Thermal modelling of CPUs with heat sink : comparing FEM software and object-oriented modelling tools

This thesis is concerned with thermal modelling of a microprocessor and its heat sink structure. Thermal modelling of the whole structure is made with two different approaches, which are Finite Element Method (FEM) and Finite Volume Method (FVM). The first method is implemented with the usage of ANSYS which is a commercial software, while the second method is implemented in the Modelica language by using the open source OpenModelica translator. These models are created with the usage of relevant softwares and heat equations, to have similar results with experimental temperature data for microprocessor cores. Temperature data obtained from the simulations are compared to the experimentaldata. However, the temperature distribution for the heatsink is experimentally unknown, thus, the temperature distribution data obtained through the simulations (with the two approaches) are compared to each other. From the point of view of control, the usage of the Modelica coding environment is substantial due to the fact that with it the FVM approach is used. This method requires less computational power and time, because it utilizes less state variables without losing its precision. The obtained simulation data can be considered as a plant model for a temperature controller design, thus, it is important to have a viable model with less state variables. Additionally, the OpenModelica environment is free and easily adaptable for changing structure dimensions and material properties, to the advantage of result dissemination and reproduction.

Questa tesi riguarda la modellizzazione termica di un microprocessore e la struttura del suo dissipatore di calore. La modellazione termica di tutta la struttura è realizzata con due approcci diversi, ovvero il metodo degli elementi finiti (FEM) e dei volumi finiti (FVM). Il primo metodo è implementato con l’uso di ANSYS, che è un software commerciale, il secondo metodo è implementato in linguaggio Modelica usando il traduttore open source OpenModelica. Questi modelli sono creati a partire dalle equazioni fondamentali del calore, allo scopo di replicare dati sperimentali di temperatura di core. I dati di temperatura ottenuti dalle simulazioni sono quindi confrontati coi dati sperimentali. Tuttavia,la distribuzione della temperatura per il dissipatore di calore è sperimentalmente sconosciuta, quindi in questo caso i dati di distribuzione della temperatura ottenuti attraverso le simulazioni (coi due approcci) vengono confrontati tra loro. Dal punto di vista del controllo, l’utilizzo dell’ambiente Modelica è essenziale per il fatto che in esso si utilizza l’approccio FVM. Questo metodo richiede meno potenza computazionale e tempo,perché utilizza meno variabili di stato senza perdere la sua precisione. I dati di simulazione ottenuti possono essere considerati come un modello di impianto per il progetto del controller di temperatura; è perciò importante avere un modello trattabile con meno variabili di stato. Inoltre, l’ambiente OpenModelica è free e facilmente adattabile per modificare le dimensioni della struttura e le proprietà del materiale, a tutto vantaggio della diffusione e replicabilità dei risultati.