冷却装置
【課題】高速チャネル部両端の温度変動を同方向へ導くことができる冷却装置を提供する。
【解決手段】発熱部品の熱を外に放熱して前記発熱部品を冷却する冷却フィンと、前記発熱部品の一つである第１の半導体モジュールと、前記発熱部品の一つである第２の半導体モジュールと、前記第１の半導体モジュールを冷却する第１のヒートシンクと、前記第２の半導体モジュールを冷却する第２のヒートシンクと、前記冷却フィンと前記第１のヒートシンクとを熱的に結合する第１のヒートパイプと、前記第１のヒートシンクと第２のヒートシンクとを熱的に結合する第２のヒートパイプとを含み、前記第１の半導体モジュールの機能上限のジャンクション温度は前記第２の半導体モジュールの機能上限のジャンクション温度よりも低く、また前記第１の半導体モジュールの発熱は前記第２の半導体モジュールの発熱よりも大きい冷却装置。
【解決手段】発熱部品の熱を外に放熱して前記発熱部品を冷却する冷却フィンと、前記発熱部品の一つである第１の半導体モジュールと、前記発熱部品の一つである第２の半導体モジュールと、前記第１の半導体モジュールを冷却する第１のヒートシンクと、前記第２の半導体モジュールを冷却する第２のヒートシンクと、前記冷却フィンと前記第１のヒートシンクとを熱的に結合する第１のヒートパイプと、前記第１のヒートシンクと第２のヒートシンクとを熱的に結合する第２のヒートパイプとを含み、前記第１の半導体モジュールの機能上限のジャンクション温度は前記第２の半導体モジュールの機能上限のジャンクション温度よりも低く、また前記第１の半導体モジュールの発熱は前記第２の半導体モジュールの発熱よりも大きい冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体モジュールを冷却する冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
デバイス間の通信速度を向上させる手段として高速(シリアル)チャネルが用いられる。例えば、データ転送レート5Gbpsの8bitリンクをTX/RX双方に持つャネルが使用されている。
【０００３】
高速チャネルではTX/RX間AC特性の保証条件として温度変動範囲を規定しているが、性能とのトレードオフによりこの規定がデバイスの動作温度範囲を下回っていると、デバイスの温度管理が必要となる。
【０００４】
MPU: Micro Processing UnitとSBC: South Bridge Chipの温度管理を例に取ると、MPUは動作周波数が高く、Die面積が大きく自己リーク電流が大きいことから電源投入およびクロックメッシュ活性による待機状態における消費電力が高いため、キャリブレーション実行時までに自己消費電力によってDie温度を高めることができる。これに対してSBCは動作周波数が低く、Die面先が小さく自己リーク電流も小さいことから、キャリブレーション実行時にはDie温度が充分には上がらないと言う問題がある。
【０００５】
また、高速チャネルにはEYE PATTERNが温度変化によってドリフトする特性があり、チャネル両端の温度変化が逆方向に振れると両者のドリフトが相乗してしまう。
【０００６】
高速チャネルの動作マージンに大きく影響を与える温度以外のパラメータとして、配線上のクロストークおよび動作電圧が挙げられるが、温度環境を最適化できないとクロストークを低減させるために配線間隔を広げる（基板面積の増大によるコスト増）、動作電圧を安定させるためにグレードの高い電源回路/部品を使用する、基板上の電源ラインを太くする（基板面積の増大、Decoupling-Cを増やす、部品点数といったH/Wコストを増加させる）対策をおこなわなければならい。
【０００７】
よって半導体モジュールの温度が変動しても、半導体モジュールに設けられたチャネル回路が正常に通信を行うことが工夫されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００８】
なお更に、高速チャネル部における温度変動範囲を縮小し、かつ、高速チャネル部両端の温度変動を同方向へ導くことの要望があるが、かかる要望を実現するための手段は知られていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−８４１９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、高速チャネル部両端の温度変動を同方向へ導くことができる冷却装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、実施形態によれば冷却装置は、発熱部品の熱を外に放熱して前記発熱部品を冷却する冷却フィンと、前記発熱部品の一つである第１の半導体モジュールと、前記発熱部品の一つである第２の半導体モジュールと、前記第１の半導体モジュールを冷却する第１のヒートシンクと、前記第２の半導体モジュールを冷却する第２のヒートシンクと、前記冷却フィンと前記第１のヒートシンクとを熱的に結合する第１のヒートパイプと、前記第１のヒートシンクと第２のヒートシンクとを熱的に結合する第２のヒートパイプとを含み、前記第１の半導体モジュールの機能上限のジャンクション温度は前記第２の半導体モジュールの機能上限のジャンクション温度よりも低く、また前記第１の半導体モジュールの発熱は前記第２の半導体モジュールの発熱よりも大きい。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の一実施形態に係わる情報処理装置の概略構成を示すブロック図。
【図２】図１に示す情報処理装置の初期化処理の手順を示すフローチャート。
【図３】同実施形態の冷却装置の構成例を説明するために示す図。
【図４】同実施形態の集中定数を用いた等価回路図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明による実施形態を図１乃至図４を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係わる情報処理装置のシステム構成の一例を示すブロック図である。
本情報処理装置は、図１に示されているように、第１の半導体モジュールとしてのプロセッサモジュール１００、第２の半導体モジュールとしてのブリッジコントローラ１１０、システムコントローラ１２０、温度コントローラ１３０、冷却ファン１４０、電源コントローラ１５０、メインメモリ１６０等を備えている。
【００１４】
プロセッサモジュール１００は、プロセッサ回路１０１、第１の高速チャネル回路としての第１高速チャネル回路１０２、第１初期化回路１０３、およびリニア温度センサ１０４を有する。プロセッサモジュール１００の動作保証温度は、５℃〜８０℃である。また、高速チャネル回路が動作する温度範囲は５℃〜８５℃、ただし、第１高速チャネル回路１０２のＩ／Ｏ部ＡＣ特性を保証する温度変動範囲ΔＴ＿ｃ＝５５℃である。
【００１５】
プロセッサ回路１０１は、本情報処理装置の動作を制御するために設けられたプロセッサであり、外部記憶装置からメインメモリ１６０にロードされたＯＳ、アプリケーションプログラム等を実行する。
【００１６】
第１高速チャネル回路１０２はブリッジコントローラ１１０の第２高速チャネル回路１１１と通信を行う回路である。第１初期化回路１０３は、第１高速チャネル回路の初期化（キャリブレーション）を実行する回路である。
【００１７】
リニア温度センサ１０４は、ダイの平均温度監視用の高精度（±１〜２℃程度）なセンサである。リニア温度センサ１０４は、アナログ(ダイオード)セル単体にて構成され、外部にある温度コントローラ１３０にてプロセッサモジュール１００のシリコンダイの平均温度が読み出される。
【００１８】
プロセッサモジュール１００に接続されるブリッジコントローラ１１０は、プロセッサモジュール１００で演算された映像データを表示装置に出力するための図示せぬビデオ出力回路、オーディオ入出力回路、デジタルビデオ入出力インターフェース、ネットワークコントローラ、ＡＴＡコントローラ等を有する。
【００１９】
また、ブリッジコントローラ１１０は、プロセッサモジュール１００の高速チャネル回路と通信を行う第２の高速チャネル回路としての第２高速チャネル回路１１１および第２高速チャネル回路１１１を初期化するための第２初期化回路１１２を有する。第１高速チャネル回路１０２と第２高速チャネル回路１１１とは、相互に８ｂｉｔのパラレル通信を行う。通信速度は、５Ｇｂｐｓである。
【００２０】
システムコントローラ１２０は、初期化制御部１２１、温度コントローラ制御部（温度Ｃｔｌ制御部）１２２、電源コントローラ制御部（電源Ｃｔｌ制御部）１２３、温度取得部１２４を有する。システムコントローラ１２０は、プロセッサモジュール１００およびブリッジコントローラ１１０を含む、起動／異常監視を行う機能を有する。
【００２１】
初期化制御部１２１は、システム全体の初期化を行う機能を有する。温度コントローラ制御部（温度Ｃｔｌ制御部）１２２は、温度コントローラ１３０に対して設定／制御を行う。また、電源コントローラ制御部（電源Ｃｔｌ制御部）１２３は、電源コントローラ１５０に対して設定／制御を行う。温度取得部１２４は、温度コントローラ１３０の温度検出回路１３３がリニア温度センサ１０４から読み出した温度を取得する機能を有する。
