Jak obsługiwana jest termodynamika procesorów i innych układów?

Słyszę, że zaprojektowanie wydajności cieplnej takich systemów jest bardzo trudne. Nie jestem jednak pewien dlaczego i jestem zainteresowany.

Z jednej strony założę się, że ciepło jest w jakiś sposób funkcją całkowitej mocy w systemie. Z drugiej strony, gdy poszczególne bity są odwracane, wyobrażam sobie, że ciepło migruje wokół matrycy.

Jak ciepło przemieszcza się wokół matrycy i jak wpływa to na chłodzenie procesora? Czy dokonano specjalnych kompensacji, aby uwzględnić ruch ciepła?

Wszystkie podstawowe kwestie dotyczące termodynamiki konstrukcji radiatora są dobrze przedstawione tutaj (pamiętaj, aby nie przegapić ładnych zdjęć CFD na dole strony).

To, czego tu nie pokazano, to większa struktura pola przepływu w obudowie komputera. W ostatnich latach, gdy naciskano na uzyskanie prędkości procesora przy 3+ GHz, więcej pracy poświęcono projektowaniu (1) wentylatorów kanałowych, a także (2) kanałów przepływowych do obudowy, które szybko przepuszczają powietrze do i z obudowy .

Wentylatory kanałowe wytwarzają większy ciąg (lub poruszają więcej powietrza) niż zwykłe wentylatory, ponieważ kanał powoduje mniejszy wyciek przepływu wokół końcówki, co akurat promieniowo mówi o najwyższym punkcie prędkości wentylatora. (Jest to koncepcja podobna do końców skrzydeł w samolotach). Tak więc końcówka ostrza to miejsce na wentylatorze, które może najszybciej poruszać powietrzem.

Jeśli chodzi o kanały przepływowe w obudowie, pomysł polega na zastosowaniu efektu Bernoulliego z dyszy w celu przyspieszenia przepływu przez radiator, aby mógł on jak najszybciej odprowadzać ciepło. Stało się to szczególnie popularne wśród overclockerów próbujących osiągnąć prędkości 4+ GHz (np. Patrz http://www.overclockers.com/ducts-the-cheap-cooling-solution/ ).

Chęć produkowania coraz szybszych procesorów naprawdę spowodowała potrzebę zaprojektowania lepszych systemów chłodzenia. Tematy takie jak chłodzenie cieczą lub azotem nie są omawiane, ale są również alternatywnymi metodami próbowania bardziej wydajnego chłodzenia procesora, szczególnie w przypadku podkręcania przy prędkościach powyżej 5 GHz (np. Patrz http://www.tomshardware.com/reviews/5- ghz-core-i7-980x-overclocking, 2665.html ).

Wreszcie, zostawiam ci coś do przemyślenia ... Kiedyś słyszałem, że ciepło wytwarzane przez procesor działający przy 10 GHz jest równoważne ciepłu słońca. Jest całkiem dobra dyskusja na ten temat tutaj: http://www.reddit.com/r/askscience/comments/ngv50/why_have_cpus_been_limited_in_frequency_to_around .

System termiczny wokół nowoczesnego układu procesora jest naprawdę skomplikowany i jest głównym celem projektu. Zarówno z powodów elektrycznych, jak i ekonomicznych, dobrze jest, aby pojedyncze tranzystory w procesorze były małe i blisko siebie. Jednak ciepło pochodzi z tych tranzystorów. Niektóre są rozpraszane przez cały czas tylko dlatego, że siedzą tam z przyłożoną mocą. Kolejny składnik występuje tylko wtedy, gdy przełączają stany. Te dwa można w pewnym stopniu wymienić, gdy procesor jest zaprojektowany.

Każdy tranzystor nie rozprasza dużej mocy, ale miliony (dosłownie) stłoczone razem na niewielkim obszarze. Nowoczesne procesory gotowałyby się w ciągu sekund do 10 sekund, gdyby ciepło to nie zostało aktywnie i agresywnie usunięte. 50-100 W nie jest niezgodne z nowoczesnym procesorem. Teraz weź pod uwagę, że większość lutownic ma mniejszą moc i podgrzewa kawałek metalu o mniej więcej tej samej powierzchni.

Rozwiązaniem było kiedyś mocowanie dużego radiatora na małej matrycy. W rzeczywistości radiator stanowił integralną część ogólnej konstrukcji procesora. Opakowanie musi być w stanie przewodzić moc cieplną z matrycy na zewnątrz, gdzie zaciśnięty radiator może prowadzić ją dalej i ostatecznie rozproszyć w przepływającym powietrzu.

Nie jest to już wystarczająco dobre, ponieważ gęstość mocy tych procesorów wzrosła. Zaawansowane procesory zawierają teraz albo aktywne chłodzenie, albo system zmiany fazy, który przenosi ciepło z matrycy do promieniujących żeber bardziej efektywnie niż zwykłe stare przewodzenie przez aluminium lub miedź w przypadku starych radiatorów.

W niektórych przypadkach stosowane są chłodnice Peltiera. Aktywnie pompują one ciepło z matrycy do innego miejsca, w którym łatwiej jest połączyć się z przepływem powietrza. To pociąga za sobą własny zestaw problemów. Peltiery są raczej nieefektywnymi chłodnicami, więc całkowita moc, której należy się pozbyć, jest znacznie większa niż tylko to, co rozprasza kostka. Jednak aktywne pompowanie może pomóc, nawet jeśli promieniujące żebra ostatecznie są znacznie cieplejsze. Działa to, ponieważ aluminium lub miedź promieniujących żeber mogą wytrzymać znacznie wyższe temperatury niż matryca półprzewodnikowa. Krzem przestaje działać jak półprzewodnik w temperaturze około 150 ° C, a rzeczywiste obwody wymagają pewnego marginesu operacyjnego poniżej tego. Jednak żeberka radiatora mogą z łatwością wytrzymać znacznie wyższe temperatury. Aktywna pompa ciepła wykorzystuje tę różnicę.

W przeszłości procesory były chłodzone przepływającym ciekłym azotem. Nie ma to ekonomicznego sensu dla zwykłych komputerów stacjonarnych z dzisiejszą technologią, ale zarządzanie ciepłem było ważną częścią projektowania komputerów od samego początku ich istnienia. Już w latach 50. XX wieku powstrzymywanie się od topnienia wszystkich lamp próżniowych było czymś, co należało dokładnie rozważyć.