Чому процесори не охолоджуються знизу та зверху?

Перехідні біти інтегральної схеми знаходяться приблизно в центрі (пластикової або керамічної) упаковки. Вони іноді нагріваються, і ми охолоджуємо їх, встановлюючи тепловідвід на одну сторону. Іноді ми просто обдуваємо повітря вентилятором. Частина цього тепла поширюється вгору, але частина також повинна знижуватися до ПХБ. Я не знаю співвідношення. Нижче наведено нижню сторону процесора Intel Core i7-7700K, що розсіює 91 Вт тепла: -

Є багато колодок для підключення. Зрозуміло, що вони виступають як багато мікронагрівачів, які передають деяку значну частку тепла в розетку / друковану плату. Дійсно багато поверхнево встановлених компонентів розсіюють тепло через (зшиті) шари міді.

Тож якщо охолодження є важливим (як для спільноти розгону процесора), чому ж CPU також не охолоджуються з-під печатної плати, скажімо, вентилятор?

Редагувати:

Хоча наведені нижче коментарі взагалі негативні, є два нові пункти. По-перше, на Overlock є довга нитка, яка дозволяє припустити, що значна температура градусів може бути знята з температури процесора з вентилятором на задній панелі. І два, я спробував це (правда, лише з Raspberry Pi). Я покрив верхню сторону тканиною, щоб ізолювати процесор Broadcom, охолоджуючи нижню сторону лише 60-мм вентилятором. Вентилятор знизив температуру змішаного процесора з 82 град. до 49. Непогано, тому я думаю, що ця ідея має ноги ...

Вони не охолоджуються знизу, оскільки вони мають шпильки на дні, а FR4 нижче цього.

З - за що мають значно нижчою теплопровідністю , матеріал внизу CPU транспортував би набагато менше тепла.

Швидше за все, ви не хочете оточувати сигнали металом, який би змінив імпеданс кардинально, тому метал внизу є більшою проблемою. Якщо ви побудували розетку з металу, її потрібно було б зробити мікромашиною, що було б у багато разів дорожче, ніж пластмасова розетка з литтям. Ці речі заважають вам створити розетку процесора, яка б викидала тепло.

Можна поставити блок охолодження на нижню частину плати, але матеріал друкованої плати (FR4) значно зменшить охолодження.

Охолодження не важливо , це важливо . Сучасний процесор може легко викласти щось від 15 Вт до 200 Вт із штампу, який становить кілька см². Якщо ви не транспортуєте цю теплоту далеко, цей чіп повинен припинити роботу, гальмувати або: просто згоряти.

Із цим шляхом: Куди ти подаєш тепло? Поверхня охолодження материнської плати дуже обмежена в порівнянні з поверхнею корпусу процесора кулера. Можливість теплопередачі шарів міді сама по собі не є поганою, але порівняно з масивним блоком міді та алюмінію (і часто це конвекційні трубопроводи), це незначно.

Потім: сама материнська плата часто не найкрутіше місце, особливо навколо процесора. Там розташований весь ланцюг живлення процесора. Це має високу ефективність, але при навантаженні в кілька десятків ампер і швидко мінливих сценаріях навантаження не дивно, що і ці перетворювачі нагріваються.

Я впевнений, що у спеціально високоефективних обчислювальних технологіях та військових побудовах ви знайдете спеціалізовані пакети процесорів, які надають зворотній доступ до частин процесора, але в централізованих центральних процесорах це просто неможливо механічно, ані термічно надто вигідно.

Зауважте, що це стосується не всіх процесорів. Якщо ви перейдете до вбудованого сектору, ви часто знайдете менші процесори з нагрівальною панеллю посередині. Це просто не здається можливим для великих процесорів.

Я впевнений, що Intel та AMD не ставлять цих пасивів на дні своїх процесорів, якби вони могли цього уникнути. Насправді подивіться на цю картину: зелена дошка, на яку ви дивитесь, не є штампом, це плата, до якої підключена плата; це технологічна ціна, яку ви платите за те, що зможете дешево виготовити взаємозамінні процесори, а не просто мати материнські плати з процесорним кулькою-кулькою-пакетом, що припаюється безпосередньо до них, - і ви не можете цього повністю мати, навіть теоретично, тому що тепло від цього центрального процесора стільки, що металева площина, що поширює тепло, повинна бути притиснута до нього, і ви можете ефективно робити це лише механічно, маючи штамб на якійсь підкладці.

