提高针鳍散热片散热效率的方法

给定 FPGA 的热量或功耗耗散与 FPGA 门的数量成正比。通常，FPGA门的数量越多，散热就越多。在第一个实验中，我们选用了封装面积为 42.5mm2、散热功率为30W的高级FPGA。首先，我们就该FPGA采用传统的鳍片引脚散热片，并收集温度测量结果了确定散热片的热阻。然后我们选用喇叭状散热片，重复测量过程并再次计算热阻。上述两种散热片的占位面积均为 2.05×2.05英寸，高度为0.6英寸并使用了高导性AL1100铝合金。

我们将实验运行三次，每次都用不同的气流速度。第一次，进气流速度为适中的400每分钟直线英尺(LFM);第二次，气流速度降为 200LFM(空气流速较低);而第三次，我们将气流速度降为100LFM(气流速度极低)。

表 1 给出了实验结果。我们看到，喇叭状引脚和传统鳍片引脚的降温性能都非常出色。不过，转用喇叭状设计之后，低气流速度环境下的性能得到了大幅提升。400LFM情况下，喇叭状散热片的性能仅略高于传统引脚，200LFM情况下高出14%，而100LFM情况下热阻则大幅下降了24%。上述结果充分显示了喇叭状引脚设计在低气流速度下所具有的突出优势。

实验二：对多个 FPGA 的降温

包含大量器件的板相对于单FPGA板而言所面临的降温挑战更加复杂。这是因为，在多器件情况下，板上的多个器件要共享周围气流。在给多个高热量FPGA降温时，设计工程师不仅要考虑散热片的热阻问题，还要考虑每个散热片的压降。压降越低，对远离气流源的器件进行降温所需的空气就越多。

由于空气进出引脚阵列的空间更大，喇叭状散热片的压降较低于垂直结构的散热片。为了说明喇叭状引脚在多FPGA环境中的低压降和增强降温效果的双重优势，我们可进行一项简单的实验，让相同的FPGA使用三个散热片，排成一列放在风扇后面。风扇提供一定的气流，我们随后测量温度，确定散热片的热阻。每个FPGA的功耗都是30W。我们将实验运行两次，一次采用3个传统鳍片引脚散热片，一次采用3个喇叭状引脚散热片。我们使用的散热片面积为2.05×2.05英寸，高度为1.1英寸，在自由气流环境下提供的风扇风速为400LFM。

该实验的结果表明，就使用多个散热片的板而言，采用喇叭状引脚会带来巨大优势。实验证明，在使用喇叭状散热片的情况下，第二和第三个器件的热阻下降了 26%~29%。这一性能优势要归功于散热片的低热阻以及低压降。

　展望未来

尖端 FPGA 的散热量不断增加，在此情况下，设计人员希望散热片能够提供更强的降温性能。在某些情况下，无源散热片本身将难以满足散热要求，设计人员必须采用有源散热片解决方案，例如使用风扇散热，在散热片上直接加装风扇等。热管理厂商今后将越来越多地推出风扇散热解决方案。

在极高效的针鳍散热片中嵌入风扇这种集成解决方案就是新型高性能风扇散热的示例之一(图 3)。借助于圆形引脚提供的更大湍流和通过引脚排列而获得的较大表面积，这种集成风扇散热技术能以非常小型化的封装提供出色的降温性能，充分满足ATCA和PCI Express应用的各种需求。

不过，在风扇散热器广泛投入商用之前，设计人员还要在 FPGA 设计中继续利用喇叭状散热片来提升散热效果。