CPU liquid cooling : dynamic modelling and experimental characterisation

This thesis has been developed with the aim to give a contribution to the problem of thermal management in computer architectures, which is becoming every day more relevant due to the increasing power density of high-performance integrated circuits. This issue is very challenging in the academic and industrial fields. Many solutions have been presented and many others are in the development phase. The main ways that have been developed are controlling the dissipated power through knobs such as DVFS, which however affects the computing performance due to a (temporary) reduction in the clock frequency, and improving heat dissipation strategies by novel heat sink designs, such as the transition from air to water cooling. This thesis presents the modelization in Modelica environment of a liquid heat sink with his hydraulic circuit and a modelization of a thermal test chip used to simulate a processor. The thesis includes the design of an experimental setup to perform model parameter fitting and structure assessment, as well as a partial validation of the presented models.

Il presente lavoro di tesi è stato sviluppato con l'intenzione di dare un contributo alla soluzione del problema della gestione termica dei computer, reso sempre più importante dalla presenza di significativi incrementi di densità di potenza nei circuiti integrati ad alte performance. Questa problematica risulta essere molto stimolante sia per la ricerca in ambito accademico che industriale. Tante soluzioni sono già state proposte e molte altre sono in via di sviluppo. Gli attuali sviluppi prevedono, da una parte, la progettazione di controllori DVFS i quali, tuttavia, comportano delle limitazioni di performance dovuti a (temporanee) limitazioni della frequenza di lavoro del processore e, dall'altra, il miglioramento delle strategie di dissipazione termica attraverso lo studio di nuovi sistemi di dissipazione. In questa tesi viene presentata la modellazione in ambiente Modelica di un dissipatore a liquido e del relativo circuito idraulico e di un Thermal Test Chip in grado di simulare il comportamento termico di un processore. La tesi include il design di una configurazione sperimentale per l'esecuzione di prove volte all'acquisizione di dati utili per l'identificazione dei parametri del modello e una valutazione della struttura, cosi come alla validazione dei modelli presentati.