Як обробляється термодинаміка процесорів та інших мікросхем?

Я чую, що проектувати теплову ефективність таких систем дуже важко. Я не впевнений, чому, хоча, і мені цікаво.

З одного боку, я думаю, що тепло - це якось функція від загальної потужності в системі. З іншого боку, коли окремі шматочки перегортаються, я уявляю, як тепло мігрує навколо штампу.

Як тепло рухається навколо штампу і як це впливає на охолодження процесора? Чи проводяться конкретні компенсації для розміщення руху тепла?

Усі основні питання щодо термодинаміки дизайну радіатора добре представлені тут (не забудьте пропустити симпатичні фото CFD внизу сторінки).

Тут не представлено більшу структуру потокового поля всередині корпусу комп'ютера. В останні роки, з поштовхом до отримання швидкості процесора на 3+ ГГц, було більше роботи в проектуванні (1) вентильованих вентиляторів , а також (2) проточних каналів в кожух, які швидко пропускають повітря в корпус і поза ним. .

Вентильовані вентилятори виробляють більше тяги (або рухають більше повітря), ніж звичайні вентилятори, оскільки повітропровід викликає менший витік потоку навколо наконечника, що, як виявляється, є радіально кажучи найвищою точкою швидкості вентилятора. (Це поняття схоже на наконечники крил на літаках). Отже, наконечник леза - це місце на вентиляторі, яке може найшвидше рухати повітря.

Що стосується проточних каналів усередині кожуха, то ідея полягає у використанні насадки Бернуллі, щоб прискорити потік над радіатором, щоб він міг максимально швидко відводити тепло. Особливо це стало популярним для оверклокерів, які намагаються досягти швидкості 4+ ГГц (наприклад, див. Http://www.overclockers.com/ducts-the-cheap-cooling-solution/ ).

Бажання виробляти швидші та швидші процесори справді підштовхнули необхідність проектувати кращі системи охолодження. Такі теми, як охолодження рідким або азотним, не обговорюються, але також є альтернативними методами, які намагаються ефективніше охолодити процесор, особливо для розгону на швидкостях понад 5 ГГц (наприклад, див. Http://www.tomshardware.com/reviews/5- ghz-core-i7-980x-overclocking, 2665.html ).

Нарешті, я залишаю вам над чим подумати ... Я одного разу почув, як тепло, яке виробляється процесором, що працює на частоті 10 ГГц, еквівалентне тепла сонця. Тут досить хороша дискусія на цю тему: http://www.reddit.com/r/askscience/comments/ngv50/why_have_cpus_been_limited_in_frequency_to_around .

Теплова система навколо сучасної процесорної мікросхеми дійсно складна і головна увага в дизайні. І з електричних, і з економічних причин добре робити окремі транзистори в процесорі маленькими і зближеними. Однак тепло надходить від цих транзисторів. Деякі весь час розсіюються лише тому, що вони сидять там із прикладеною владою. Інший компонент виникає лише тоді, коли вони переходять у стан. Ці два можуть торгуватися певною мірою, коли розробляється процесор.

Кожен транзистор не розсіює багато сил, але мільйони та мільйони (буквально) набиті разом на невеликій території. Сучасні процесори готували б себе за кілька секунд до 10 секунд, якби це тепло не було активно та агресивно знято. 50-100 Вт не виходить за межі сучасного процесора. Тепер розглянемо, що більшість паяльників працює від цього менше, і нагріваємо шматок металу з приблизно однаковою площею поверхні.

Розчин використовувався для притискання великого тепловідводу до малого штампу. Насправді радіатор був невід’ємною частиною загальної конструкції процесора. Упаковка повинна бути в змозі проводити теплову енергію від штампу назовні, де затиснутий тепловідвід може вести його далі і, врешті-решт, розсіювати його до потоку повітря.

Це вже недостатньо добре, оскільки щільність потужності цих процесорів зросла вище. Процесори високого класу тепер або містять деяке активне охолодження, або систему зміни фаз, яка переміщує тепло від штампу до випромінюючого плавника ефективніше, ніж звичайна старі провідність через алюміній або мідь, що робиться зі старими тепловідводами.

У деяких випадках застосовуються охолоджувачі Peltier. Вони активно перекачують тепло з штампу в інше місце, де простіше приєднатися до потоку повітря. Це пов'язано зі своїм набором проблем. Пелтери - це досить неефективні охолоджувачі, тому загальна потужність, якої потрібно позбутися, значно більша, ніж лише те, що матриця розсіюється. Однак активна насосна дія може допомогти, навіть якщо випромінюючі плавники з часом набагато гарячіші. Це працює, тому що алюміній або мідь випромінюючих плавників можуть витримувати набагато більш високі температури, ніж напівпровідникові штампи. Кремній перестає діяти як напівпровідник при температурі близько 150 ° C, а реальні схеми потребують певного робочого запасу нижче цього. Однак плавники радіатора легко справляються із значно вищими температурами. Активний тепловий насос використовує цю різницю.

У минулому існували процесори, охолоджені текучим рідким азотом. Це не має економічного сенсу для звичайних настільних ПК із сучасними технологіями, але управління теплом є важливою частиною дизайну комп'ютерів з часів заснування комп'ютерів. Ще в 1950-х роках утримання всіх цих вакуумних труб не було плавленням.