Perché le CPU non sono raffreddate dal basso come sopra?

I bit di transistor di un circuito integrato si trovano approssimativamente al centro del pacchetto (di plastica o di ceramica). A volte si surriscaldano e li raffreddiamo fissando un dissipatore di calore su un lato. A volte soffiamo aria su di loro con un ventilatore. Parte di questo calore si propaga verso l'alto, ma alcuni devono anche scendere verso il PCB. Non conosco il rapporto. Di seguito è riportato il lato inferiore di una CPU Intel Core i7-7700K che dissipa 91 W di calore: -

Esistono molti pad di connessione. Chiaramente fungono da molti micro dissipatori di calore che trasferiscono una parte significativa del calore alla presa / PCB. In effetti molti componenti montati su superficie dissipano il calore attraverso (tramite cuciture) strati di rame.

Quindi, se il raffreddamento è importante (come per la comunità di overclocking della CPU), perché anche le CPU non vengono raffreddate da sotto il PCB, per esempio una ventola?

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Mentre i commenti che seguono sono nel complesso negativi, ci sono due nuovi elementi. Uno, c'è un lungo thread su Overclock che suggerisce che un numero significativo di gradi potrebbe essere rimosso dalla temperatura della CPU con una ventola sulla piastra posteriore. E due, l'ho provato (certamente con solo un Raspberry Pi). Ho coperto la parte superiore con un panno per isolare la CPU Broadcom, raffreddando la parte inferiore solo con una ventola da 60 mm. La ventola ha ridotto la temperatura massima della CPU da 82 gradi. a 49. Non male, quindi penso che questa idea abbia le gambe ...

Non sono raffreddati dal basso perché hanno pin nella parte inferiore e FR4 al di sotto.

A causa della conducibilità termica molto più bassa , il materiale sul fondo della CPU trasporterebbe molto meno calore.

Probabilmente non vorrai circondare i segnali con metallo che cambierebbe drasticamente l'impedenza, quindi il metallo sul fondo è più un problema. Se costruissi una presa di metallo, avrebbe bisogno di essere micromachinata, il che sarebbe molte volte più costoso di una presa di plastica stampata ad iniezione. Queste cose ti impedirebbero di costruire un socket del processore che disperderebbe il calore.

Potresti mettere un blocco di raffreddamento sul fondo della scheda, ma il materiale PCB (FR4) ridurrebbe sostanzialmente il raffreddamento.

Il raffreddamento non è importante , è fondamentale . Una CPU moderna può facilmente emettere qualcosa tra 15 W e 200 W, da una matrice di pochi cm². Se non stai trasportando via quel calore, quel chip deve smettere di funzionare, rallentare o semplicemente bruciare.

Detto questo: dove metti il ​​calore da lì? La superficie di raffreddamento di una scheda madre è molto limitata rispetto alla superficie del corpo di un dispositivo di raffreddamento della CPU. La capacità di trasporto del calore degli strati di rame non è di per sé negativa, ma rispetto a un massiccio blocco di rame e alluminio (e, spesso, tubazioni di calore convettivi), è trascurabile.

Quindi: la scheda madre stessa spesso non è il posto più bello, specialmente attorno alla CPU. Qui si trova l'intera catena di alimentazione della CPU. Ciò ha una buona efficienza, ma con un carico di diverse decine di ampere e scenari di carico in rapida evoluzione, non sorprende che anche questi convertitori si surriscaldino.

Sono certo che nei sistemi personalizzati di calcolo ad alte prestazioni e build militari troverai pacchetti CPU specializzati che danno accesso alla parte inferiore di parti della CPU, ma in CPU mainstream con socket, questo non è solo meccanicamente o termicamente eccessivamente vantaggioso.

Si noti che ciò non si applica a tutte le CPU. Se vai nel settore embedded, troverai spesso CPU più piccole con un pad dissipatore di calore nel mezzo. Non sembra fattibile per CPU più grandi.

Sono certo che Intel e AMD non metterebbero questi passivi sul fondo delle loro CPU se potessero evitarlo. In effetti, guarda quell'immagine: la scheda verde che stai guardando non è il dado, è il supporto PCB a cui è collegata la scheda; questo è il prezzo tecnologico che paghi per essere in grado di produrre in modo economico CPU intercambiabili piuttosto che avere semplicemente schede madri con la sfera di chip Chip-scale-package saldate direttamente su di esse - e non puoi averlo completamente, anche teoricamente, perché il calore da quella CPU è così tanto che un piano metallico a diffusione di calore deve essere a pressione sopra di esso, e si può effettivamente farlo solo meccanicamente avendo il dado su una sorta di substrato.

