給定 FPGA 的熱量或功耗耗散與 FPGA 門(mén)的數(shù)量成正比。通常，F(xiàn)PGA門(mén)的數(shù)量越多，散熱就越多。在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們選用了封裝面積為 42.5mm2、散熱功率為30W的高級(jí)FPGA。首先，我們就該FPGA采用傳統(tǒng)的鰭片引腳散熱片，并收集溫度測(cè)量結(jié)果了確定散熱片的熱阻。然后我們選用喇叭狀散熱片，重復(fù)測(cè)量過(guò)程并再次計(jì)算熱阻。上述兩種散熱片的占位面積均為 2.05×2.05英寸，高度為0.6英寸并使用了高導(dǎo)性AL1100鋁合金。

　　我們將實(shí)驗(yàn)運(yùn)行三次，每次都用不同的氣流速度。第一次，進(jìn)氣流速度為適中的400每分鐘直線(xiàn)英尺(LFM);第二次，氣流速度降為 200LFM(空氣流速較低);而第三次，我們將氣流速度降為100LFM(氣流速度極低)。

　　表 1 給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。我們看到，喇叭狀引腳和傳統(tǒng)鰭片引腳的降溫性能都非常出色。不過(guò)，轉(zhuǎn)用喇叭狀設(shè)計(jì)之后，低氣流速度環(huán)境下的性能得到了大幅提升。400LFM情況下，喇叭狀散熱片的性能僅略高于傳統(tǒng)引腳，200LFM情況下高出14%，而100LFM情況下熱阻則大幅下降了24%。上述結(jié)果充分顯示了喇叭狀引腳設(shè)計(jì)在低氣流速度下所具有的突出優(yōu)勢(shì)。

　　實(shí)驗(yàn)二：對(duì)多個(gè) FPGA 的降溫

　　包含大量器件的板相對(duì)于單FPGA板而言所面臨的降溫挑戰(zhàn)更加復(fù)雜。這是因?yàn)?，在多器件情況下，板上的多個(gè)器件要共享周?chē)鷼饬?。在給多個(gè)高熱量FPGA降溫時(shí)，設(shè)計(jì)工程師不僅要考慮散熱片的熱阻問(wèn)題，還要考慮每個(gè)散熱片的壓降。壓降越低，對(duì)遠(yuǎn)離氣流源的器件進(jìn)行降溫所需的空氣就越多。

　　由于空氣進(jìn)出引腳陣列的空間更大，喇叭狀散熱片的壓降較低于垂直結(jié)構(gòu)的散熱片。為了說(shuō)明喇叭狀引腳在多FPGA環(huán)境中的低壓降和增強(qiáng)降溫效果的雙重優(yōu)勢(shì)，我們可進(jìn)行一項(xiàng)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，讓相同的FPGA使用三個(gè)散熱片，排成一列放在風(fēng)扇后面。風(fēng)扇提供一定的氣流，我們隨后測(cè)量溫度，確定散熱片的熱阻。每個(gè)FPGA的功耗都是30W。我們將實(shí)驗(yàn)運(yùn)行兩次，一次采用3個(gè)傳統(tǒng)鰭片引腳散熱片，一次采用3個(gè)喇叭狀引腳散熱片。我們使用的散熱片面積為2.05×2.05英寸，高度為1.1英寸，在自由氣流環(huán)境下提供的風(fēng)扇風(fēng)速為400LFM。

　　該實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，就使用多個(gè)散熱片的板而言，采用喇叭狀引腳會(huì)帶來(lái)巨大優(yōu)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)證明，在使用喇叭狀散熱片的情況下，第二和第三個(gè)器件的熱阻下降了 26%~29%。這一性能優(yōu)勢(shì)要?dú)w功于散熱片的低熱阻以及低壓降。

　展望未來(lái)

　　尖端 FPGA 的散熱量不斷增加，在此情況下，設(shè)計(jì)人員希望散熱片能夠提供更強(qiáng)的降溫性能。在某些情況下，無(wú)源散熱片本身將難以滿(mǎn)足散熱要求，設(shè)計(jì)人員必須采用有源散熱片解決方案，例如使用風(fēng)扇散熱，在散熱片上直接加裝風(fēng)扇等。熱管理廠(chǎng)商今后將越來(lái)越多地推出風(fēng)扇散熱解決方案。

　　在極高效的針鰭散熱片中嵌入風(fēng)扇這種集成解決方案就是新型高性能風(fēng)扇散熱的示例之一(圖 3)。借助于圓形引腳提供的更大湍流和通過(guò)引腳排列而獲得的較大表面積，這種集成風(fēng)扇散熱技術(shù)能以非常小型化的封裝提供出色的降溫性能，充分滿(mǎn)足ATCA和PCI Express應(yīng)用的各種需求。

　　不過(guò)，在風(fēng)扇散熱器廣泛投入商用之前，設(shè)計(jì)人員還要在 FPGA 設(shè)計(jì)中繼續(xù)利用喇叭狀散熱片來(lái)提升散熱效果。