淺析CAI技術(shù)在增強(qiáng)電子元件散熱概念設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

PAGE5淺析CAI技術(shù)在概念設(shè)計(jì)中的應(yīng)用——“增強(qiáng)電子元件散熱”的概念設(shè)計(jì)解士昆摘要：本文以電子元件的散熱問題為例，介紹了計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新（CAI）技術(shù)在概念設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。詳細(xì)描述了概念設(shè)計(jì)中系統(tǒng)分析、問題分解、方案求索等主要過程。關(guān)鍵詞：概念設(shè)計(jì)、CAI，TRIZ、本體論、散熱器引言毫無疑問，我國(guó)是制造業(yè)大國(guó)。但這個(gè)曾經(jīng)引以為榮的“世界工廠”帽子，現(xiàn)在已經(jīng)成為企業(yè)利潤(rùn)微薄、惡性競(jìng)爭(zhēng)的背書。原因很簡(jiǎn)單：沒有自己的核心技術(shù)，只能做別人的嫁衣裳。殘酷的現(xiàn)實(shí)逼迫企業(yè)家們開始思考，如何才能擁有自己的“原創(chuàng)”，變MadeinChina為DesigninChina。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程一般分為概念設(shè)計(jì)階段、詳細(xì)設(shè)計(jì)階段、試制階段。其中概念設(shè)計(jì)階段所占的時(shí)間和資源一般只占10%~30%，但決定了產(chǎn)品制造成本的80%，如果考慮到產(chǎn)品的維護(hù)期費(fèi)用，這個(gè)比例還要更高。同時(shí)，由于概念設(shè)計(jì)階段確定了產(chǎn)品的所有主要技術(shù)方向，因此我們所說的創(chuàng)新也主要產(chǎn)生在這一階段。傳統(tǒng)上，概念設(shè)計(jì)依賴于工程技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)，特別是專家的經(jīng)驗(yàn)。這就給企業(yè)帶來了很大的不確定性，也就大大增加了企業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。近年來在歐美快速展的CAI（ComputerAidedInnovation，計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新）技術(shù)，它用科學(xué)、系統(tǒng)化的方法支持了創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)這一過程，大大提高了概念設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量，進(jìn)而為企業(yè)帶來極具競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。CAI技術(shù)簡(jiǎn)介我國(guó)企業(yè)已經(jīng)普遍認(rèn)識(shí)到創(chuàng)新對(duì)于企業(yè)的意義。黨中央國(guó)務(wù)院也作出了建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家的決策，把增強(qiáng)自主創(chuàng)新能力作為國(guó)家戰(zhàn)略。但另一方面，提到創(chuàng)新，很多人也會(huì)有一種恐懼，認(rèn)為創(chuàng)新就是要做出“蒸汽機(jī)”一樣推動(dòng)歷史的偉大發(fā)明，或找到下一個(gè)“相對(duì)論”；要投入天文數(shù)字的科研經(jīng)費(fèi)。事實(shí)上，在以產(chǎn)品為中心的企業(yè)當(dāng)中，解決技術(shù)問題就是創(chuàng)新！資料表明，在工程技術(shù)問題中，其中四分之三的問題可以通過企業(yè)內(nèi)部的既有知識(shí)得到解決。如下表：發(fā)明創(chuàng)造級(jí)別創(chuàng)新的程度比例知識(shí)來源1明確的解32%個(gè)人的知識(shí)2少量的改進(jìn)45%公司內(nèi)的知識(shí)3根本性的改進(jìn)18%行業(yè)內(nèi)的知識(shí)4全新的概念4%行業(yè)以外的知識(shí)5發(fā)現(xiàn)<1%所有已知的發(fā)明的等級(jí)劃分表及知識(shí)領(lǐng)域因此，企業(yè)面對(duì)的主要問題在于：是否可以找到一種切實(shí)有效的方法論，結(jié)構(gòu)化的分析問題，并充分調(diào)動(dòng)既有知識(shí)，創(chuàng)造性的尋求問題的解決方案。事實(shí)上，早在上個(gè)世紀(jì)40年代，前蘇聯(lián)的科學(xué)家阿奇舒勒（Altshuller）在分析大量專利的基礎(chǔ)上，對(duì)人類創(chuàng)新活動(dòng)規(guī)律和原理進(jìn)行了系統(tǒng)的揭示，從而形成了指導(dǎo)創(chuàng)新活動(dòng)的TRIZ理論（發(fā)明問題解決理論）。