Почему процессоры не охлаждаются как снизу, так и сверху?

Транзисторные биты интегральной схемы находятся приблизительно в центре (пластикового или керамического) корпуса. Иногда они нагреваются, а мы их остываем, прикрепляя радиатор к одной стороне. Иногда мы просто обдуваем их вентилятором. Часть этого тепла распространяется вверх, но некоторые также должны идти вниз к плате. Я не знаю соотношение. Ниже представлена ​​нижняя сторона процессора Intel Core i7-7700K, рассеивающая 91 Вт тепла: -

Есть много контактных площадок. Очевидно, они действуют как множество микроотводов, которые передают значительную часть тепла в розетку / печатную плату. Действительно, многие компоненты, монтируемые на поверхности, рассеивают тепло через (сшитые) медные слои.

Итак, если охлаждение важно (как для сообщества разгона ЦП), почему ЦП не охлаждаются и из-за печатной платы, например, с помощью вентилятора?

РЕДАКТИРОВАТЬ:

Хотя нижеследующие комментарии в целом отрицательны, есть два новых пункта. Во-первых, на Overclock есть длинная нить, предполагающая, что значительное количество градусов может быть снято с температуры процессора с помощью вентилятора на задней панели. И два, я попробовал это (по общему признанию только с Raspberry Pi). Я накрыл верхнюю часть тканью, чтобы изолировать процессор Broadcom, в то же время охлаждая нижнюю сторону только 60-мм вентилятором. Вентилятор снизил максимальную температуру процессора с 82 град. до 49. Неплохо, так что я думаю, что у этой идеи есть ноги ...

Они не охлаждаются снизу, потому что у них есть штыри снизу, а FR4 ниже.

Скорее всего, вы не захотите окружать сигналы металлом, который резко изменит импеданс, так что металл снизу является более серьезной проблемой. Если бы вы построили гнездо из металла, его нужно было бы подвергнуть микрообработке, что было бы во много раз дороже, чем пластиковое гнездо, отлитое под давлением. Эти вещи не позволили бы вам создать процессорное гнездо, которое могло бы поглотить тепло.

Вы можете поместить охлаждающий блок в нижней части платы, но материал печатной платы (FR4) значительно уменьшит охлаждение.

Охлаждение не важно , это важно . Современный процессор может легко вывести что-то между 15 Вт и 200 Вт, из матрицы размером несколько см². Если вы не отводите тепло, этот чип должен перестать работать, замедляться или просто перегореть.

С этим путем: где вы положите свое тепло оттуда? Охлаждающая поверхность материнской платы очень ограничена по сравнению с поверхностью корпуса процессорного кулера. Теплопередача медных слоев сама по себе неплоха, но по сравнению с массивным блоком из меди и алюминия (и, зачастую, конвекционных тепловых труб) она ничтожна.

Затем: сама материнская плата часто не самое крутое место, особенно вокруг процессора. Там находится вся цепочка питания процессора. Это имеет хорошую эффективность, но при нагрузке в несколько десятков ампер и быстро меняющихся сценариях нагрузки неудивительно, что эти преобразователи также нагреваются.

Я уверен, что в пользовательских высокопроизводительных вычислениях и военных сборках вы найдете специализированные пакеты ЦП, которые предоставляют нижний доступ к частям ЦП, но в сокетированных основных процессорах это просто невозможно с механической или термической точек зрения.

Обратите внимание, что это относится не ко всем процессорам. Если вы зайдете во встроенный сектор, вы часто найдете небольшие процессоры с теплоотводящей площадкой посередине. Это просто не представляется возможным для больших процессоров.

Я уверен, что Intel и AMD не поместили бы эти пассивные элементы в нижнюю часть своих процессоров, если бы могли избежать этого. На самом деле, посмотрите на это изображение: зеленая плата, на которую вы смотрите, - это не матрица, это несущая плата, к которой подключена плата; это технологическая цена, которую вы платите за возможность дешевого массового производства сменных процессоров, а не просто за то, чтобы материнские платы с процессорами были припаяны к ним непосредственно в виде чип-пакета - и вы не можете этого полностью получить, даже теоретически, потому что тепло от этого процессора так много, что металлическая плоскость, распространяющая тепло, должна быть под давлением сверху, и вы можете эффективно делать это только механически, имея матрицу на каком-то основании.