【００２２】
先ず、チャネル回路１０２，１１１の初期化について説明する。第２高速チャネル回路１１１から所定のデータ信号を第１高速チャネル回路１０２に送信する。第１高速チャネル回路１０２は、第２高速チャネル回路１１１から送信されたデータ信号を受信するサンプルポイントをスイープする。サンプルポイントをスイープするとデータ信号を受信できる場合とデータ信号を受信できない場合が発生する。そして、第１高速チャネル回路１０２は、データ信号を受信できたサンプルポイントから、データを最適に受信することができるように第１高速チャネル回路１０２の設定を行う。例えば、データ信号を受信できたサンプルポイントの中央のサンプルポイントに応じて第１高速チャネル回路１０２を設定する。第１高速チャネル回路１０２の設定が終了した後、第２高速チャネル回路１１１の設定を実行する。
【００２３】
温度コントローラ１３０は、制御回路１３１、温度検出回路１３３、およびファン制御回路１３２を有する。温度検出回路１３３は、リニア温度センサ１０４で測定されたプロセッサモジュール１００のダイ温度を読み出す。また、ファン制御回路１３２は、プロセッサモジュール１００を冷却するための冷却ファン１４０の回転数を制御する。制御回路１３１は、温度検出回路１３３で読み出された温度に応じてダイ温度を温度コントローラ制御部（温度Ｃｔｌ制御部）１２２によって指定した温度範囲内に保たれるようにファン制御回路１３２を制御する。
【００２４】
ところで、プロセッサモジュール１００の動作保証温度範囲ΔＴ＿ｌ＝８０℃であり、第１高速チャネル回路１０２のＩ／Ｏ部ＡＣ特性を保証する温度変動範囲ΔＴ＿ｃ＝５５℃である。従って、プロセッサ回路１０１の動作温度範囲に対して、第１高速チャネル回路１０２の温度変動範囲が狭い。この温度範囲の違いにより、第１高速チャネル回路１０２の初期化時の温度よりプロセッサモジュール１００の温度が上昇すると、第１高速チャネル回路１０２が正常に通信を行うことができなくなる。
【００２５】
図２は、プロセッサモジュール１００の温度が上昇しても第１高速チャネル回路１０２における通信を正常に行うための初期化処理のフローである。このフローではシステムコントローラ１２０が初期化制御部１２１、温度コントローラ制御部１２２、電源コントローラ制御部１２３、温度取得部１２４を制御し以下の順に行う。初期化処理のフローが完遂される例である。
【００２６】
先ず、ユーザがパワーオン動作を実行すると、システムコントローラ１２０の初期化制御部は初期化を開始する。先ず、温度コントローラ制御部（温度Ｃｔｌ制御部）１２２は、温度コントローラ（温度Ｃｔｌ）１３０を初期化処理用に設定する（ステップＳ１１）。初期化処理用に設定することによって、温度コントローラ１３０は、冷却ファン１４０の回転を停止状態にする。冷却ファン１４０を回転させないことによって、プロセッサモジュール１００が冷却されず、プロセッサモジュール１００の温度上昇を促進することができる。
【００２７】
また、電源コントローラ（電源ｃｔｌ）制御部１２３は、電源コントローラ（電源ｃｔｌ）１５０を初期化処理用に設定すると共に、駆動電力の出力をイネーブルにする（ステップＳ１２）。初期化処理用に設定することによって、駆動電力の出力をイネーブルにすることによって、電源コントローラ（電源ｃｔｌ）１５０は、プロセッサモジュール１００への駆動電力の供給を開始する。初期設定処理用の設定において、駆動電力の電圧値は、プロセッサモジュール１００の動作電圧範囲の最大電圧値とすることが好ましい。プロセッサモジュール１００に最大電圧値を与えることによって、プロセッサモジュール１００の自己発熱が最大になる。
【００２８】
続いて、初期化制御部１２１は、高速チャネル回路１０２，１１１の初期化処理の手前までの処理を実行する（ステップＳ１３）。この初期化処理の手前までの処理とは、プロセッサモジュール１００、ブリッジコントローラ１１０自身の活性化後、高速チャネルの初期化(Calibration)処理の準備、例えばCalibrationのスイープ範囲とステップ幅の設定等である。
【００２９】
そして、温度取得部１２４は、リニア温度センサ１０４によって測定され、温度コントローラ１３０が読み出したプロセッサモジュール１００の温度を温度コントローラ１３０から取得する（ステップＳ１４）。
【００３０】
そして、初期化制御部１２１は、温度取得部１２４によって取得した温度が設定温度以上になったか否かを判別する（ステップＳ１５）。設定温度は、例えば、プロセッサモジュール１００の動作保証温度の上限と第１高速チャネル回路１０２のＡＣ特性を保証する温度変動範囲との差であることが好ましい。本実施形態の場合、動作保証温度の上限が８５度であり、ＡＣ特性を保証する温度変動範囲が５５度であるので、設定温度は３０℃である。
【００３１】
温度が設定温度以上になる迄、初期化制御部１２１は、定期的にプロセッサモジュール１００の温度を取得し、ステップＳ１５の判別処理を行う。温度が設定温度以上になったら（ステップＳ１５のＹｅｓ）、初期化制御部１２１は、プロセッサモジュール１００およびブリッジコントローラ１１０に上述した第１高速チャネル回路１０２および第２高速チャネル回路１１１の初期化処理を実行するための初期化命令を発行する（ステップＳ１６）。
【００３２】
プロセッサモジュール１００の第１初期化回路１０３およびブリッジコントローラ１１０の第２初期化回路１１２は、前述した初期化処理（プロセッサモジュール１００、ブリッジコントローラ１１０の初期化処理のうち高速チャネルの初期化(Calibration)処理）を実行する（ステップＳ１７）。
【００３３】
初期化終了後、初期化制御部の命令に基づいて温度コントローラ制御部（温度Ｃｔｌ制御部）１２２は温度コントローラ（温度Ｃｔｌ）１３０の設定を通常のシステム運用状態に再設定する（ステップＳ１８）。再生設定によって、冷却ファン１４０の回転が可能になり、温度コントローラ１３０は、プロセッサモジュール１００の温度が動作温度の上限以下になるように冷却ファン１４０の回転を制御する。
【００３４】
初期化終了後、初期化制御部の命令に基づいて電源コントローラ制御部（電源ｃｔｌ制御部）１１３は、電源コントローラ（電源ｃｔｌ）１５０を通常のシステム運用状態に再設定する（ステップＳ１９）。
【００３５】
続いて、初期化制御部１２１は、高速チャネル回路の初期化処理以降の初期化処理を実行する（ステップＳ２０）。初期化処理が終了したら、外部記憶装置からＯＳやアプリケーションプログラムをメインメモリ１６０にロードし、プロセッサ回路１０１によって実行する。
【００３６】
本実施形態によれば、プロセッサモジュール１００の温度が３０℃になってから第１高速チャネル回路の初期化処理を実行することによって、プロセッサモジュール１００の温度が動作保証温度の上限になってもプロセッサモジュール１００ブリッジコントローラ１１０間の通信を正常に行うことができる。例えば、プロセッサモジュール１００の温度が２０℃の状態で第１高速チャネル回路の初期化処理を実行した場合を考える。この場合、第１高速チャネル回路１０２のＡＣ特性を保証する温度変動範囲は５５℃であるので、第１高速チャネル回路１０２が正常に通信を行うことができる温度の上限は７５℃となる。
【００３７】
従って、プロセッサモジュール１００の温度が動作保証温度の上限（８０℃）になると、第１高速チャネル回路１０２が正常に通信を行うことができなくなる。しかし、プロセッサモジュール１００の温度が３０℃になってから第１高速チャネル回路の初期化処理を実行すると、第１高速チャネル回路１０２が正常に通信を行うことができる温度の上限は８０℃となる。従って、プロセッサモジュール１００の温度が動作保証温度の上限（８０℃）になっても、第１高速チャネル回路１０２が正常に通信を行うことができる。
【００３８】
なお、本実施形態の場合、プロセッサモジュール１００の温度が３０℃になってから第１高速チャネル回路１０２の初期化処理を実行するために、システムの起動時間が長くなってしまうおそれがある。起動時間を最優先する場合、プロセッサモジュール１００に常時給電をおこなうと良い。また、プロセッサモジュール１００にヒータを装着し、プロセッサモジュール１００をヒータによって加熱しておいても良い。また、ユーザのパワーオン操作時にプロセッサ回路１０１内だけで処理を行うことができるプログラムをプロセッサ回路１０１に実行させて、温度上昇を促進させても良い。
【００３９】
プロセッサモジュール１００に常時給電をしたり、プロセッサモジュール１００をヒータによって加熱したりすると、ユーザのパワーオン操作からからソフトウェアの実行開始までの期間を短縮できる代償として、システムの待機電力が増大する不利益が生じてしまう。そこで、ソフトウェアの実行開始後、一時的に高速チャネルを使用できない期間が存在することを許容できるシステムにおいては、見かけ上の起動時間を短縮することを目的として、プロセッサモジュール１００をシステムの初期温度のまま一旦起動させ、ソフトウェアの実行開始後にシリコン温度が３０℃を超えた時点で、高速チャネルの初期化処理を再度実行することにより、シリコン温度の上昇待ち時間の抑制および、待機電力の増大を排除することができる。