鑒于前蘇聯(lián)軍事工業(yè)不斷創(chuàng)新形成的優(yōu)勢(shì)，TRIZ理論一度成為美蘇間諜戰(zhàn)的目標(biāo)，前蘇聯(lián)解體后，隨著TRIZ大師們移居歐美，TRIZ理論在全球得到了更為廣泛的傳播和應(yīng)用，進(jìn)而也得到了快速的發(fā)展。本世紀(jì)初，TRIZ理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)融合，逐步形成了CAI技術(shù)?，F(xiàn)在，CAI技術(shù)融入了更多的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)，以及知識(shí)工程領(lǐng)域的本體論，成為了一門獨(dú)立的學(xué)科，并服務(wù)于企業(yè)的技術(shù)研發(fā)工作。CAI技術(shù)定位于：通過運(yùn)用多種技術(shù)分析方法，為產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)提供有效的幫助。CAI技術(shù)的核心是：現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法論體系和從大量的創(chuàng)新實(shí)例中挖掘出的解題思路知識(shí)庫(kù)。如下圖所示：CAI技術(shù)體系構(gòu)成應(yīng)用CAI技術(shù)進(jìn)行電子元件散熱問題的研探當(dāng)前電子產(chǎn)品可謂豐富多彩。電子產(chǎn)品中含有大量發(fā)熱的電子元件，隨著電子產(chǎn)品功能的不斷提升、體積不斷縮小，電子元件的散熱問題日益突出，其中集成電路芯片的散熱問題就是一個(gè)典型的代表。這里，我們以其為例，來了解CAI技術(shù)在概念設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用方法。問題情境摩爾定律揭示，晶體管集成電路的規(guī)模每隔18～24個(gè)月便會(huì)增加一倍。研究表明，以增加晶體管數(shù)量、提高頻率的方式來設(shè)計(jì)的CPU，其新一代產(chǎn)品的功耗注定會(huì)比上一代提升1.33～1.77倍，正是這個(gè)隱藏在摩爾定律背后的功率法則，形成了對(duì)散熱器產(chǎn)品性能不斷提升的根本需求。為了響應(yīng)這一需求，眾多廠商在散熱器產(chǎn)品設(shè)計(jì)中八仙過海，形成了一批專有技術(shù)。CPU型號(hào)設(shè)計(jì)功率Athlon64FX-55(Clawhammer)105WPemtium4E3.4GHz(Prescott)103WPemtium4E2.6GHz(Prescott)89WPemtium42.4GHz(Northwood)66.2WAthlon643000+(Winchester)63W系統(tǒng)思考——多屏幕分析方法人們有很強(qiáng)的思維慣性，這造成了我們看待問題的角度往往是就事論事。而TRIZ理論提示我們要看到問題的過去與將來；還要看到問題的超系統(tǒng)和子系統(tǒng)。 讓我們以“導(dǎo)熱墊的傳導(dǎo)效率不足，如何增強(qiáng)？”為例，應(yīng)用多屏幕思考方式來進(jìn)行分析。系統(tǒng)過去將來導(dǎo)熱墊的超系統(tǒng)PCB板=1\*GB3①是否可以利用PCB板進(jìn)行散熱？是否還有其他系統(tǒng)組件（資源）可供利用？導(dǎo)熱墊接觸不良=2\*GB3②如何在安裝過程中實(shí)現(xiàn)緊密貼合？=3\*GB3③如何在使用過程中實(shí)現(xiàn)緊密貼合？導(dǎo)熱墊的子系統(tǒng)導(dǎo)熱墊材料=4\*GB3④是否可以改進(jìn)導(dǎo)熱材料的傳導(dǎo)率？“如何增強(qiáng)導(dǎo)熱墊的傳導(dǎo)效率”問題的多屏幕分析解決問題上表=1\*GB3①~=4\*GB3④是對(duì)導(dǎo)熱墊功能不足問題進(jìn)一步分析后得到的解題思路。針對(duì)這些深層的解題方向，我們應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新（CAI）系統(tǒng)尋求具體的解決方案。尋找解決方案主要有兩類方法，一是在CAI系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)中查找有啟發(fā)的解決方案，二是根據(jù)TRIZ理論提供的矛盾解決原理進(jìn)行求解。我們逐一應(yīng)用這兩種方法。由于在CAI系統(tǒng)中裝載了一個(gè)源自對(duì)大量專利進(jìn)行分析、整理后，濃縮而成的實(shí)用知識(shí)庫(kù)，因此我們可以在其中進(jìn)行尋找。傳統(tǒng)的知識(shí)檢索，一般是基于關(guān)鍵字的。即我們輸入關(guān)鍵字，信息系統(tǒng)通過關(guān)鍵字的匹配給出查詢結(jié)果。當(dāng)前，隨著知識(shí)工程和人工智能等領(lǐng)域的快速發(fā)展，“本體論”已經(jīng)成為知識(shí)共享的利器。本體論的核心在于建立了各種概念本體之間的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)。