PCIE加速卡产品热设计

PCIE加速卡产品热设计

---《信号、电源完整性仿真设计与高速产应用实例》中的热设计考虑

背景

本书例子中的高速产品开发过程中除了SI/PI高速信号的过程外，热仿真也是此加速卡最为关键的因素之一，因为此产品的应用环境及物理尺寸已被严格限制，而主器件的功耗非常大给热设计中的散热器尺寸设计及风扇的规格挑选都造成了非常大挑战性的（后期我们的热设计实验室与国内某大服务器厂商交流中得知其设计类似的加速时就卡在热的设计上），关于SI/PI的仿真过程可以参考《信号、电源完整性仿真设计与高速产应用实例》书中的章节，这里介绍的是这个加速卡产品热设计的要点。

近年随着大数据的高速发展，图像处理，加速运算等技术需求越来越高，PCIE FPGA加速卡的运用越来越广，目前高端加速卡所用的FPGA功耗大概在20-60瓦不等，但由于这类PCIE加速卡被限机箱内的空间尺寸限制，其实际的热设计难度非常高。基于这个成功开发的产品经验，本文将讲述PCIE 加速卡热设计过程进行说明及提出前期需要注意的事项。

PCIE常见应用结构

按外形分，服务器可分为塔式服务器、机架式服务器、刀片式服务器。塔式服务器常见的有立式、卧式机箱结构，它的外形及结构都与普通的PC机差不多，只是个头稍大一些，其外形尺寸并无统一标准，塔式服务器的主板扩展性较强，插槽也很多，具有良好的可扩展性。PCIE加速卡就是会放在服务器机箱内，根据不同的型号可以插在X4,X8,X16等槽位。如下图所示

服务器示图与内的结构

POWER 770/780系统内部PCIE插槽示图

PCIE板卡有通用的标准尺寸及限高区，如下所示。

PCIE卡标准尺寸示图

根据PCIE的尺寸标准，结合加速卡的器件规格选型，布局后评估发现留给散热FPGA散热器的空间是非常有限的，而由于性能上的要求对FPGA的性能要求较高，FPGA功耗大约在60瓦，在这么狭小的空间内要求满足散热的要求（如下图），设计难度及风扇选型等都非常有挑战性。

设计结果

经过热实验室的仿真迭代与早期的产品经验，最终完成了产品热设计的方案，实验结果也满足了散热性能的要求。最终的设计效果及仿真结果如下：

实物效果图示

热仿真结果图示

经验建议总结：

此类PCIE FPGA加速卡的散热设计，需要注意如下的方面：

1）在前期规格制定、器件选型及布局时，需要让热设计专家在相应的领域进行评估。

特别是前期布局器、件选型时。对于这类高性能的FPGA，由于散热空间受到很多限制，加上散热器底部器件、电源器件、热敏感器件、支持架、热监控点等情况影响，需热工程师作较为详细的评估。

2）风扇选型成了成败的关键因素之一。

由于散热器总高需小于10mm，在选用合适风量和风道设计非常重要，太小太薄风扇，风量太小，风量大的尺寸和厚度又大。

3）散热器加工工艺的考虑。

由于散热器加工工艺的种类较多：机加工，铝挤，焊接，热管等等，因而散热器在设计时还需要综合考虑可量产性、可靠性、成本等因素。

4）初期可行性的评估方案。

评估初期需要根据加速卡的布局入在机箱中进行风道及进风厚等的缩合设计，根据条件至少要能找到一个合适的方案。

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