散热概念增强了DRAM内存子系统设计

存储器设计人员可以使用一系列简单但功能强大的热概念来减轻热量并设计更好的存储器子系统。

控制与CPU相关的散热问题通常是嵌入式系统设计人员的首要任务。但是，内存模块并不一定不那么重要。热管理问题在嵌入式环境中提出了具有挑战性的设计考虑因素，需要知识、精度和创造力来诊断和克服存储器子系统设计参数。

过去，内存并不像设计人员对CPU那样复杂，也不需要像设计人员那样给予热关注。由于CPU需要冷却，芯片组配备了散热器作为生产标准。相比之下，内存模块只需要轻微的气流调整即可控制温度。但是，随着 DDR3 和 DDR4 技术在当今 Äôs 嵌入式设计中的速度不断提高，内存模块设计非常复杂，也需要热关注。

时钟速度只是内存运行比以往更热的原因之一。客户环境、整体设计选择（如内存模块在电路板上的 Äô 位置、水平或垂直模块方向）以及系统上的气流量也会影响内存模块的 Äô 热状况。

嵌入式系统设计人员通常使用紧凑的电路板布局，需要近乎完美的工程设计才能实现完美的信号完整性和极致的性能。虽然存在其他设计问题，但成功的系统设计人员将内存热管理视为更高级别的设计问题，以跟上不断发展的内存技术和热管理技术，以减少内存模块中的热量。

存储器设计人员可以使用一系列简单但功能强大的热概念来减轻热量并设计更好的存储器子系统。同样，系统设计人员可以在创建设计时通过整合这些概念来增强产品。

热火正开启

存储器设计人员首先选择可减轻热量并提供最佳整体散热方案的存储器模块。将使用最少 DRAM 的模块整合到最多数量的模块等级中，可以实现所需的模块密度并有效管理电源。待机模式下的 DRAM 越多，模块消耗的功率就越少 - 通常通过使用具有最宽数据总线的 DRAM 来实现，如表 1 所示。例如，36 芯片四列 x8 DIMM 比 36 芯片两列 x4 DIMM 使用更少的功率。

图 1

再举一个例子，一个512 MB的纠错码DIMM可以使用五个64x16 DRAM芯片，而不是九个64x8 DRAM，从而减少44%的热量。由于数据表中为 64x16 和 64x8 DRAM 指定的 IDD 值的差异，实际减少量可能会略小。内存设计人员通常会探索内存控制器芯片组是否可以支持更宽的 DRAM 数据总线宽度。

总体而言，在非堆叠或没有大型热半导体的DRAM之间适当间隔的内存模块将具有更好的热特性。小型存储器，如堆叠式超薄型存储器或堆叠式 SODIMM，具有更高的功率密度（瓦特/面积），需要特殊考虑冷却。由于板载高级内存缓冲器，完全缓冲的 DIMM 也具有高功率密度，并且可能需要额外的冷却辅助或气流。

系统与内存

热传感器是存储器设计人员的关键工具。JEDEC‘Äôs标准规定，内存模块具有热传感器，可为用户提供监控和触发机制，根据温度波动调整系统性能。

根据定义的参数，系统可以发出扩展模式寄存器设置命令，该命令将在+85¬∞C的触发温度下将DDR2 DRAM上的内部刷新率加倍至32毫秒（tREFI = 3.9微秒），以将DRAM工作温度扩展到+95¬∞C。如果该功能不可用，设计人员可以在存储器模块上集成特殊编程，以扩展温度操作。或者，系统可以使用闭环动态温度节流和风扇速度控制来优化内存性能。

这里的关键点是CPU管理内存板’Äôs热传感器，这表明系统级和板级热问题密切相关。系统‘Äôs BIOS读取传感器的输出，并根据预编程的阈值评估性能选项，以确定可接受的温度范围。例如，如果内存在有限的温度下运行，系统热量监控器会提醒管理员温度高于定义的阈值，提示他们采取必要的步骤来降低温度，例如检查处理器和机箱风扇，解决可能阻塞的任何机箱气流通风口，或添加另一个机箱风扇。

气流很重要

气流是内存的一个简单但关键的问题;主要目标是避免将预热的空气直接吹过内存子系统。只要有可能，设计人员就应将内存子系统放置在处理器的侧面，并置在处理器’Äôs 散热器或其他热组件（如电源或芯片组）产生的暖空气流之外。环境进气应均匀地流过内存子系统和其他热组件（如处理器）。

