低功耗與無風扇電腦是嵌入式系統的最佳應用

低功耗與無風扇電腦是嵌入式系統的最佳應用

 

關鍵字：嵌入式系統 低功耗 無風扇 全密封 工控機 工控電腦 INTEL ATOM 戶外多塵 潮溼 高溫 惡劣環境 特種環境

 

一．INTEL年度IDF會議的影響

INTEL一年一度的IDF會議已經於4月結束。今年INTEL的年度IDF會議是圍繞嵌入式系統技術的會議。嵌入式系統技術是現今IT行業中發展最快、應用最廣的技術之一，特別是在中國，嵌入式系統技術的推廣應用對傳統產業改造，產品的更新換代和附加值的提升具有更加重要的意義。嵌入式系統技術的發展，將有助於加速中國自主知識產權產品的創新和研製工作，是實現從"中國製造"向"中國創造"轉變的有力途徑之一。有研究顯示，2007年中國嵌入式系統產業已經呈現快速增長態勢，規模達到2250.8億元，同比增長32.3%。我國嵌入式系統的應用也日益增長，在汽車、通信、網絡、安防、工控、自動化、交通、航空航天、移動醫療和消費電子等領域尤其突顯。

 

二．嵌入式系統的特殊應用環境與ATOM產品的面世

2.1．嵌入式系統特殊的應用環境

嵌入式系統技術是將先進的電腦技術、半導體技術和電子技術與各個行業的具體應用相結合後的產物，是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創新的知識集成系統。嵌入式系統往往是在特種的、惡劣的環境下應用，如上述的多個應用領域。這種環境不要求電腦有強大的運算能力，卻對電腦系統的運行穩定性有較高的要求。

例如戶外POS機、車載、數字標牌等應用，都處於特殊的應用環境，這些應用對電腦的運算能力要求不高，但有較高的穩定性要求。如戶外POS機應用，一般情況下沒有客戶反映終端問題，專業人員不可能每天頻繁對機器做檢測（這涉及到維護成本的問題，這裏不詳細討論），戶外POS機對穩定性的要求顯而易見。而且涉及到另一個問題，是否使用帶風扇的電腦。戶外多塵潮溼的使用環境，無可避免風扇帶來的積塵問題，需要派專業人員定時進行維護，這同樣涉及到維護成本的問題。在嵌入式系統的特種環境應用中，利用被動散熱的方式，實現無風扇電腦應用是現時最合理使用方式。

2.2．Intel推出ATOM系列，滿足嵌入式系統的特殊環境應用

基於嵌入式系統對功能、性能、穩定性、功耗、應用環境、成本、形態等方面不斷提出更高的發展需求，促使各種新的嵌入式產品、技術、設計思路等不斷涌現。其中，利用嵌入式系統技術，形成無風扇、低功耗、全密封的電腦系列產品，成爲嵌入式系統技術的一個非常重要的發展分支。

同時，由於嵌入式系統對功能、性能、穩定性、功耗、應用環境、成本、形態等方面的嚴酷要求，嵌入式系統在應用上，需要做到無風扇、低功耗、全密封，這樣嵌入式系統的使用纔有真正的意義。

Intel針對嵌入式系統特殊的環境應用，推出嵌入式ATOM系列產品，以滿足嵌入式系統特殊的環境應用的要求，同時實現無風扇低功耗電腦的應用。

 

三．低功耗與無風扇電腦是嵌入式系統的最佳應用

3.1．如何把ATOM系列產品低功耗的特性運用於嵌入式系統

    很多朋友認爲，嵌入式系統的意義，僅在於其體積小，而往往忽略電腦產品的功耗和發熱量，試問一臺需要在全密封外殼內運行的電腦（例如數字標牌、戶外POS機），功耗過高，發熱量必然增加，是否能保證長時間正常穩定運行，甚至是不間斷運行，相信沒人能保證。我們也不可能爲了保證這些高功耗電腦的應用，而爲其創造良好的使用環境（例如加裝空調），但恰恰這些嵌入式的應用，功耗成爲實際應用上的其中一大難題。爲此，嵌入式系統就是要做到低功耗，纔有意義。