Відповідь, яка ще не дана, пояснюється способом їх побудови. Процесори, які використовуються в комп’ютерах та ноутбуках, - принаймні, наскільки мені відомо, ніколи не є повноцінним фліп-чіпом. У них просто занадто багато з'єднань, щоб дозволити легкий фліп-чіп у простому процесорі друкованої плати, який використовується на материнських платах. Я маю на увазі простий тут порівняно з процесами, необхідними для радіочастотних / міліметрових хвиль, або процесом, який дозволяє отримати щільність, де ви дійсно можете роздути 1000+ штифтів на кілька квадратних міліметрів.

З цієї причини штампи процесора завжди перекидаються на інтерпозер. Це часто кераміка, і виготовляється з багатьох шарів. Ось приклад із вікіпедії. На цьому пакеті Йо можна побачити 5 окремих штампів, на додаток до великої кількості маленьких пасивів по краях (з того, що я можу сказати, це насправді ще складніша складова, з силіконовим інтерпозатором для з'єднання різних штампів, і потім кладуть поверх керамічного інтерпозатора).

Чому це все має значення? Ви вважаєте, що ви повинні мати можливість ефективно передавати тепло через штирі на процесорі. Однак це не так, через це інтерпозатор. Це не так, як прилад великої потужності, де великий металевий шматочок насправді підключений до кремнію - між ними є багато речей.

В результаті теплопровідність від штампу до штифтів залишається низькою - так що навіть якби ви знайшли якийсь дуже витончений спосіб відвести все тепло від цих штифтів, ви ледь не побачите жодного покращення, оскільки ви все одно матимете справу на порядок більший термічний опір порівняно з металевим розповсюджувачем тепла, який безпосередньо контактує з вершиною кремнію.

Якщо ви переходите до процесорів, які використовуються в телефонах або вбудованих пристроях, на яких є "нижній радіатор", все інше. Тут вони не використовують підхід фліп-чіпа. У центрі БГА у них буде металеве місце, на якому термофіксація матриці (зазвичай це також грунт). Потім вони використовують затискні дроти, щоб з'єднати всі штирі, все ще використовуючи форму інтерпозатора з металом посередині (або металевий центр - це просто купа віасів прямо для отримання низької теплопровідності). Це означає, що між центральною охолоджуючою колодкою та штифтами BGA є набагато менше матеріалу, що дозволяє значно ефективніше передавати тепло.

Частина цього тепла поширюється вгору, але частина також повинна знижуватися до ПХБ. Я не знаю співвідношення.

Це правда, тепло поширюється в усіх напрямках. На жаль, швидкість розповсюдження (також відомо, що характеризується як термічний опір) сильно відрізняється.

Процесор повинен якось підключатися до периферійних пристроїв / пам'яті, тому для цього в ньому є 1000 - 2000 контактів. Отже, електричний шлях (вентиляція) повинен бути забезпечений, що здійснюється за допомогою технології друкованої плати. На жаль, навіть якщо просочена купою мідних дротів / прошарків, уся PCB не дуже добре проводить тепло. Але це неминуче - потрібні зв’язки.

Ранні процесори (i386-i486) охолоджувалися переважно за допомогою PCB-тракту, на початку 90-х процесори ПК не мали тепловіддачі зверху. Багато мікросхем з традиційним кріпленням на дротяні зв'язки (кремнієва мікросхема знизу, колодки, з'єднані дротами від верхніх колодок до свинцевої рами), можуть мати теплову заслінку на дні, оскільки це шлях найменшого термічного опору.

Тоді була винайдена технологія пакування фліп-чіпа, тому штамп знаходиться у верхній частині упаковки догори дном, а все електричне з'єднання здійснюється за допомогою електропровідних шишок на дні. Тож шлях найменшого опору зараз проходить через вершину процесорів. Ось тут використовуються всі додаткові хитрощі, щоб поширити тепло від відносно невеликого штампу (1 кв. М.) До більшого тепловідводу тощо.

На щастя, до дизайнерських команд процесора входять значні інженерні відділи, які проводять термічне моделювання штампу процесора та всієї упаковки. Початкові дані надходили з цифрового дизайну, а потім дорогі 3-D розв'язувачі дають загальну картину розподілу тепла та потоків. Моделювання, очевидно, включає теплові моделі процесорних розеток / штифтів та материнських плат. Я б запропонував довірити їм рішення, які вони пропонують, вони знають свою справу. Мабуть, деяке додаткове охолодження знизу PCB просто не варте додаткових зусиль.