模块之间的气隙太小可能会从气流路径内物理受阻的 DIMM 模块产生气流背压。这可能导致气流压降沿 DIMM 的侧面，导致气流减少，或者可能将气流转移出去或绕过整个内存子系统。DIMM 插座从中心到中心的间距应为 10 mm 或更大。

通常，最大化气流会将热量从内存中抽出。如果声学噪声不是问题，设计人员应使用鼓风机或双风扇来优化气流。通过抽取排气点处的热空气可以最好地实现具有最小压降的气流，但也可以通过在进气点将空气推入来改善。充气室、管道或护罩可用于引导和容纳通过内存子系统的气流，平行于 DIMM 的最长侧和两侧流动。这些外壳可能允许较慢的风扇速度，噪音较小，并且不会影响气流。

内存模块可以设计为允许气流穿过 DIMM 的短侧，从而消除热量拖过 DIMM 的长侧。这种类型的夹层连接器技术不会将太多的 DRAM 暴露在来自上游 DRAM 的预热空气中。

如果主板或系统主板平整安装并垂直于重力线，则内存的最佳方向是垂直安装，因为热空气沿着重力线上升。垂直 DIMM 方向可防止热量被困在内存模块的下部底部。如果无法进行垂直安装，则倾斜安装 DIMM 方向将受益于单侧 DIMM，其中 DRAM 组件安装在顶部。这也适用于平放在系统主板上的内存DIMM。

设计人员应选择具有 DRAM 放置位置的模块，该模块不允许所有 DRAM 器件同时在同一侧处于活动状态。在内存模块的每一侧交替放置 DRAM 的模块将均匀地分散 DIMM 周围的热量。如果 DIMM 的一侧的气流受到限制，则仅将 DRAM 放在具有最大气流的一侧的内存模块在较高温度下的性能会更好。图1说明了交替DRAM等级技术如何减少热影响。

图 2

散热器等

散热器是放置在内存模块表面的金属盖，用于将热量均匀地分散在表面上，并通过去除局部热点来平衡表面温度。散热器由热导材料（如铜或铝）制成，形状为包裹在内存模块周围的蛤壳形状。

如果空间允许，放置在内存侧表面和/或内存模块顶边缘的散热器将最大限度地从模块中抽取热量。散热器在不影响气流的情况下向内存模块增加的额外表面积决定了其整体效果。

导热PCB和PCB芯也是有效的选择。这些金属或碳复合材料层压层嵌入到存储器PCB的结构中，使其比标准FR-4运行温度更低。这些层还通过去除局部热点（如锁相环）来均衡元件温度。通过热器件下的孔将热量传导到磁芯中而产生的许多热点并不少见。这些磁芯反过来将热量传导到模块的边缘手指中，并可以带到PCB的顶部边缘，使其暴露于散热器或散热器中。这种类型的PCB的顶部边缘具有DIM的内部散热芯，连接到模块顶部的集成散热器，从而增加了DIMM的额外高度。

在制造过程中，内存模块可以在运行客户Äô诊断软件的客户Äô系统中在高温下进行测试。这种主动老化将屏蔽潜在的弱模块。无源老化（在未通电的模块上）对筛选出具有弱电池的DRAM没有影响，因为DRAM电池是基于半导体的电容器，需要不断充电或刷新以保留二进制信息。某些内存模块可使用经过筛选的 DRAM，扩展工作温度范围为 -40 ¬∞C ‘¬ tcase ’¬§ +95 ¬∞C。这是一个特殊项目，并非所有 DRAM 供应商都提供工业温度 DRAM 作为商业温度 （0 ¬∞C‘ - Tcase ’1§ +85¬ ∞C） 的选件。

热问题无处不在

热管理问题随着内存技术的发展而发展，并成为嵌入式系统可靠性和性能的关键。系统设计人员和内存子系统设计人员之间的设计动态也在不断发展，可能会影响为耐用性和性能而构建的设计。值得信赖的系统级和板级合作伙伴关系，以及对与 DRAM 内存模块相关的当前热概念的更多了解，可以对最终产品的成功产生重大影响。

将 DRAM 内存模块的散热考虑因素作为经过验证的系统设计原则的一部分，可以使设计人员对提高散热性能的方法有更深入的了解。一般设计考虑因素和替代散热选项可以创建一个成功的内存子系统设计，有效地满足嵌入式环境中高内存带宽、大内存密度、小物理空间和低成本的系统要求。

审核编辑：郭婷