【００４０】
以上従来よりの冷却動作として設定温度は３０℃の例を示したが、以下のように設定温度は５℃で更により積極的にチャネル両端の温度変化量を収めるように働く運用も可能である。
【００４１】
図３は、実施形態の冷却装置の構成例を説明するために示す図である。
MPU（プロセッサモジュール１００）は高速チャネルの片端となる第一の冷却対象であり、SBC（ブリッジコントローラ１１０）は高速チャネルのもう片端となる第二の冷却対象である。また冷却FINはMPUおよびSBCの両方を冷却するためのFIN（例えば冷却ファン１４０付き）である。
【００４２】
HeatPipe1は冷却FINとHeatSinkBase1(MPU用HeatSinkBase)を熱結合するための第一のヒートパイプであり、HeatSinkBase1MPU Packageを冷却するための第一のヒートシンクベースである。またPackage1はMPUのLID(放熱面)となる第一のパッケージでありDie1はMPUのシリコンとなる第一のDieである。
【００４３】
なおMPUの形状がPackage-less または LID-less であればPackage1は存在せず、HeatSinkBase1がDie1を直接冷却する。
【００４４】
HeatPipe2はHeatSinkBase1とHeatSinkBase2(SBC用HeatSinkBase)を熱結合するための第二のヒートパイプであり、HeatSinkBase2はSBC Packageを冷却するための第二のヒートシンクベースである。またPackage2はSBCのLID(放熱面)となる第二のパッケージであり、Die2はSBCのシリコンとなる第二のDieである。
【００４５】
なおSBCの形状がPackage-less または LID-less であればPackage2は存在せず、HeatSinkBase2がDie2を直接冷却する。
【００４６】
図４は、実施形態の集中定数を用いた放熱の等価回路図である。
各部の温度[degC]（℃）として管理するポイントには、以下のものがある。
Ta: セットの動作温度範囲(本冷却装置に対する環境温度)
Tfin: 冷却FIN温度
Ths1: 第一のヒートシンクベースの温度
Tpkg1: MPU Packageの温度
Tdie1: MPU Dieの温度
Ths2: 第二のヒートシンクベースの温度
Tpkg2: SBC Packageの温度
Tdie2: SBC Dieの温度
また、各部の熱抵抗[degC/W]としては、以下の構成要素がある。
Rex-a: 冷却FINから空気間の熱抵抗
Rhp1: 第一のヒートパイプの熱抵抗
Rhs1: 第一のヒートシンクの熱抵抗
Rjc1: MPUのJunction(Die)-Case(Package)間の熱抵抗
なおMPUの形状がPackage-less または LID-less であればRPjc1の代わりにRjh1: Junction-Heatsink 間の熱抵抗を用いる。
【００４７】
Rhp2: 第二のヒートパイプの熱抵抗
Rhs2: 第二のヒートシンクの熱抵抗
Rjc2: SBCのJunction(Die)-Case(Package)間の熱抵抗
なおSBCの形状がPackage-less または LID-less であればRPjc2の代わりにRjh2: Junction-Heatsink 間の熱抵抗を用いる。
【００４８】
（動作温度の検証）
次のような設定のもとに下記（１）から（４）の４例の動作温度を説明する。
まず情報処理装置セットの動作温度範囲をTa = 5〜40[degC]とし、MPU/SBCおよび高速チャネルの温度仕様を以下とする。
PKG熱抵抗Rjc（Die面積に反比例する）: MPU のRjc（Rjc1 ）< SBCのRjc(Rjc2)
例えば （Rjc1 = 0.20[degC/W]）< (Rjc2 = 0.40[degC/W])
Case温度: MPU のCase温度（Tpk1 ）< SBCのCase温度( Tpk2)
例えば （Tpk1 = 70[degC]）< ( Tpk2 = 75[degC])
Junction温度: MPU のJunction温度（Tpk1 ）< SBCのJunction温度( Tpk2)
例えば （ Tjc1 = 80[degC]）< ( Tjc2 = 85[degC])
高速チャネルの動作温度範囲: +/- 55[degC]
なお本実施形態において下記の熱設計および設定値を適用する。
冷却FINからTaへの廃熱における熱抵抗: Rex-a = 0.20[degC/W]
HP1の熱抵抗: Rhp1 = 0.10[degC/W]（FINとMPU間はヒートパイプ ２本で接続）
HP2の熱抵抗: Rhp2 = 0.20[degC/W]（MPUとSBC間はヒートパイプ １本で接続）
HS1の熱抵抗: Rhs1 = 0.05[degC/W]（MPUとSBCが同等サイズであれば同一品を使用）
HS2の熱抵抗: Rhs2 = 0.05[degC/W]（MPUとSBCが同等サイズであれば同一品を使用）
初期化時電力: MPU の初期化時電力（Pmpu ）> SBCの初期化時電力(Psbc)
例えば （Pmpu = 30[W]）> (Psbc = 15[W])
無負荷時電力: MPU の無負荷時電力（Pmpu ）> SBCの無負荷時電力(Psbc)
例えば （Pmpu = 40[W]）> (Psbc = 20[W])
最大消費電力: MPU の最大消費電力（Pmpu ）> SBCの最大消費電力(Psbc)
例えば （Pmpu = 50[W]）> (Psbc = 25[W])
電源投入時にはMPUの発熱によってSBCが加熱されることから高速チャネル両端のシリコン(die)の温度差を所望の範囲(実施例では、両端における各々の温度変化量を55[degC]以下、両端間の温度変化量を+/-10[%]以下)に収めることができる。以下に、セット(システム)の動作状態（１）から（４）の夫々に各部における温度状態を示す。
【００４９】
（１） Ta=5[degC]で起動した場合のMPU/SBC両端における温度変化の例
共通部の各部温度は以下のようになる。
Tfin = Ta + (Rex-a × (Pmpu + Psbc)) = 5 + (0.2 × (30+15)) = 14.0[degC]
Ths1 = Tfin + (Rhp1 × (Pmpu + Psbc)) = 14 + (0.1 × (30+15)) = 18.5[degC]
MPU側の各部温度は以下のようになる。
Tpkg1 = Ths1 + (Rhs1 × Pmpu) = 18.5 + (0.1 × 30) = 21.5[degC]
Tdie1-0 = Tpkg1 + (Rjc1 × Pmpu) = 21.5 + (0.2 × 30) = 27.5[degC]、MPU Dieの温度Min.で、MPU側の基準(Calibration実行)温度
【００５０】
SBC側の各部温度は以下のようになる。
Ths2 = Ths1 + (Rhs2 × Psbc) = 18.5 + (0.2 × 15) = 21.5[degC]
Tpkg2 = Ths2 + (Rhs2 × Psbc) = 21.5 + (0.1 × 15) = 23.0[degC]
Tdie2-0 = Tpkg2 + (Rjc2 × Psbc) = 23.0 + (0.4 × 15) = 29.0[degC] 、SBC_Dieの温度Min.でSBC側の基準(Calibration実行)温度
【００５１】
SBCとMPUの両者間の温度差は次のようになる。
dT12 = Tdie2-0 - Tdie1-0 = 29.0 - 27.5 = 1.5[degC]
（２） Ta=40[degC]でMPUとSBCの両方が高負荷運転した場合のMPU/SBC両端における温度変化の例
共通部の各部温度は以下のようになる。
Tfin = Ta + (Rex-a × (Pmpu + Psbc)) = 40 + (0.2 × (50+25)) = 55.0[degC]
Ths1 = Tfin + (Rhp1 × (Pmpu + Psbc)) = 55 + (0.1 × (50+25)) = 62.5[degC]
MPU側の各部温度は以下のようになる。
Tpkg1 = Ths1 + (Rhs1 × Pmpu) = 62.5 + (0.1 × 50) = 67.5[degC]
Tdie1-1 = Tpkg1 + (Rjc1 × Pmpu) = 67.5 + (0.2 × 50) = 77.5[degC]、 MPU Dieの温度Max.
【００５２】
dT1-1 = Tdie1-1 - Tdie1-0 = 77.5 - 27.5 = 50.0[degC] 、よって MPU側の最大温度差が55[degC]に収まっている。
【００５３】
SBC側の各部温度は以下のようになる。
Ths2 = Ths1 + (Rhs2 × Psbc) = 62.5 + (0.2 × 25) = 67.5[degC]
Tpkg2 = Ths2 + (Rhs2 × Psbc) = 67.5 + (0.1 × 25) = 70.0[degC]
Tdie2-1 = Tpkg2 + (Rjc2 × Psbc) = 70.0 + (0.4 × 25) = 80.0[degC] 、SBC_Dieの温度Max.