如水是液體的一種，即液體是水的上位關(guān)系；地下水是水的一種，即地下水是水的下位關(guān)系；油也是一種液體，水和油就是兄弟關(guān)系。這樣，經(jīng)本體論組織，也就在知識(shí)之間構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，為我們實(shí)現(xiàn)知識(shí)的智能捕捉創(chuàng)造了條件。如當(dāng)我們檢索“凈化水”時(shí)，傳統(tǒng)的搜索引擎會(huì)以關(guān)鍵字的方式檢索出結(jié)果；而應(yīng)用CAI技術(shù)透過本體論的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，為我們智能捕捉到了諸如“凈化水”、“凈化液體”、“凈化地下水”、“清潔水”、“清潔堿性水溶液”等相關(guān)的解決方案，使我們的思路在緊密相關(guān)的領(lǐng)域內(nèi)得以大大擴(kuò)展。標(biāo)題動(dòng)畫問題描述方案描述這里，我們檢索“標(biāo)題動(dòng)畫問題描述方案描述原文鏈接原文鏈接CAI系統(tǒng)中提供的解決方案樣張如樣張所示的一個(gè)方案，是在印刷電路板的另一側(cè)安裝導(dǎo)熱材料，以提供附加的散熱效果。該方案來自全球最大的數(shù)字機(jī)頂盒開發(fā)商Pace微技術(shù)公司。這一方案提示我們可以充分利用發(fā)熱電子元件的周邊資源進(jìn)行散熱。對(duì)于不同的應(yīng)用情景，我們可以再針對(duì)性的深入分析。比如，對(duì)于筆記本電腦而言，是否還可以利用其他系統(tǒng)資源進(jìn)行散熱呢？帶著這樣的思路，我們繼續(xù)在方案庫(kù)中探尋，發(fā)現(xiàn)筆記本電腦制造商富士通公司在2003年公布的一個(gè)專利，正是利用筆記本寬闊的外殼協(xié)助散熱的，讓我們來看一下他們是如何設(shè)計(jì)的？利用筆記本的外殼進(jìn)行散熱 原來，設(shè)計(jì)人員對(duì)散熱片上的緊固桿進(jìn)行了改進(jìn)，將一部分熱量有效的傳遞到筆記本外殼上，由于外殼的巨大面積和熱容量，因而產(chǎn)生了很好的散熱效果。 對(duì)于導(dǎo)熱墊接觸不良的問題，我們采用TRIZ理論中的矛盾解決原理進(jìn)行求解。在本例中存在著一對(duì)工程技術(shù)矛盾：如果增加接觸面積，能夠有效地增強(qiáng)熱傳導(dǎo)，但顯然接觸面積受到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的嚴(yán)格限制。也就是說技術(shù)系統(tǒng)中存在溫度（改善的參數(shù)）和靜止物體的面積（惡化的參數(shù)）之間的矛盾。通過TRIZ理論提供的矛盾矩陣（見下圖），我們找到對(duì)應(yīng)的創(chuàng)新原理。創(chuàng)新原理35：物理或化學(xué)參數(shù)改變?cè)韯?chuàng)新原理38：強(qiáng)氧化劑原理其中TRIZ理論給出原理35的解釋如下：創(chuàng)新原理35：物理或化學(xué)參數(shù)改變?cè)硎苓@一原理的啟發(fā)，可以考慮將傳統(tǒng)的固態(tài)導(dǎo)熱墊改為液態(tài)，這樣就徹底解決了發(fā)熱電子元件和散熱片之間接觸不良的問題。無疑這是一個(gè)很好的方案，但我們?nèi)嫠伎?，?huì)發(fā)現(xiàn)隨著這個(gè)問題的解決，也產(chǎn)生了新的問題：由于液體的流動(dòng)性，這樣的設(shè)計(jì)給安裝帶來了不便。我們一方面希望導(dǎo)熱墊作為導(dǎo)熱材料時(shí)，能夠像水一樣，沒有形狀的限制，從而產(chǎn)生完全接觸的狀態(tài)；另一方面，我們希望在安裝的時(shí)候，導(dǎo)熱墊要保持固定的形狀?！碌拿墚a(chǎn)生了！我們希望既要保持形狀，又要沒有形狀，這顯然是形狀——形狀之間的一對(duì)物理矛盾。同樣，我們通過矛盾矩陣尋求創(chuàng)新原理，如下：相變?cè)磉@一原理的提示作用是非常直接的——讓我們應(yīng)用相變材料。相變材料在標(biāo)準(zhǔn)溫度下足夠堅(jiān)硬，因而，當(dāng)組裝電子元件和散熱器時(shí)，很容易操作。然而，在發(fā)熱電子元件的工作溫度下，相變材料會(huì)變軟。這就保證了與電子元件的表面和散熱器的表面無縫隙地接觸。建議方案通過對(duì)散熱器這個(gè)技術(shù)系統(tǒng)的分析，我們首先建立了功能模型，并初步確定了幾個(gè)研探方向。第二步，我們以“導(dǎo)熱墊熱傳導(dǎo)效率不足”這個(gè)問題為例進(jìn)行了深層次的分解，從而確定了清晰的解題方向。第三步，我們通過對(duì)方案庫(kù)的智能捕捉和TRIZ方法的應(yīng)用，找到了數(shù)個(gè)設(shè)計(jì)思路。通過對(duì)這些解題思路的分析，我們建議采用相變材料制作導(dǎo)熱墊。結(jié)論計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新（CAI）技術(shù)以其科學(xué)的方法體系，直觀的方案知識(shí)庫(kù)成為輔助概念設(shè)計(jì)的利器，為尋求產(chǎn)品研發(fā)突破的我國(guó)企業(yè)帶來了一股清新的創(chuàng)新之風(fēng)。