冷卻

對流冷卻使用氣流將熱量從卡傳遞到環境空氣中。使用這種方法，空氣必須保持比卡明顯低得多的冷卻劑才能有效地工作，因為空氣是一種熱容量低的不良冷卻劑。對流冷卻有兩種基本類型：一種依賴于自然氣流，另一種需要通過風扇強制氣流。在電路板層面，需要注意確保下游器件得到充分冷卻。空氣溫度在經過卡時會升高，結果下游設備正在用更熱的空氣冷卻。

氣流冷卻

由于卡需要越來越多的功率，傳統的導電或對流冷卻方法變得不太可行。這就是空氣流通（AFT）冷卻的用武之地。AFT技術使用熱交換器框架，可防止冷卻空氣與電子設備接觸。在卡的入口側和排氣側，安裝在機箱內的墊圈將卡的內部空氣通道密封到機箱側壁（圖2）。這些密封件可防止空氣吹入機箱，并保護內部電子設備免受惡劣的外部環境的影響。

圖2 |AFT技術使用熱交換器框架。

對于需要高功率密度的系統，AFT冷卻是最可靠的主動冷卻解決方案之一。通過提供低阻力的熱路徑，AFT 冷卻機箱可以提供每個插槽高達 200 瓦的冷卻能力、環境密封以適應最惡劣的環境，并且無需與液體或蒸發冷卻相關的外來材料或流體即可進行冷卻。

AFT的好處之一是冷卻空氣非常靠近基卡和夾層卡上的大功率組件，從而提供了通往冷卻環境空氣的直接路徑。由于空氣不與組件直接接觸，因此可以使用“臟”空氣。

此外，每個AFT卡都有自己的入口和排氣口，而不是必須共享冷卻空氣或共享它們傳導熱量的熱界面。除了冷卻空氣之外，沒有其他冷卻路徑（盡管實際上存在平行傳導路徑）。此設置允許從熱角度隔離查看每張卡。系統級別的關鍵方面是確保通過所有卡的平衡氣流，以便每個卡都有所需量的冷卻空氣，以保持組件處于適當的溫度。

鑒于AFT在設計簡單、重量效率和低熱阻方面的優勢，AFT冷卻技術是傳感器處理等大功率應用的理想選擇。

液體流通式冷卻

對于功率密度高于 200 瓦的卡，需要不同的冷卻方法，因為空氣不是傳遞熱量的最有效介質。這就是液體流通 （LFT） 冷卻的用武之地。雖然在某些方面與AFT相似，但LFT使用液體冷卻框架（圖3），該框架采用入口和出口快速斷開（QD）液體連接器，并在機箱/系統級別使用液體泵。雖然這可能會增加一些重量，但泵比風扇需要更少的功率來運行。

圖3 |液體流通式冷卻在機箱/系統級別使用帶有泵的入口和出口快速斷開液體連接器。

LFT的冷卻能力得到增強。例如，LFT系統中常用的流體是聚α烯烴（PAO）油，其導熱效率是空氣的五倍。這意味著基于LFT的系統理論上可以將卡冷卻到1，000瓦。隨著處理設備的功耗不斷增加，可能需要 LFT 來最大限度地提高這些設備的實用性。

流體流通式冷卻

Curtiss-Wright 為一種稱為流體流通 （FFT） 冷卻的系統申請了專利（圖 4）。在這種情況體可以是液體或空氣。主要區別在于FFT使用內置于機箱中的固定通道（風冷或液冷）。此外，它還使用傳導冷卻模塊 - 連接到印刷線路板（PWB）的傳導框架。FFT可實現高凈氣流量，因為不需要密封，并支持使用標準傳導卡。

圖4 |在流體流通（FFT）系統中，流體可以是液體或空氣。

存在多種熱管理解決方案（表 1），每種解決方案對不同功率水平的適用性各不相同。在設計堅固的計算機系統時，將熱管理視為系統級問題非常重要，因為專注于卡級的熱管理無法考慮半封閉系統中安裝在一起的所有模塊如何相互影響。

表1 |X422 依靠 ML 和 AI 來處理大量數據并將其轉化為可操作的情報。照片由通用微系統公司提供。

審核編輯：郭婷