【００５４】
dT2-1 = Tdie2-1 - Tdie2-0 = 80.0 - 29.0 = 51.0[degC] よって、 SBC側の最大温度差が55[degC]に収まっている。
【００５５】
SBCとMPUの両者間の温度差は次のようになる。
dT12 = Tdie2-1 - Tdie1-1 = 51.0 - 50.5 = 1.0[degC]
起動時を基準とした両端における温度変化率は次のようになる。
R_diff = | dT2-1 - dT1-1 | / Min.(dT1-1, dT2-1) × 100 = 1 / 50 × 100 = 2.0[%]、よって MPU/SBC間の温度差が10[%]に収まっている。
【００５６】
（３） Ta=40[degC]でMPU高/SBC低負荷運転した場合のMPU/SBC両端における温度変化の例
共通部の各部温度は以下のようになる。
Tfin = Ta + (Rex-a × (Pmpu + Psbc)) = 40 + (0.2 × (50+20)) = 54.0[degC]
Ths1 = Tfin + (Rhp1 × (Pmpu + Psbc)) = 54 + (0.1 × (50+20)) = 61.0[degC]
MPU側の各部温度は以下のようになる。
Tpkg1 = Ths1 + (Rhs1 × Pmpu) = 61.0 + (0.1 × 50) = 66.0[degC]
Tdie1-2 = Tpkg1 + (Rjc1 × Pmpu) = 66.0 + (0.2 × 50) = 76.0[degC]、MPU Dieの温度Max.
【００５７】
dT1-2 = Tdie1-2 - Tdie1-0 = 76.0 - 27.5 = 48.5[degC] 、よって MPU側の最大温度差が55[degC]に収まっている。
【００５８】
SBC側の各部温度は以下のようになる。
Ths2 = Ths1 + (Rhs2 × Psbc) = 61.0 + (0.2 × 20) = 65.0[degC]
Tpkg2 = Ths2 + (Rhs2 × Psbc) = 65.0 + (0.1 × 20) = 67.0[degC]
Tdie2-2 = Tpkg2 + (Rjc2 × Psbc) = 67.0 + (0.4 × 20) = 75.0[degC] 、SBC_Dieの温度Max.
【００５９】
dT2-2 = Tdie2-2 - Tdie2-0 = 75.0 - 29.0 = 46.0[degC] よって、 SBC側の最大温度差が55[degC]に収まっている。
【００６０】
SBCとMPUの両者間の温度差は次のようになる。
dT12 = Tdie2-2 - Tdie1-2 = 46.0 - 48.5 =-2.5 [degC]
起動時を基準とした両端における温度変化率は次のようになる。
R_diff = | dT2-2 - dT1-2 | / Min.(dT1-2, dT2-2) × 100 = 2.5 / 46 × 100 = 5.5[%]、よって MPU/SBC間の温度差が10[%]に収まっている。
【００６１】
（４） Ta=40[degC]でMPU低/SBC高負荷運転した場合のMPU/SBC両端における温度変化の例
共通部の各部温度は以下のようになる。
Tfin = Ta + (Rex-a × (Pmpu + Psbc)) = 40 + (0.2 × (40+25)) = 53.0[degC]
Ths1 = Tfin + (Rhp1 × (Pmpu + Psbc)) = 53 + (0.1 × (40+25)) = 59.5[degC]
MPU側の各部温度は以下のようになる。
Tpkg1 = Ths1 + (Rhs1 × Pmpu) = 59.5 + (0.1 × 40) = 63.5[degC]
Tdie1-3 = Tpkg1 + (Rjc1 × Pmpu) = 63.5 + (0.2 × 40) = 71.5[degC]、MPU Dieの温度Max.
【００６２】
dT1-3 = Tdie1-3 - Tdie1-0 = 71.5 - 27.5 = 44.0[degC] 、よって MPU側の最大温度差が55[degC]に収まっている。
【００６３】
SBC側の各部温度は以下のようになる。
Ths2 = Ths1 + (Rhs2 × Psbc) = 59.5 + (0.2 × 25) = 64.5[degC]
Tpkg2 = Ths2 + (Rhs2 × Psbc) = 64.5 + (0.1 × 25) = 67.0[degC]
Tdie2-3 = Tpkg2 + (Rjc2 × Psbc) = 67.0 + (0.4 × 25) = 77.0[degC] 、SBC_Dieの温度Max.
【００６４】
dT2-3 = Tdie2-3 - Tdie2-0 = 77.0 - 29.0 = 48.0[degC] 、よって SBC側の最大温度差が55[degC]に収まっている。
【００６５】
SBCとMPUの両者間の温度差は次のようになる。
dT12 = Tdie2-3 - Tdie1-3 = 77.0 - 71.5 = 5.5[degC]
起動時を基準とした両端における温度変化率は次のようになる。
R_diff = | dT2-3 - dT1-3 | / Min.(dT1-3, dT2-3) × 100 = 3.5 / 44 × 100 = 7.9[%]、よって MPU/SBC間の温度差が10[%]に収まっている。
【００６６】
相互影響を避けるために、大電力デバイスのヒートシンクは個々に分離するのが常套手段であった。本例では、ヒートシンクベースは別だがこれらをヒートパイプで結合した。
【００６７】
また、Point-To-Point接続の高速チャネルには両端の温度差によって動作可能範囲がドリフトする特性があり、両者の温度差を小さくする（同じ方向に温度変化させる）ことによりドリフト量を小さく出来るため、ヒートシンクの共有化によって高速チャネル両端のデバイス温度差を小さくすることにより、高速チャネルの安定動作範囲内にとどめるか更により高速な転送レートをサポート可能になる。
【００６８】
本実施形態の冷却装置を用いることにより、消費電力の大きなMPU: Micro Processing Unitにおける発熱を、消費電力の小さなSBC: South Bridge Chipの加熱に使用することでSBCの高速チャネル部における温度変動範囲が縮小され、かつ、両者の温度変動を同方向へ導くことで高速チャネル部における例えばEYE PATTENのドリフトが相殺されるため、高速チャネルにおける温度変動に関する動作マージンを確保することができることから、高速チャネル部の動作マージンに影響するクロストーク(配線)や電圧変動(電源回路・Decoupling-C)に関わる設計を緩和することによるコストの低減が可能となる。
【００６９】
従来からの参考例として図２で説明したように本実施形態と同様に、高速チャネル間の温度差を縮めることを目的として、電源投入時に自己発熱し、ヒーターによって温度上昇を待つ。更に本実施形態では、上記に加えて、チャネル両端の温度変動を同方向に振る（独立させない）効果がある。
【００７０】
上記のように、デバイス(MPUとSBC)間をPoint-To-Point接続する「高速チャネル」の両端における温度変動および両者間の温度差を最小化することにより高速チャネルの動作マージンを増大させることを目的として、Tj1 ≦ Tj2 ( 実施例では、Tjc1 = 80[degC], Tjc2 = 85[degC])、P1 ≧ P2 ( 実施例では、Pmpu max = 50[W], Psbc max = 25[W])の条件下において、次の構成を採った。
【００７１】
即ち、ヒートシンクおよび冷却FINを以下の熱抵抗位置関係に構成することにより、冷却FINと消費電力の高いデバイス(MPU)側ヒートシンクベース間をヒートパイプで熱結合し、消費電力の高いデバイス(MPU)側ヒートシンクベースと消費電力の低い(SBC)側ヒートシンクベースをヒートパイプで熱結合し、電源投入時には消費電力の低いデバイス(SBC)を高いデバイス(MPU)で加熱し、システム運転時にはデバイス(MPUとSBC)間の温度差を縮めるように機能する、冷却装置である。
【００７２】
なお、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この外その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、さらに敢えてMPU(CBE)とSBC(SCC)のヒートシンクベースを連結する構成を有効にすることが可能である。
【００７３】
また、上記した実施の形態に開示されている複数の構成要素を適宜に組み合わせることにより、種々の発明を形成することができる。例えば、実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても良いものである。さらに、異なる実施の形態に係わる構成要素を適宜組み合わせても良いものである。
【符号の説明】
【００７４】
１００…プロセッサモジュール，１０１…プロセッサ回路，１０２…第１高速チャネル回路，１０３…第１初期化回路，１０４…リニア温度センサ，１１０…ブリッジコントローラ，１１１…高速チャネル回路，１１２…第２初期化回路，１１３…電源コントローラ制御部，１２０…システムコントローラ，１２１…初期化制御部，１２２…温度コントローラ制御部，１２３…電源コントローラ制御部，１２４…温度取得部，１３０…温度コントローラ，１３１…制御回路，１３２…ファン制御回路，１３３…温度検出回路，１４０…冷却ファン，１５０…電源コントローラ，１６０…メインメモリ。
