Es ist kein Geheimnis, dass höhere Leistung höhere Anforderungen an das Wärmemanagement bedeutet. Eine dichtere Elektronik auf kleinerem Raum stellt Designer oft vor die Herausforderung, kreativere Wege zu finden, um die erhöhte Wärmemenge für konduktive Kühlmethoden abzuleiten. OpenVPX ermöglicht außergewöhnliche Sprünge bei der Gesamtsystembandbreite und der Verarbeitungsgeschwindigkeit, was neue Methoden zur Bewältigung der daraus resultierenden thermischen Herausforderungen erfordert.
OpenVPX hat optische Signale und HF-Signale in die Backplane eingeführt und diese ansonsten diskreten Anschlüsse von der Vorderseite der Karten entfernt. Durch die neuen Backplane-Verbindungen entfällt zwar ein Kabelwirrwarr, aber die geballten Hochgeschwindigkeitssignale, die jetzt die Rückwandplatine durchqueren, heizen das System schnell auf, was den ohnehin schon schwierig zu bewältigenden Temperaturanstieg noch verstärkt.
Einige der komplexesten Karten werden in Anwendungen wie der Signalaufklärung für die Kommunikation und zur Aufzeichnung von Signalen auf dem Schlachtfeld — einschließlich feindlicher Kommunikation — verwendet, wobei Audioeingänge aufgenommen und die Quelle feindlichen Feuers trianguliert werden.
Viele Hochleistungsanwendungen benötigen Prozessor- und FPGA-Systembandbreite (Field-Programmable Gate Array), die die thermische Belastung im Inneren des Gehäuses erhöhen, was neue Strategien für das Wärmemanagement erforderlich macht. Ein Beispiel ist eine kürzlich durchgeführte Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, für die viele HF-Eingänge erforderlich waren — 36 Nutzlast-Steckplätze mit jeweils 16 HF-Signalen und viele große Radarararrays, die große Mengen an HF-I/O-Signalen benötigen.
Enge Räume bedeuten mehr Wärme
Eingebettete Subsysteme müssen manchmal so konfiguriert werden, dass sie in bestehende enge Räume in Flugzeugen, Bodenfahrzeugen, U-Booten, Raumfahrzeugen und anderen robusten, kompakten Umgebungen passen, was zu der Notwendigkeit einer optimierten SWAP-C-Lösung (Größe, Gewicht und Stromkühlung*) geführt hat. OpenVPX bietet zwar erhebliche Verbesserungen bei der Signalintegrität, Geschwindigkeit und Leistungsfähigkeit von Systemen, die vor Ort eingesetzt werden, hat aber auch zu neuen Herausforderungen bei diesen platzbeschränkten Installationen geführt.
Je leistungsfähigere Systeme implementiert werden, desto mehr hängt die Wahl zwischen 3U VPX und 6U VPX davon ab, welche Funktionen auf der kleineren Karte im Vergleich zur größeren zusammengefasst werden können. Und da Prozessoren und FPGAs mehr Funktionen ermöglichen, wird der 3U-VPX-Formfaktor aufgrund seiner geringeren Größe und seines geringeren Gewichts bevorzugt. Dadurch stoßen die bestehenden Techniken der Konvektions- und Konduktionskühlung, die in der Norm definiert sind, an ihre Grenzen.
Diese Leistungskonzentration auf einer kleineren Platine hat sich stark auf das Gehäuse- und Backplane-Design ausgewirkt und das Wärmemanagement in Systemen, die eine 3U-Karte verwenden, kompliziert, sodass die Wärmeableitung zu einem größeren Problem wurde. Neue Kühloptionen unter dem Dach von VITA 48 dienen jedoch dazu, der erhöhten Hitze in diesen Hochleistungssystemen Rechnung zu tragen.
Jenseits der traditionellen Konvektion und Konduktion
Für die meisten aktuellen Anwendungen sind Konduktionskühlung, wie in VITA 48.2 definiert, und die anerkannte Kohortenkonvektionskühlung ausreichend. Doch die zusätzliche Komplexität und die Wärmeentwicklung neuer Platinen und Steckverbinder treiben die derzeitigen Methoden zur Systemkühlung schnell über diese definierten Grenzen hinaus.
Da VPX immer beliebter wird, haben die VITA-Normenausschüsse im Rahmen von VITA 48 zusätzliche Kühlmethoden definiert, um sicherzustellen, dass zukünftige thermische Anforderungen angemessen erfüllt werden. Aktuelle Iterationen sind:
- 48,4, Flüssigkeitsdurchfluss, wahrscheinlich am effizientesten bis zu 450 Watt pro Karte
- 48,5, Luftdurchfluss, der den Vorteil hat, dass die Luft auf bestimmte Karten dosiert werden kann
- 48,7, vorbeiströmender Luftstrom
- 48,8, Luftdurchflusskühlung ohne Versiegelung für 3U- und 6U-VPX-Module mit kleinem Formfaktor (ANSI-ratifiziert im Oktober 2017)
Die Umgebung, in der die Platinen entwickelt und getestet werden, unterscheidet sich in der Regel von der Umgebung, in der die Platinen letztendlich eingesetzt werden, sodass ein Laborgehäuse in der Regel nur auf Lüfterkühlung angewiesen ist, wohingegen ein installiertes Gerät möglicherweise eine Konduktionskühlung benötigt. Die richtige Kühlmethode für ein eingesetztes System sollte auf dem praktischsten Design basieren und das Gehäuse, den Kühlkörper der Karte und das Gehäuse selbst berücksichtigen.
Siehe Blogbeitrag zu VITA 48.4 und alternativen Kühlmethoden
OpenVPX in die Zukunft
OpenVPX hat neue Definitionen für VPX-Backplanes und -Systeme ermöglicht und Systemarchitekten und Endbenutzern eine weitaus größere Auswahl an kritischen Hochgeschwindigkeitsanwendungen geboten, was den Weg für eine offenere Architektur und herstellerübergreifende Interoperabilität in der Zukunft ebnet. Es fördert das technologische Wachstum im Laufe der Zeit, ohne dass Änderungen an der Systemarchitektur erforderlich sind. Es nutzt Anpassungen innerhalb der Standards selbst, um neue Funktionen zu ermöglichen und HPEC-Hardware zu entwickeln.
Die Systemdichte nimmt ständig zu, und Endanwender suchen immer noch nach Möglichkeiten, kleinere Boxen in kompaktere Räume unterzubringen, damit sie noch mehr Elektronik in ihre Anwendungen integrieren können. Was natürlich mehr Wärme bedeutet.
* Für die Zwecke dieser Diskussion bezieht sich das „C“ in Swap-C auf „Kühlung“, während in einigen Definitionen das „C“ für „Kosten“ steht.