Ответ, который еще не был дан, из-за способа, которым они построены. Процессоры, используемые в компьютерах и ноутбуках, (по крайней мере, насколько мне известно) никогда не были полностью флип-чипом У них просто слишком много соединений, чтобы можно было легко переворачивать их на простой процесс, используемый на материнских платах. Здесь я имею в виду простой по сравнению с процессами, необходимыми для радиочастотных / миллиметровых приложений, или процесс, который обеспечивает плотность, при которой вы действительно можете разветвить более 1000 контактов на несколько квадратных миллиметров.

По этой причине процессорные кристаллы всегда вставляются на вставку. Это часто керамика и состоит из множества слоев. Вот пример из википедии. Вы можете увидеть 5 отдельных штампов на этом пакете, в дополнение к большому количеству маленьких пассивов по краям (из того, что я могу сказать, это на самом деле еще более сложный стек с кремниевым промежуточным соединителем для соединения различных штампов, и это тогда помещено сверху керамической вставки).

Почему это все имеет значение? Вы предполагаете, что должны быть в состоянии эффективно передавать тепло через контакты на процессоре. Тем не менее, это не так, из-за этого interposer. Это не похоже на устройство большой мощности, где большой металлический бит на самом деле соединен с кремнием - между ними много всего.

В результате теплопроводность от головки к контактам все еще низка - поэтому, даже если бы вы нашли какой-то очень изящный способ отвести все тепло от этих контактов, вы едва ли увидели бы какое-либо улучшение, так как вы все равно будете иметь дело с на порядок большим тепловым сопротивлением по сравнению с металлическим распределителем тепла, который находится в прямом контакте с верхом кремния.

Если вы переходите к процессорам, используемым в телефонах или встроенных устройствах, которые представляют собой «нижний радиатор», то все иначе. Здесь они не используют флип-чип подход. В центре BGA у них будет металлическое место, на котором матрица термически прикреплена (это обычно также земля). Затем они используют связующие провода для соединения всех штырьков, все еще используя форму вставки с металлом посередине (или центральный металл - просто пучок сквозных переходов, чтобы получить низкую теплопроводность). Это означает, что между этой центральной охлаждающей подушкой и выводами BGA намного меньше материала, что обеспечивает гораздо более эффективный теплообмен.

Часть этого тепла распространяется вверх, но некоторые также должны идти вниз к плате. Я не знаю соотношение.

Это правда, тепло распространяется во всех направлениях. К сожалению, скорость распространения (также известная как тепловое сопротивление) сильно отличается.

Процессор должен быть как-то связан с периферией / памятью, поэтому для этого у него есть 1000 - 2000 контактов. Таким образом, электрический путь (разветвление) должен быть обеспечен, который сделан с помощью технологии печатной платы. К сожалению, даже если пропитано кучей медных проводов / слоев, вся эта печатная плата не очень хорошо проводит тепло. Но это неизбежно - вам нужны связи.

Ранние процессоры (i386-i486) охлаждались в основном по пути PCB, в начале 90-х процессоры PC не имели радиатора сверху. Многие микросхемы с традиционным креплением на проволоке (силиконовая микросхема внизу, контактные площадки, соединенные проводами от верхних контактных площадок к свинцовой раме) могут иметь тепловую пробку внизу, потому что это путь наименьшего теплового сопротивления.

Затем была изобретена технология упаковки с перевернутым чипом, поэтому матрица находится сверху упаковки, вверх дном, а все электрические соединения выполняются через электропроводящие выступы внизу. Таким образом, путь наименьшего сопротивления теперь проходит через вершину процессоров. Вот где используются все дополнительные приемы, чтобы распространить тепло от относительно небольшой матрицы (1 кв. М) к большему радиатору и т. Д.

К счастью, в состав команды разработчиков ЦП входят значительные инженерные отделы, которые проводят тепловое моделирование матрицы ЦП и всей упаковки. Исходные данные получены из цифрового дизайна, а затем дорогие 3-D решатели дают общую картину распределения тепла и потоков. Моделирование, очевидно, включает в себя тепловые модели процессорных разъемов / контактов и материнских плат. Я бы предложил доверить им решения, которые они предоставляют, они знают свое дело. Очевидно, что дополнительное охлаждение снизу печатной платы просто не стоит дополнительных усилий.