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体モジュールを冷却する冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
デバイス間の通信速度を向上させる手段として高速(シリアル)チャネルが用いられる。例えば、データ転送レート5Gbpsの8bitリンクをTX/RX双方に持つャネルが使用されている。
【０００３】
高速チャネルではTX/RX間AC特性の保証条件として温度変動範囲を規定しているが、性能とのトレードオフによりこの規定がデバイスの動作温度範囲を下回っていると、デバイスの温度管理が必要となる。
【０００４】
MPU: Micro Processing UnitとSBC: South Bridge Chipの温度管理を例に取ると、MPUは動作周波数が高く、Die面積が大きく自己リーク電流が大きいことから電源投入およびクロックメッシュ活性による待機状態における消費電力が高いため、キャリブレーション実行時までに自己消費電力によってDie温度を高めることができる。これに対してSBCは動作周波数が低く、Die面先が小さく自己リーク電流も小さいことから、キャリブレーション実行時にはDie温度が充分には上がらないと言う問題がある。
【０００５】
また、高速チャネルにはEYE PATTERNが温度変化によってドリフトする特性があり、チャネル両端の温度変化が逆方向に振れると両者のドリフトが相乗してしまう。
【０００６】
高速チャネルの動作マージンに大きく影響を与える温度以外のパラメータとして、配線上のクロストークおよび動作電圧が挙げられるが、温度環境を最適化できないとクロストークを低減させるために配線間隔を広げる（基板面積の増大によるコスト増）、動作電圧を安定させるためにグレードの高い電源回路/部品を使用する、基板上の電源ラインを太くする（基板面積の増大、Decoupling-Cを増やす、部品点数といったH/Wコストを増加させる）対策をおこなわなければならい。
【０００７】
よって半導体モジュールの温度が変動しても、半導体モジュールに設けられたチャネル回路が正常に通信を行うことが工夫されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００８】
なお更に、高速チャネル部における温度変動範囲を縮小し、かつ、高速チャネル部両端の温度変動を同方向へ導くことの要望があるが、かかる要望を実現するための手段は知られていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−８４１９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、高速チャネル部両端の温度変動を同方向へ導くことができる冷却装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、実施形態によれば冷却装置は、発熱部品の熱を外に放熱して前記発熱部品を冷却する冷却フィンと、前記発熱部品の一つである第１の半導体モジュールと、前記発熱部品の一つである第２の半導体モジュールと、前記第１の半導体モジュールを冷却する第１のヒートシンクと、前記第２の半導体モジュールを冷却する第２のヒートシンクと、前記冷却フィンと前記第１のヒートシンクとを熱的に結合する第１のヒートパイプと、前記第１のヒートシンクと第２のヒートシンクとを熱的に結合する第２のヒートパイプとを含み、前記第１の半導体モジュールの機能上限のジャンクション温度は前記第２の半導体モジュールの機能上限のジャンクション温度よりも低く、また前記第１の半導体モジュールの発熱は前記第２の半導体モジュールの発熱よりも大きい。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の一実施形態に係わる情報処理装置の概略構成を示すブロック図。
【図２】図１に示す情報処理装置の初期化処理の手順を示すフローチャート。
【図３】同実施形態の冷却装置の構成例を説明するために示す図。
【図４】同実施形態の集中定数を用いた等価回路図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明による実施形態を図１乃至図４を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係わる情報処理装置のシステム構成の一例を示すブロック図である。
本情報処理装置は、図１に示されているように、第１の半導体モジュールとしてのプロセッサモジュール１００、第２の半導体モジュールとしてのブリッジコントローラ１１０、システムコントローラ１２０、温度コントローラ１３０、冷却ファン１４０、電源コントローラ１５０、メインメモリ１６０等を備えている。
【００１４】
プロセッサモジュール１００は、プロセッサ回路１０１、第１の高速チャネル回路としての第１高速チャネル回路１０２、第１初期化回路１０３、およびリニア温度センサ１０４を有する。プロセッサモジュール１００の動作保証温度は、５℃〜８０℃である。また、高速チャネル回路が動作する温度範囲は５℃〜８５℃、ただし、第１高速チャネル回路１０２のＩ／Ｏ部ＡＣ特性を保証する温度変動範囲ΔＴ＿ｃ＝５５℃である。
【００１５】
プロセッサ回路１０１は、本情報処理装置の動作を制御するために設けられたプロセッサであり、外部記憶装置からメインメモリ１６０にロードされたＯＳ、アプリケーションプログラム等を実行する。
【００１６】
第１高速チャネル回路１０２はブリッジコントローラ１１０の第２高速チャネル回路１１１と通信を行う回路である。第１初期化回路１０３は、第１高速チャネル回路の初期化（キャリブレーション）を実行する回路である。
【００１７】
リニア温度センサ１０４は、ダイの平均温度監視用の高精度（±１〜２℃程度）なセンサである。リニア温度センサ１０４は、アナログ(ダイオード)セル単体にて構成され、外部にある温度コントローラ１３０にてプロセッサモジュール１００のシリコンダイの平均温度が読み出される。
【００１８】
プロセッサモジュール１００に接続されるブリッジコントローラ１１０は、プロセッサモジュール１００で演算された映像データを表示装置に出力するための図示せぬビデオ出力回路、オーディオ入出力回路、デジタルビデオ入出力インターフェース、ネットワークコントローラ、ＡＴＡコントローラ等を有する。
【００１９】
また、ブリッジコントローラ１１０は、プロセッサモジュール１００の高速チャネル回路と通信を行う第２の高速チャネル回路としての第２高速チャネル回路１１１および第２高速チャネル回路１１１を初期化するための第２初期化回路１１２を有する。第１高速チャネル回路１０２と第２高速チャネル回路１１１とは、相互に８ｂｉｔのパラレル通信を行う。通信速度は、５Ｇｂｐｓである。
【００２０】
システムコントローラ１２０は、初期化制御部１２１、温度コントローラ制御部（温度Ｃｔｌ制御部）１２２、電源コントローラ制御部（電源Ｃｔｌ制御部）１２３、温度取得部１２４を有する。システムコントローラ１２０は、プロセッサモジュール１００およびブリッジコントローラ１１０を含む、起動／異常監視を行う機能を有する。
【００２１】
初期化制御部１２１は、システム全体の初期化を行う機能を有する。温度コントローラ制御部（温度Ｃｔｌ制御部）１２２は、温度コントローラ１３０に対して設定／制御を行う。また、電源コントローラ制御部（電源Ｃｔｌ制御部）１２３は、電源コントローラ１５０に対して設定／制御を行う。温度取得部１２４は、温度コントローラ１３０の温度検出回路１３３がリニア温度センサ１０４から読み出した温度を取得する機能を有する。
【００２２】
先ず、チャネル回路１０２，１１１の初期化について説明する。第２高速チャネル回路１１１から所定のデータ信号を第１高速チャネル回路１０２に送信する。第１高速チャネル回路１０２は、第２高速チャネル回路１１１から送信されたデータ信号を受信するサンプルポイントをスイープする。サンプルポイントをスイープするとデータ信号を受信できる場合とデータ信号を受信できない場合が発生する。そして、第１高速チャネル回路１０２は、データ信号を受信できたサンプルポイントから、データを最適に受信することができるように第１高速チャネル回路１０２の設定を行う。例えば、データ信号を受信できたサンプルポイントの中央のサンプルポイントに応じて第１高速チャネル回路１０２を設定する。第１高速チャネル回路１０２の設定が終了した後、第２高速チャネル回路１１１の設定を実行する。
【００２３】
温度コントローラ１３０は、制御回路１３１、温度検出回路１３３、およびファン制御回路１３２を有する。温度検出回路１３３は、リニア温度センサ１０４で測定されたプロセッサモジュール１００のダイ温度を読み出す。また、ファン制御回路１３２は、プロセッサモジュール１００を冷却するための冷却ファン１４０の回転数を制御する。制御回路１３１は、温度検出回路１３３で読み出された温度に応じてダイ温度を温度コントローラ制御部（温度Ｃｔｌ制御部）１２２によって指定した温度範囲内に保たれるようにファン制御回路１３２を制御する。
【００２４】
