Как обрабатывается термодинамика процессоров и других микросхем?

Я слышал, что проектирование теплового КПД таких систем очень сложно. Я не уверен почему, хотя, и мне интересно.

С одной стороны, держу пари, что тепло как-то зависит от общей мощности системы. С другой стороны, когда отдельные биты переворачиваются, я представляю, как тепло перемещается вокруг матрицы.

Как тепло движется вокруг матрицы, и как это влияет на охлаждение процессора? Определенные компенсации сделаны, чтобы приспособить движение высокой температуры?

Все фундаментальные вопросы, касающиеся термодинамики конструкции радиатора, хорошо представлены здесь (не пропустите красивые фотографии CFD внизу страницы).

То, что не представлено здесь, это большая структура поля потока внутри корпуса компьютера. В последние годы, благодаря стремлению повысить частоту процессора на частоте 3+ ГГц, было больше работы по проектированию (1) канальных вентиляторов, а также (2) воздуховодов в корпусе, которые быстро пропускают воздух внутрь и наружу корпуса. ,

Канальные вентиляторы создают больше тяги (или перемещают больше воздуха), чем обычные вентиляторы, потому что воздуховод вызывает меньшую утечку потока вокруг наконечника, что в радиальном смысле говорит о точке максимальной скорости вентилятора. (Это похоже на понятие крыла на самолетах). Таким образом, наконечник лопасти - это место на вентиляторе, которое может перемещать воздух быстрее всего.

Что касается проточных каналов внутри корпуса, идея состоит в том, чтобы использовать эффект сопла Бернулли для ускорения потока через радиатор, чтобы он мог отводить тепло как можно быстрее. Это особенно стало популярным для оверклокеров, пытающихся достичь скорости 4+ ГГц (например, см. Http://www.overclockers.com/ducts-the-cheap-cooling-solution/ ).

Стремление производить более быстрые и быстрые процессоры действительно подтолкнуло необходимость разработки более совершенных систем охлаждения. Темы, такие как жидкостное или азотное охлаждение, не обсуждаются, но также являются альтернативными методами для более эффективного охлаждения процессора, особенно для разгона на частотах выше 5 ГГц (например, см. Http://www.tomshardware.com/reviews/5- ghz-core-i7-980x-разгон, 2665.html ).

Наконец, я оставляю вас над чем подумать ... Однажды я услышал, что тепло, производимое процессором, работающим на частоте 10 ГГц, эквивалентно солнечному теплу. Здесь довольно хорошая дискуссия на эту тему: http://www.reddit.com/r/askscience/comments/ngv50/why_have_cpus_been_limited_in_frequency_to_around .

Тепловая система вокруг современного процессорного чипа действительно сложна и является основным направлением дизайна. По электрическим и экономическим причинам целесообразно делать отдельные транзисторы в процессоре небольшими и близко расположенными друг к другу. Однако тепло поступает от этих транзисторов. Некоторые рассеиваются все время только потому, что они сидят там с приложенной силой. Другой компонент возникает только тогда, когда они переключают состояния. Эти два могут быть обменены в некоторой степени, когда процессор разработан.

Каждый транзистор не рассеивает много энергии, но миллионы и миллионы (буквально) собраны в небольшой области. Современные процессоры готовили бы себя за секунды или 10 секунд, если бы это тепло не было активно и агрессивно удалено. 50-100 Вт - это не что иное для современного процессора. Теперь рассмотрим, что большинство паяльников работают от этого и нагревают кусок металла примерно с той же площадью поверхности.

Раньше решением было прикрепить большой радиатор на маленькую матрицу. На самом деле радиатор был неотъемлемой частью общего дизайна процессора. Упаковка должна быть в состоянии отводить тепловую энергию от матрицы наружу, где закрепленный радиатор может проводить ее дальше и в конечном итоге рассеивать в поток воздуха.

Этого уже недостаточно, поскольку плотность мощности этих процессоров возросла. Высокопроизводительные процессоры теперь содержат либо активное охлаждение, либо систему фазового перехода, которая передает тепло от матрицы к ребрам радиатора более эффективно, чем обычная старая проводимость через алюминий или медь со старыми радиаторами.

В некоторых случаях используются кулеры Пельтье. Они активно перекачивают тепло из матрицы в другое место, где легче соединиться с потоком воздуха. Это идет со своим собственным набором проблем. Пельтье являются довольно неэффективными кулерами, поэтому общая мощность, от которой нужно избавиться, значительно больше, чем просто то, что рассеивает матрица. Тем не менее, активное действие накачки может помочь, даже если излучающие ребра в конечном итоге намного жарче. Это работает, потому что алюминий или медь излучающих ребер могут выдерживать гораздо более высокие температуры, чем полупроводниковая матрица. Кремний перестает работать как полупроводник при температуре около 150 ° C, и реальным цепям требуется некоторый запас прочности ниже этого. Однако радиаторные ребра могут легко выдерживать гораздо более высокие температуры. Активный тепловой насос использует эту разницу.

В прошлом были процессоры, охлаждаемые жидким азотом. Это не имеет экономического смысла для обычных настольных ПК с современными технологиями, но управление тепловыделением было важной частью компьютерного дизайна с момента появления компьютеров. Даже в 1950-х годах необходимо было тщательно продумать, чтобы все эти вакуумные трубки не плавились друг с другом.