ДОПОЛНЕННЯ: Тут представлена ​​кускова модель мікросхеми FBGA, яка може дати уявлення, скажімо, про термічну модель LGA2011 Intel.

У той час як багатошарова друкована плата з термоізоляцією та вмістом міді 25% може мати дещо хороші теплові показники, сучасна / практична система LGA2011 має один важливий елемент - розетку. Розетка має пружинні контакти голки під кожною колодкою. Цілком очевидно, що загальна частина металевого контакту через розетку значно менша, ніж об'ємний мідний шлачок у верхній частині процесора. Я б сказав, що це не більше 1/100 площі слимаків, швидше за все, набагато менше. Тому повинно бути очевидним, що тепловий опір розетки LGA2011 становить принаймні 100X верхнього напрямку, або не більше 1% тепла може знижуватися. Я думаю, з цієї причини теплові напрямні Intel повністю ігнорують нижній тепловий шлях, про це не йдеться.

В авіоніці охолодження оцінюється за всіма можливими шляхами, в тому числі через друковану плату.

Основний мікропроцесор у ноутбуці / настільному комп’ютері, як правило, використовує суміш кондуктивного (радіатора) та конвекційного (примусового повітря). Оскільки суміш цих двох рухає більшу частину тепла далеко, механізм охолодження через друковану плату іноді ігнорується, але він все ще присутній.

Якщо обладнання знаходиться в затоці авіоніки без тиску, конвекційне охолодження швидше втрачає сенс (щільність повітря дуже низька, тобто недостатня кількість молекул на великій висоті для поширення тепла). З цієї причини кондуктивне охолодження дуже широко використовується, оскільки це єдиний справді ефективний метод охолодження в цьому сценарії.

Для того, щоб це було ефективно, численні літаки використовуються в друкованій платі як розподільники тепла.

Там , де радіатори будуть використовуватися (не є кращим рішенням , але іноді неминуче), шлях по - , як і раніше провідності охолоджується з допомогою теплових сходів до холодної стінки (це відносний термін - холодна стінка може бути при 70 ° С або більше).

Іноді застосовується примусове повітря, але всередині камери під тиском, прикріпленої до холодної плити.

Тож у цьому сценарії використовується охолодження через усі шляхи; провід з обох сторін, FR-4 може бути не особливо теплопровідним, але мідні площини є.

Я пішов на дещо детальну теплову дискусію у відповідь на це питання .

Справжня відповідь - це основна інженерія. Набагато простіше оптимізувати систему, якщо ви можете розділити її на підсистеми, які можна незалежно оптимізувати.

Оптимізуючи одну сторону для підключення, а іншу сторону для відведення тепла. Ви спростили проблему, наклавши принаймні штраф у будь-яку проблему 2: 1. Зрозуміло, що якщо у вас було набагато більше тепла, ніж з'єднань, або більше з'єднань, ніж тепла, цей вибір слід переглянути, але це очевидно не так.

Це не означає, що не можна відводити тепло з нижньої сторони або розміщувати з'єднання зверху, але якою ціною? Які ще компроміси потрібно досягти?

Модулі процесорних процесів з рідким охолодженням, хоча вони повертаються, були досить поширеними 30 років тому. Коли мейнфрейми мали процесори «конверти», які були повністю занурені в рідину, і таким чином відводили тепло з усіх боків вкладених ІМС. Це чітко відображає недолік дизайну з'єднань, налагодження, переробку та типів рідини, які можна використовувати. Це багато додаткових обмежень для будь-якої підсистеми. Те, що був зроблений такий вибір, свідчить про те, що відведення тепла було основним обмеженням.

Сучасні суперкомп'ютери з рідким охолодженням мають високооптимізовані мікропроводи для води поверх пластин. Поки всі з'єднання знаходяться з нижньої сторони. Кожна підсистема не залежить від іншої, значно оптимізуючи всю конструкцію.

У додатках, де сторона, протилежна з'єднанням, зайнята в іншому випадку, наприклад, світлодіоди, лазери, оптичні ланки, радіочастотні порти тощо, нижня сторона є основним шляхом відведення тепла. Зазвичай застосовуються спеціалізовані підкладки з високою теплопровідністю.