ところで、プロセッサモジュール１００の動作保証温度範囲ΔＴ＿ｌ＝８０℃であり、第１高速チャネル回路１０２のＩ／Ｏ部ＡＣ特性を保証する温度変動範囲ΔＴ＿ｃ＝５５℃である。従って、プロセッサ回路１０１の動作温度範囲に対して、第１高速チャネル回路１０２の温度変動範囲が狭い。この温度範囲の違いにより、第１高速チャネル回路１０２の初期化時の温度よりプロセッサモジュール１００の温度が上昇すると、第１高速チャネル回路１０２が正常に通信を行うことができなくなる。
【００２５】
図２は、プロセッサモジュール１００の温度が上昇しても第１高速チャネル回路１０２における通信を正常に行うための初期化処理のフローである。このフローではシステムコントローラ１２０が初期化制御部１２１、温度コントローラ制御部１２２、電源コントローラ制御部１２３、温度取得部１２４を制御し以下の順に行う。初期化処理のフローが完遂される例である。
【００２６】
先ず、ユーザがパワーオン動作を実行すると、システムコントローラ１２０の初期化制御部は初期化を開始する。先ず、温度コントローラ制御部（温度Ｃｔｌ制御部）１２２は、温度コントローラ（温度Ｃｔｌ）１３０を初期化処理用に設定する（ステップＳ１１）。初期化処理用に設定することによって、温度コントローラ１３０は、冷却ファン１４０の回転を停止状態にする。冷却ファン１４０を回転させないことによって、プロセッサモジュール１００が冷却されず、プロセッサモジュール１００の温度上昇を促進することができる。
【００２７】
また、電源コントローラ（電源ｃｔｌ）制御部１２３は、電源コントローラ（電源ｃｔｌ）１５０を初期化処理用に設定すると共に、駆動電力の出力をイネーブルにする（ステップＳ１２）。初期化処理用に設定することによって、駆動電力の出力をイネーブルにすることによって、電源コントローラ（電源ｃｔｌ）１５０は、プロセッサモジュール１００への駆動電力の供給を開始する。初期設定処理用の設定において、駆動電力の電圧値は、プロセッサモジュール１００の動作電圧範囲の最大電圧値とすることが好ましい。プロセッサモジュール１００に最大電圧値を与えることによって、プロセッサモジュール１００の自己発熱が最大になる。
【００２８】
続いて、初期化制御部１２１は、高速チャネル回路１０２，１１１の初期化処理の手前までの処理を実行する（ステップＳ１３）。この初期化処理の手前までの処理とは、プロセッサモジュール１００、ブリッジコントローラ１１０自身の活性化後、高速チャネルの初期化(Calibration)処理の準備、例えばCalibrationのスイープ範囲とステップ幅の設定等である。
【００２９】
そして、温度取得部１２４は、リニア温度センサ１０４によって測定され、温度コントローラ１３０が読み出したプロセッサモジュール１００の温度を温度コントローラ１３０から取得する（ステップＳ１４）。
【００３０】
そして、初期化制御部１２１は、温度取得部１２４によって取得した温度が設定温度以上になったか否かを判別する（ステップＳ１５）。設定温度は、例えば、プロセッサモジュール１００の動作保証温度の上限と第１高速チャネル回路１０２のＡＣ特性を保証する温度変動範囲との差であることが好ましい。本実施形態の場合、動作保証温度の上限が８５度であり、ＡＣ特性を保証する温度変動範囲が５５度であるので、設定温度は３０℃である。
【００３１】
温度が設定温度以上になる迄、初期化制御部１２１は、定期的にプロセッサモジュール１００の温度を取得し、ステップＳ１５の判別処理を行う。温度が設定温度以上になったら（ステップＳ１５のＹｅｓ）、初期化制御部１２１は、プロセッサモジュール１００およびブリッジコントローラ１１０に上述した第１高速チャネル回路１０２および第２高速チャネル回路１１１の初期化処理を実行するための初期化命令を発行する（ステップＳ１６）。
【００３２】
プロセッサモジュール１００の第１初期化回路１０３およびブリッジコントローラ１１０の第２初期化回路１１２は、前述した初期化処理（プロセッサモジュール１００、ブリッジコントローラ１１０の初期化処理のうち高速チャネルの初期化(Calibration)処理）を実行する（ステップＳ１７）。
【００３３】
初期化終了後、初期化制御部の命令に基づいて温度コントローラ制御部（温度Ｃｔｌ制御部）１２２は温度コントローラ（温度Ｃｔｌ）１３０の設定を通常のシステム運用状態に再設定する（ステップＳ１８）。再生設定によって、冷却ファン１４０の回転が可能になり、温度コントローラ１３０は、プロセッサモジュール１００の温度が動作温度の上限以下になるように冷却ファン１４０の回転を制御する。
【００３４】
初期化終了後、初期化制御部の命令に基づいて電源コントローラ制御部（電源ｃｔｌ制御部）１１３は、電源コントローラ（電源ｃｔｌ）１５０を通常のシステム運用状態に再設定する（ステップＳ１９）。
【００３５】
続いて、初期化制御部１２１は、高速チャネル回路の初期化処理以降の初期化処理を実行する（ステップＳ２０）。初期化処理が終了したら、外部記憶装置からＯＳやアプリケーションプログラムをメインメモリ１６０にロードし、プロセッサ回路１０１によって実行する。
【００３６】
本実施形態によれば、プロセッサモジュール１００の温度が３０℃になってから第１高速チャネル回路の初期化処理を実行することによって、プロセッサモジュール１００の温度が動作保証温度の上限になってもプロセッサモジュール１００ブリッジコントローラ１１０間の通信を正常に行うことができる。例えば、プロセッサモジュール１００の温度が２０℃の状態で第１高速チャネル回路の初期化処理を実行した場合を考える。この場合、第１高速チャネル回路１０２のＡＣ特性を保証する温度変動範囲は５５℃であるので、第１高速チャネル回路１０２が正常に通信を行うことができる温度の上限は７５℃となる。
【００３７】
従って、プロセッサモジュール１００の温度が動作保証温度の上限（８０℃）になると、第１高速チャネル回路１０２が正常に通信を行うことができなくなる。しかし、プロセッサモジュール１００の温度が３０℃になってから第１高速チャネル回路の初期化処理を実行すると、第１高速チャネル回路１０２が正常に通信を行うことができる温度の上限は８０℃となる。従って、プロセッサモジュール１００の温度が動作保証温度の上限（８０℃）になっても、第１高速チャネル回路１０２が正常に通信を行うことができる。
【００３８】
なお、本実施形態の場合、プロセッサモジュール１００の温度が３０℃になってから第１高速チャネル回路１０２の初期化処理を実行するために、システムの起動時間が長くなってしまうおそれがある。起動時間を最優先する場合、プロセッサモジュール１００に常時給電をおこなうと良い。また、プロセッサモジュール１００にヒータを装着し、プロセッサモジュール１００をヒータによって加熱しておいても良い。また、ユーザのパワーオン操作時にプロセッサ回路１０１内だけで処理を行うことができるプログラムをプロセッサ回路１０１に実行させて、温度上昇を促進させても良い。
【００３９】
プロセッサモジュール１００に常時給電をしたり、プロセッサモジュール１００をヒータによって加熱したりすると、ユーザのパワーオン操作からからソフトウェアの実行開始までの期間を短縮できる代償として、システムの待機電力が増大する不利益が生じてしまう。そこで、ソフトウェアの実行開始後、一時的に高速チャネルを使用できない期間が存在することを許容できるシステムにおいては、見かけ上の起動時間を短縮することを目的として、プロセッサモジュール１００をシステムの初期温度のまま一旦起動させ、ソフトウェアの実行開始後にシリコン温度が３０℃を超えた時点で、高速チャネルの初期化処理を再度実行することにより、シリコン温度の上昇待ち時間の抑制および、待機電力の増大を排除することができる。
【００４０】
以上従来よりの冷却動作として設定温度は３０℃の例を示したが、以下のように設定温度は５℃で更により積極的にチャネル両端の温度変化量を収めるように働く運用も可能である。
【００４１】
図３は、実施形態の冷却装置の構成例を説明するために示す図である。
MPU（プロセッサモジュール１００）は高速チャネルの片端となる第一の冷却対象であり、SBC（ブリッジコントローラ１１０）は高速チャネルのもう片端となる第二の冷却対象である。また冷却FINはMPUおよびSBCの両方を冷却するためのFIN（例えば冷却ファン１４０付き）である。
【００４２】
HeatPipe1は冷却FINとHeatSinkBase1(MPU用HeatSinkBase)を熱結合するための第一のヒートパイプであり、HeatSinkBase1MPU Packageを冷却するための第一のヒートシンクベースである。またPackage1はMPUのLID(放熱面)となる第一のパッケージでありDie1はMPUのシリコンとなる第一のDieである。
【００４３】
なおMPUの形状がPackage-less または LID-less であればPackage1は存在せず、HeatSinkBase1がDie1を直接冷却する。
【００４４】
HeatPipe2はHeatSinkBase1とHeatSinkBase2(SBC用HeatSinkBase)を熱結合するための第二のヒートパイプであり、HeatSinkBase2はSBC Packageを冷却するための第二のヒートシンクベースである。またPackage2はSBCのLID(放熱面)となる第二のパッケージであり、Die2はSBCのシリコンとなる第二のDieである。
【００４５】
なおSBCの形状がPackage-less または LID-less であればPackage2は存在せず、HeatSinkBase2がDie2を直接冷却する。
【００４６】
図４は、実施形態の集中定数を用いた放熱の等価回路図である。
各部の温度[degC]（℃）として管理するポイントには、以下のものがある。