ДОПОЛНЕНИЕ: Вот кусковая модель чипа FBGA, которая может дать представление, скажем, о тепловой модели Intel LGA2011.

Хотя многослойная печатная плата с тепловыми переходами и содержанием меди 25% может иметь несколько хорошие тепловые характеристики, современная / практичная система LGA2011 имеет один важный элемент - разъем. Розетка имеет игольчатые пружинные контакты под каждой прокладкой. Совершенно очевидно, что общая масса металлических контактов через сокет значительно меньше, чем объемная медная пробка в верхней части процессора. Я бы сказал, что это не более 1/100 от площади слизняка, вероятно, намного меньше. Следовательно, должно быть очевидно, что тепловое сопротивление гнезда LGA2011 составляет не менее 100X от верхнего направления, или не более 1% тепла может идти вниз. Я думаю, по этой причине тепловые направляющие Intel полностью игнорируют нижний тепловой путь, он не упоминается.

В авионике охлаждение оценивается для всех возможных путей, в том числе через печатную плату.

Основной микропроцессор в ноутбуке / настольном компьютере обычно использует смесь кондуктивного (теплоотвода) и конвекционного (обычно принудительного воздуха) охлаждения. Поскольку смесь этих двух компонентов отводит большую часть тепла, механизм охлаждения через печатную плату иногда игнорируется, но он все еще присутствует.

Если оборудование находится в отсеке авионики без давления, конвекционное охлаждение теряет смысл (плотность воздуха очень низкая, что означает, что на большой высоте недостаточно молекул для распространения тепла). По этой причине, охлаждение проводимости очень широко используется поскольку это единственный действительно эффективный метод охлаждения в этом сценарии.

Для того, чтобы это было эффективно, в PCB используются многочисленные плоскости в качестве распределителей тепла.

Там , где радиаторы будут использоваться (не является предпочтительным решением , но иногда неизбежно), путь по - прежнему проводимости охлаждается с помощью тепловых лестниц к холодной стенке (это относительный термин - холодная стенка может быть при 70 ° С или более).

Иногда используется принудительный воздух, но внутри камеры под давлением, прикрепленной к холодной плите.

Таким образом, в этом сценарии используется охлаждение по всем путям; Проводимость с обеих сторон, FR-4 может быть не особенно теплопроводным, но медные плоскости.

Я вошел в несколько подробных термических дискуссий в ответ на этот вопрос .

Фактический ответ - базовый инжиниринг. Намного проще оптимизировать систему, если вы можете разделить ее на подсистемы, которые можно оптимизировать независимо.

Оптимизируя одну сторону для подключения, а другую сторону для отвода тепла. Вы упростили проблему, наложив максимум 2: 1 на любую проблему. Ясно, что если у вас было гораздо больше тепла, чем подключений, или больше подключений, чем тепла, этот выбор следует пересмотреть, но это явно не так.

Это не означает, что невозможно отвести тепло с нижней стороны или расположить соединения сверху, но какой ценой? Какие еще компромиссы должны быть сделаны?

Модули с жидкостным охлаждением, хотя и возвращаются, были довольно распространены 30 лет назад. Когда мэйнфреймы имели «конверты» процессора, которые были полностью погружены в жидкость и, таким образом, отводили тепло со всех сторон закрытых микросхем. Это явно представляет собой обратную сторону дизайна соединений, отладки, переделки и типов жидкости, которые можно использовать. Это много дополнительных ограничений для любой подсистемы. Тот факт, что такой выбор был сделан, указывает на то, что отвод тепла был основным препятствием.

Современные суперкомпьютеры с жидкостным охлаждением имеют высокооптимизированные водяные микропроводки поверх пластины. Пока все соединения находятся на нижней стороне. Каждая подсистема независима от другой, что значительно оптимизирует весь дизайн.

В тех случаях, когда сторона, противоположная соединениям, занята иным образом, например, светодиоды, лазеры, оптические линии, РЧ-порты и т. Д., Нижняя сторона является основным путем отвода тепла. И, как правило, используются специализированные подложки с высокой теплопроводностью.