自從ATOM面世以來，由於商用市場用戶對功耗幾乎沒有要求，着重關心的是高性能的電腦產品，致使ATOM在商用市場上屢屢遭到打擊。而在嵌入式領域的應用上，ATOM的面世卻成爲這一領域的新一代領航者。尤其是ATOM N270配搭945GSE+ICH7 的組合，更是將嵌入式的低功耗特性，發揮到極致。

很多朋友對ATOM N270的性能不感冒（N270是單核雙線程的CPU），單單比較CPU，N270的功耗優勢也只有幾瓦。但是，當ATOM N270配搭945GSE+ICH7 芯片組時（總功耗僅10.5W），優勢較之ATOM家族裏，可稱得上是數一數二。從嵌入式系統的應用來看，要實現嵌入式系統的應用，需要採用低功耗的CPU和芯片組的配搭，使用ATOM N270配搭945GSE+ICH7 芯片組的組合，是實現嵌入式低功耗的理想選擇之一。

3.2．結合低功耗特性，實現無風扇電腦

既然嵌入式系統可以通過ATOM N270配搭945GSE+ICH7 芯片組，把功耗控制在11W附近，實現無風扇的應用成爲可能。何謂無風扇的應用？無風扇的應用就是整臺電腦不帶任何風扇，以被動散熱的方式實現散熱。無風扇電腦的使用，可實現高級別的防塵應用和儘可能降低除塵維護成本。無風扇的應用在工控領域已經被使用多年，而且得到廣泛的認可，現時隨着嵌入式系統被更廣泛認識和認同，無風扇的應用也將逐步被更多人認識。

3.3．電腦要做到無風扇，必須是低功耗，才能符合嵌入式系統的應用要求。

可以帶風扇的電腦產品，對功耗高低是沒有要求的，這是由於帶風扇的電腦產品使用主動散熱的方式，把電腦內CPU、北橋、硬盤等等的熱量強行抽出機箱之外。但是電腦要做到無風扇，對功耗的要求則非常嚴格。功耗過高，電腦產品的熱量無法排出機箱之外，熱量在機箱內形成積熱現象，嚴重影響電腦產品的運行，死機、宕機等情況時常出現。電腦要做到無風扇，最恰當是選用低功耗的CPU和芯片組，而且性能不能過低，才能符合嵌入式系統的應用要求。

3.4．無風扇電腦在嵌入式系統應用上的好處

由於嵌入式系統的應用環境比商用市場要嚴酷得多，商用市場帶風扇的電腦產品，在嵌入式系統的使用上，往往遇到很多問題。例如在惡劣的多塵環境下應用，帶風扇的電腦產品由於風扇的作用，將更多的灰塵帶到機箱內，每隔三個月，需要派專業人員對電腦進行清塵處理。無風扇的電腦從根本上解決風扇捲入灰塵的問題，也無需進行清塵處理，節省人工成本。

無風扇電腦產品優勢在嵌入式系統的應用上尤爲突出。經過測試，無風扇電腦產品在惡劣的高溫環境、全密封環境、多塵潮溼環境下，都可以保證長時間不間斷運行。

 

四．電腦要發揮無風扇特性，還需要做到全密封結構

    既然電腦能做到無風扇，那全密封也成爲可能，正正是無風扇全密封的設計，電腦的防塵等級也能達到較高水平。

4.1．如何發揮無風扇特性

上面我們說過，選擇低功耗的CPU和芯片組，可以做到無風扇的電腦。既然免去風扇，實現全密封的電腦則成爲可能。電腦做到全密封的結構，必須滿足2個條件：一是無風扇設計，二是低功耗的主板。由於風扇轉動會捲入灰塵和沙粒，因此電腦要做到全密封，必須是無風扇的。正是由於電腦要做到全密封結構，需要使用無風扇的電腦，而正如上述所言，要實現無風扇的電腦，必須選用低功耗的CPU和芯片組的主板，才能實現真正的無風扇電腦。