Ta: セットの動作温度範囲(本冷却装置に対する環境温度)
Tfin: 冷却FIN温度
Ths1: 第一のヒートシンクベースの温度
Tpkg1: MPU Packageの温度
Tdie1: MPU Dieの温度
Ths2: 第二のヒートシンクベースの温度
Tpkg2: SBC Packageの温度
Tdie2: SBC Dieの温度
また、各部の熱抵抗[degC/W]としては、以下の構成要素がある。
Rex-a: 冷却FINから空気間の熱抵抗
Rhp1: 第一のヒートパイプの熱抵抗
Rhs1: 第一のヒートシンクの熱抵抗
Rjc1: MPUのJunction(Die)-Case(Package)間の熱抵抗
なおMPUの形状がPackage-less または LID-less であればRPjc1の代わりにRjh1: Junction-Heatsink 間の熱抵抗を用いる。
【００４７】
Rhp2: 第二のヒートパイプの熱抵抗
Rhs2: 第二のヒートシンクの熱抵抗
Rjc2: SBCのJunction(Die)-Case(Package)間の熱抵抗
なおSBCの形状がPackage-less または LID-less であればRPjc2の代わりにRjh2: Junction-Heatsink 間の熱抵抗を用いる。
【００４８】
（動作温度の検証）
次のような設定のもとに下記（１）から（４）の４例の動作温度を説明する。
まず情報処理装置セットの動作温度範囲をTa = 5〜40[degC]とし、MPU/SBCおよび高速チャネルの温度仕様を以下とする。
PKG熱抵抗Rjc（Die面積に反比例する）: MPU のRjc（Rjc1 ）< SBCのRjc(Rjc2)
例えば （Rjc1 = 0.20[degC/W]）< (Rjc2 = 0.40[degC/W])
Case温度: MPU のCase温度（Tpk1 ）< SBCのCase温度( Tpk2)
例えば （Tpk1 = 70[degC]）< ( Tpk2 = 75[degC])
Junction温度: MPU のJunction温度（Tpk1 ）< SBCのJunction温度( Tpk2)
例えば （ Tjc1 = 80[degC]）< ( Tjc2 = 85[degC])
高速チャネルの動作温度範囲: +/- 55[degC]
なお本実施形態において下記の熱設計および設定値を適用する。
冷却FINからTaへの廃熱における熱抵抗: Rex-a = 0.20[degC/W]
HP1の熱抵抗: Rhp1 = 0.10[degC/W]（FINとMPU間はヒートパイプ ２本で接続）
HP2の熱抵抗: Rhp2 = 0.20[degC/W]（MPUとSBC間はヒートパイプ １本で接続）
HS1の熱抵抗: Rhs1 = 0.05[degC/W]（MPUとSBCが同等サイズであれば同一品を使用）
HS2の熱抵抗: Rhs2 = 0.05[degC/W]（MPUとSBCが同等サイズであれば同一品を使用）
初期化時電力: MPU の初期化時電力（Pmpu ）> SBCの初期化時電力(Psbc)
例えば （Pmpu = 30[W]）> (Psbc = 15[W])
無負荷時電力: MPU の無負荷時電力（Pmpu ）> SBCの無負荷時電力(Psbc)
例えば （Pmpu = 40[W]）> (Psbc = 20[W])
最大消費電力: MPU の最大消費電力（Pmpu ）> SBCの最大消費電力(Psbc)
例えば （Pmpu = 50[W]）> (Psbc = 25[W])
電源投入時にはMPUの発熱によってSBCが加熱されることから高速チャネル両端のシリコン(die)の温度差を所望の範囲(実施例では、両端における各々の温度変化量を55[degC]以下、両端間の温度変化量を+/-10[%]以下)に収めることができる。以下に、セット(システム)の動作状態（１）から（４）の夫々に各部における温度状態を示す。
【００４９】
（１） Ta=5[degC]で起動した場合のMPU/SBC両端における温度変化の例
共通部の各部温度は以下のようになる。
Tfin = Ta + (Rex-a × (Pmpu + Psbc)) = 5 + (0.2 × (30+15)) = 14.0[degC]
Ths1 = Tfin + (Rhp1 × (Pmpu + Psbc)) = 14 + (0.1 × (30+15)) = 18.5[degC]
MPU側の各部温度は以下のようになる。
Tpkg1 = Ths1 + (Rhs1 × Pmpu) = 18.5 + (0.1 × 30) = 21.5[degC]
Tdie1-0 = Tpkg1 + (Rjc1 × Pmpu) = 21.5 + (0.2 × 30) = 27.5[degC]、MPU Dieの温度Min.で、MPU側の基準(Calibration実行)温度
【００５０】
SBC側の各部温度は以下のようになる。
Ths2 = Ths1 + (Rhs2 × Psbc) = 18.5 + (0.2 × 15) = 21.5[degC]
Tpkg2 = Ths2 + (Rhs2 × Psbc) = 21.5 + (0.1 × 15) = 23.0[degC]
Tdie2-0 = Tpkg2 + (Rjc2 × Psbc) = 23.0 + (0.4 × 15) = 29.0[degC] 、SBC_Dieの温度Min.でSBC側の基準(Calibration実行)温度
【００５１】
SBCとMPUの両者間の温度差は次のようになる。
dT12 = Tdie2-0 - Tdie1-0 = 29.0 - 27.5 = 1.5[degC]
（２） Ta=40[degC]でMPUとSBCの両方が高負荷運転した場合のMPU/SBC両端における温度変化の例
共通部の各部温度は以下のようになる。
Tfin = Ta + (Rex-a × (Pmpu + Psbc)) = 40 + (0.2 × (50+25)) = 55.0[degC]
Ths1 = Tfin + (Rhp1 × (Pmpu + Psbc)) = 55 + (0.1 × (50+25)) = 62.5[degC]
MPU側の各部温度は以下のようになる。
Tpkg1 = Ths1 + (Rhs1 × Pmpu) = 62.5 + (0.1 × 50) = 67.5[degC]
Tdie1-1 = Tpkg1 + (Rjc1 × Pmpu) = 67.5 + (0.2 × 50) = 77.5[degC]、 MPU Dieの温度Max.
【００５２】
dT1-1 = Tdie1-1 - Tdie1-0 = 77.5 - 27.5 = 50.0[degC] 、よって MPU側の最大温度差が55[degC]に収まっている。
【００５３】
SBC側の各部温度は以下のようになる。
Ths2 = Ths1 + (Rhs2 × Psbc) = 62.5 + (0.2 × 25) = 67.5[degC]
Tpkg2 = Ths2 + (Rhs2 × Psbc) = 67.5 + (0.1 × 25) = 70.0[degC]
Tdie2-1 = Tpkg2 + (Rjc2 × Psbc) = 70.0 + (0.4 × 25) = 80.0[degC] 、SBC_Dieの温度Max.
【００５４】
dT2-1 = Tdie2-1 - Tdie2-0 = 80.0 - 29.0 = 51.0[degC] よって、 SBC側の最大温度差が55[degC]に収まっている。
【００５５】
SBCとMPUの両者間の温度差は次のようになる。
dT12 = Tdie2-1 - Tdie1-1 = 51.0 - 50.5 = 1.0[degC]
起動時を基準とした両端における温度変化率は次のようになる。
R_diff = | dT2-1 - dT1-1 | / Min.(dT1-1, dT2-1) × 100 = 1 / 50 × 100 = 2.0[%]、よって MPU/SBC間の温度差が10[%]に収まっている。
【００５６】
（３） Ta=40[degC]でMPU高/SBC低負荷運転した場合のMPU/SBC両端における温度変化の例
共通部の各部温度は以下のようになる。
Tfin = Ta + (Rex-a × (Pmpu + Psbc)) = 40 + (0.2 × (50+20)) = 54.0[degC]
Ths1 = Tfin + (Rhp1 × (Pmpu + Psbc)) = 54 + (0.1 × (50+20)) = 61.0[degC]
MPU側の各部温度は以下のようになる。
Tpkg1 = Ths1 + (Rhs1 × Pmpu) = 61.0 + (0.1 × 50) = 66.0[degC]
Tdie1-2 = Tpkg1 + (Rjc1 × Pmpu) = 66.0 + (0.2 × 50) = 76.0[degC]、MPU Dieの温度Max.
【００５７】
dT1-2 = Tdie1-2 - Tdie1-0 = 76.0 - 27.5 = 48.5[degC] 、よって MPU側の最大温度差が55[degC]に収まっている。
【００５８】
SBC側の各部温度は以下のようになる。
Ths2 = Ths1 + (Rhs2 × Psbc) = 61.0 + (0.2 × 20) = 65.0[degC]
Tpkg2 = Ths2 + (Rhs2 × Psbc) = 65.0 + (0.1 × 20) = 67.0[degC]
Tdie2-2 = Tpkg2 + (Rjc2 × Psbc) = 67.0 + (0.4 × 20) = 75.0[degC] 、SBC_Dieの温度Max.
