PCIE加速卡产品热设计

陆妹

PCIE加速卡产品热设计

EDA365原创     作者：毛忠宇老师

一、PCIE常见应用结构
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       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
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服务器示图与内的结构

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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。

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二、设计结果

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       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

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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：

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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。

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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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出品｜EDA365

作者｜毛忠宇老师

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