現時市面上的無風扇電腦，主要有2種。一種是主板無風扇，機箱外殼多孔的，一種是主板無風扇，整機全密封無風扇的。

1．主板無風扇，機箱外殼多孔型

該種電腦把散熱片裝在CPU、北橋上進行散熱。此散熱方式是先把CPU、北橋熱量積聚在機箱內部，透過機箱通風孔排出熱量，爲加快散熱，利用電源風扇幫助氣流流動，這種所謂的無風扇做法，機箱內部會產生積熱，降低散熱效能。在溫度高的環境下，機箱的通風孔較難實現通風，只能依靠風扇進行抽風散熱。由於電源風扇的效能有限，該種電腦容易由於工作溫度過高而死機；在多塵潮溼惡劣環境下，由於風扇不停的轉動，捲入更多的灰塵、水分，灰塵、水分容易附在主板上，逐漸腐蝕主板上的元器件。一段時間後，導致主板出現莫名其妙的故障，影響電腦的正常使用。

主板無風扇，機箱外殼多孔型電腦

 

2. 主板無風扇，機箱全密封型

這類無風扇電腦使用低功耗主板，例如ATOM系列主板，整機(包括內存和硬盤等)功耗20W附近，名副其實的超低功耗整機。機箱使用全鋁製結構，機箱內部採用特殊設計處理，把CPU、北橋等散熱大戶的熱量迅速有效的傳導到機箱表面，熱量不在機箱內過多積聚，利用機箱外空氣的對流作用，把機箱表面的熱量帶走。這類做法很多人認爲散熱設計不及使用風扇的設計有效，但是已有的很多測試證明，這類的無風扇設計，較之帶風扇的產品，無論是散熱效果還是導熱效果，都要優勝。

由於這類低功耗主板本身的功耗低，而且採用特殊的結構設計，把主板的熱量很好的傳導到鋁製機箱外殼上，這爲實現機箱的全密封設計提供了條件。經過測試、實驗和市場的檢驗，功耗在20W附件的ATOM系列整機，已經實現了機箱全密封的設計。經過多次不同環境的測試，這樣的機構可以在-20℃ -- 60℃全密封寬溫環境下，長時間不間斷正常穩定運行。

主板無風扇，機箱全密封型

 

4.2．全密封的好處

嵌入式系統的應用領域多種多樣，特別是在戶外多塵、潮溼、高溫等惡劣環境下應用，受到灰塵的影響是比較嚴重的。電腦吸入的灰塵附在電腦內部配件的元器件上，一段時間後，腐蝕元器件，造成電腦壽命的縮短，死機、宕機的情況時常發生。

在嵌入式系統的使用上，較理想的選擇是選用全密封的工控機，這是由嵌入式系統的使用環境決定的。嵌入式系統的使用，無可避免會遇到多塵、高溫、潮溼的惡劣環境，全密封結構的工控電腦，可以有效的防塵防水，而且很多都能達到IP40的級別。

 

五．嵌入式系統的臨界值

每款電子產品都有其自身的性能臨界值，即使是現時最高速的CPU，也有其性能的臨界值。對於嵌入式系統來說更是如此。嵌入式系統是功能和性能的最佳平衡點，性能可以滿足功能的應用，已經符合嵌入式系統的應用，過高性能的電子產品，只會造成功能應用的浪費，同時也增加電子產品的成本。

我們建議，嵌入式系統的用戶在選擇電子產品時，對自身的應用做好壓力測試，對應用的電子產品做好臨界值的預估，才能達到嵌入式系統應用的最大化，成本的最優化，達到嵌入式系統功能和性能的最佳平衡點。

 

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