【００５９】
dT2-2 = Tdie2-2 - Tdie2-0 = 75.0 - 29.0 = 46.0[degC] よって、 SBC側の最大温度差が55[degC]に収まっている。
【００６０】
SBCとMPUの両者間の温度差は次のようになる。
dT12 = Tdie2-2 - Tdie1-2 = 46.0 - 48.5 =-2.5 [degC]
起動時を基準とした両端における温度変化率は次のようになる。
R_diff = | dT2-2 - dT1-2 | / Min.(dT1-2, dT2-2) × 100 = 2.5 / 46 × 100 = 5.5[%]、よって MPU/SBC間の温度差が10[%]に収まっている。
【００６１】
（４） Ta=40[degC]でMPU低/SBC高負荷運転した場合のMPU/SBC両端における温度変化の例
共通部の各部温度は以下のようになる。
Tfin = Ta + (Rex-a × (Pmpu + Psbc)) = 40 + (0.2 × (40+25)) = 53.0[degC]
Ths1 = Tfin + (Rhp1 × (Pmpu + Psbc)) = 53 + (0.1 × (40+25)) = 59.5[degC]
MPU側の各部温度は以下のようになる。
Tpkg1 = Ths1 + (Rhs1 × Pmpu) = 59.5 + (0.1 × 40) = 63.5[degC]
Tdie1-3 = Tpkg1 + (Rjc1 × Pmpu) = 63.5 + (0.2 × 40) = 71.5[degC]、MPU Dieの温度Max.
【００６２】
dT1-3 = Tdie1-3 - Tdie1-0 = 71.5 - 27.5 = 44.0[degC] 、よって MPU側の最大温度差が55[degC]に収まっている。
【００６３】
SBC側の各部温度は以下のようになる。
Ths2 = Ths1 + (Rhs2 × Psbc) = 59.5 + (0.2 × 25) = 64.5[degC]
Tpkg2 = Ths2 + (Rhs2 × Psbc) = 64.5 + (0.1 × 25) = 67.0[degC]
Tdie2-3 = Tpkg2 + (Rjc2 × Psbc) = 67.0 + (0.4 × 25) = 77.0[degC] 、SBC_Dieの温度Max.
【００６４】
dT2-3 = Tdie2-3 - Tdie2-0 = 77.0 - 29.0 = 48.0[degC] 、よって SBC側の最大温度差が55[degC]に収まっている。
【００６５】
SBCとMPUの両者間の温度差は次のようになる。
dT12 = Tdie2-3 - Tdie1-3 = 77.0 - 71.5 = 5.5[degC]
起動時を基準とした両端における温度変化率は次のようになる。
R_diff = | dT2-3 - dT1-3 | / Min.(dT1-3, dT2-3) × 100 = 3.5 / 44 × 100 = 7.9[%]、よって MPU/SBC間の温度差が10[%]に収まっている。
【００６６】
相互影響を避けるために、大電力デバイスのヒートシンクは個々に分離するのが常套手段であった。本例では、ヒートシンクベースは別だがこれらをヒートパイプで結合した。
【００６７】
また、Point-To-Point接続の高速チャネルには両端の温度差によって動作可能範囲がドリフトする特性があり、両者の温度差を小さくする（同じ方向に温度変化させる）ことによりドリフト量を小さく出来るため、ヒートシンクの共有化によって高速チャネル両端のデバイス温度差を小さくすることにより、高速チャネルの安定動作範囲内にとどめるか更により高速な転送レートをサポート可能になる。
【００６８】
本実施形態の冷却装置を用いることにより、消費電力の大きなMPU: Micro Processing Unitにおける発熱を、消費電力の小さなSBC: South Bridge Chipの加熱に使用することでSBCの高速チャネル部における温度変動範囲が縮小され、かつ、両者の温度変動を同方向へ導くことで高速チャネル部における例えばEYE PATTENのドリフトが相殺されるため、高速チャネルにおける温度変動に関する動作マージンを確保することができることから、高速チャネル部の動作マージンに影響するクロストーク(配線)や電圧変動(電源回路・Decoupling-C)に関わる設計を緩和することによるコストの低減が可能となる。
【００６９】
従来からの参考例として図２で説明したように本実施形態と同様に、高速チャネル間の温度差を縮めることを目的として、電源投入時に自己発熱し、ヒーターによって温度上昇を待つ。更に本実施形態では、上記に加えて、チャネル両端の温度変動を同方向に振る（独立させない）効果がある。
【００７０】
上記のように、デバイス(MPUとSBC)間をPoint-To-Point接続する「高速チャネル」の両端における温度変動および両者間の温度差を最小化することにより高速チャネルの動作マージンを増大させることを目的として、Tj1 ≦ Tj2 ( 実施例では、Tjc1 = 80[degC], Tjc2 = 85[degC])、P1 ≧ P2 ( 実施例では、Pmpu max = 50[W], Psbc max = 25[W])の条件下において、次の構成を採った。
【００７１】
即ち、ヒートシンクおよび冷却FINを以下の熱抵抗位置関係に構成することにより、冷却FINと消費電力の高いデバイス(MPU)側ヒートシンクベース間をヒートパイプで熱結合し、消費電力の高いデバイス(MPU)側ヒートシンクベースと消費電力の低い(SBC)側ヒートシンクベースをヒートパイプで熱結合し、電源投入時には消費電力の低いデバイス(SBC)を高いデバイス(MPU)で加熱し、システム運転時にはデバイス(MPUとSBC)間の温度差を縮めるように機能する、冷却装置である。
【００７２】
なお、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この外その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、さらに敢えてMPU(CBE)とSBC(SCC)のヒートシンクベースを連結する構成を有効にすることが可能である。
【００７３】
また、上記した実施の形態に開示されている複数の構成要素を適宜に組み合わせることにより、種々の発明を形成することができる。例えば、実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても良いものである。さらに、異なる実施の形態に係わる構成要素を適宜組み合わせても良いものである。
【符号の説明】
【００７４】
１００…プロセッサモジュール，１０１…プロセッサ回路，１０２…第１高速チャネル回路，１０３…第１初期化回路，１０４…リニア温度センサ，１１０…ブリッジコントローラ，１１１…高速チャネル回路，１１２…第２初期化回路，１１３…電源コントローラ制御部，１２０…システムコントローラ，１２１…初期化制御部，１２２…温度コントローラ制御部，１２３…電源コントローラ制御部，１２４…温度取得部，１３０…温度コントローラ，１３１…制御回路，１３２…ファン制御回路，１３３…温度検出回路，１４０…冷却ファン，１５０…電源コントローラ，１６０…メインメモリ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱部品の熱を外に放熱して前記発熱部品を冷却する冷却フィンと、
前記発熱部品の一つである第１の半導体モジュールと、
前記発熱部品の一つである第２の半導体モジュールと、
前記第１の半導体モジュールを冷却する第１のヒートシンクと、
前記第２の半導体モジュールを冷却する第２のヒートシンクと、
前記冷却フィンと前記第１のヒートシンクとを熱的に結合する第１のヒートパイプと、
前記第１のヒートシンクと第２のヒートシンクとを熱的に結合する第２のヒートパイプとを含み、
前記第１の半導体モジュールの機能上限のジャンクション温度は前記第２の半導体モジュールの機能上限のジャンクション温度よりも低く、また前記第１の半導体モジュールの発熱は前記第２の半導体モジュールの発熱よりも大きい冷却装置。
【請求項２】
前記第１の半導体モジュールと前記第２の半導体モジュールとは高速チャネルで通信する請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記高速チャネルの前記第１の半導体モジュール側と前記高速チャネルの前記第２の半導体モジュール側との温度格差を低減するように働く請求項２に記載の冷却装置。
【請求項１】
発熱部品の熱を外に放熱して前記発熱部品を冷却する冷却フィンと、
前記発熱部品の一つである第１の半導体モジュールと、
前記発熱部品の一つである第２の半導体モジュールと、
前記第１の半導体モジュールを冷却する第１のヒートシンクと、
前記第２の半導体モジュールを冷却する第２のヒートシンクと、
前記冷却フィンと前記第１のヒートシンクとを熱的に結合する第１のヒートパイプと、
前記第１のヒートシンクと第２のヒートシンクとを熱的に結合する第２のヒートパイプとを含み、
前記第１の半導体モジュールの機能上限のジャンクション温度は前記第２の半導体モジュールの機能上限のジャンクション温度よりも低く、また前記第１の半導体モジュールの発熱は前記第２の半導体モジュールの発熱よりも大きい冷却装置。
【請求項２】
前記第１の半導体モジュールと前記第２の半導体モジュールとは高速チャネルで通信する請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記高速チャネルの前記第１の半導体モジュール側と前記高速チャネルの前記第２の半導体モジュール側との温度格差を低減するように働く請求項２に記載の冷却装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−３３５６７（Ｐ２０１２−３３５６７Ａ）
【公開日】平成２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１６９６３９（Ｐ２０１０−１６９６３９）
【出願日】平成２２年７月２８日（２０１０．７．２８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月２８日（２０１０．７．２８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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