Una risposta che non è stata ancora data è a causa del modo in cui sono costruiti. Le CPU utilizzate in computer e laptop non sono (almeno per quanto ne so) mai un flip-chip completo. Hanno semplicemente troppe connessioni per consentire un semplice flip-chip su un semplice processo PCB utilizzato sulle schede madri. Voglio dire semplice qui rispetto ai processi necessari per le applicazioni RF / onde millimetriche, o un processo che consente densità in cui è davvero possibile ventilare oltre 1000 pin su pochi millimetri quadrati.

Per questo motivo, le matrici della CPU sono sempre capovolte su un interposer. Questo è spesso in ceramica e composto da molti strati. Ecco un esempio, da Wikipedia. Yo può vedere 5 stampi separati su questo pacchetto, oltre a una grande quantità di piccoli passivi attorno ai bordi (da quello che posso dire questo è in realtà un impilamento ancora più complesso, con un interposer al silicio per interconnettere i diversi stampi, e che viene quindi messo sopra un interposer in ceramica).

Perché è tutto così importante? Suggerisci di essere in grado di trasferire in modo efficiente il calore attraverso i pin della CPU. Tuttavia, questo non è il caso, a causa di questo interposer. Questo non è come un dispositivo di grande potenza in cui la grande punta di metallo è effettivamente collegata al silicio - ci sono molte cose in mezzo.

Di conseguenza la conduttività termica dallo stampo ai pin è ancora bassa - quindi anche se dovessi trovare un modo molto elegante di allontanare tutto il calore da quei pin, vedresti a malapena qualche miglioramento, dal momento che ti occuperai comunque con ordine di grandezza maggiore resistenza termica rispetto a uno spargitore di calore metallico a diretto contatto con la parte superiore del silicio.

Se vai alle CPU utilizzate nei telefoni o nei dispositivi integrati, che hanno un pad "dissipatore di calore inferiore", le cose sono diverse. Qui non usano un approccio flip-chip. Al centro del BGA, avranno un posto di metallo su cui il dado è fissato termicamente (questo di solito è anche rettificato). Quindi usano i fili di collegamento per collegare tutti i pin, usando ancora una forma di interposer con il metallo nel mezzo (o il metallo centrale è solo un mucchio di vie diritte per ottenere una bassa conduttività termica). Ciò significa che c'è molto meno materiale tra quel pad di raffreddamento centrale e i pin BGA, consentendo un trasferimento di calore molto più efficiente.

Parte di questo calore si propaga verso l'alto, ma alcuni devono anche scendere verso il PCB. Non conosco il rapporto.

È vero, il calore si propaga in tutte le direzioni. Sfortunatamente, il tasso di propagazione (noto anche per essere caratterizzato come resistenza termica) è molto diverso.

Una CPU deve essere collegata in qualche modo con periferiche / memoria, quindi ha 1000 - 2000 pin a tale scopo. Pertanto, è necessario fornire il percorso elettrico (fanout), che viene eseguito tramite la tecnologia dei circuiti stampati. Sfortunatamente, anche se impregnato di un mucchio di fili / strati di rame, l'intera cosa PCB non conduce molto bene il calore. Ma questo è inevitabile: hai bisogno di connessioni.

Le prime CPU (i386-i486) venivano raffreddate principalmente tramite percorso PCB, all'inizio del 90 ° secolo le CPU del PC non avevano dissipatore di calore in cima. Molti chip con il tradizionale montaggio wire-bond (chip di silicio sul fondo, cuscinetti collegati con fili dai cuscinetti superiori al telaio di piombo) possono avere una lumaca termica sul fondo, perché questo è il percorso di minor resistenza termica.

Quindi è stata inventata la tecnologia di imballaggio a flip-chip, quindi lo stampo è nella parte superiore della confezione, capovolto e tutta la connessione elettrica viene eseguita tramite dossi elettricamente conduttivi sul fondo. Quindi il percorso di minor resistenza ora sta attraversando la cima dei processori. Ecco dove vengono utilizzati tutti i trucchi extra, per diffondere il calore da una matrice relativamente piccola (1 mq) a un dissipatore di calore più grande, ecc.

Fortunatamente, i team di progettazione della CPU comprendono dipartimenti tecnici di grandi dimensioni che conducono la modellazione termica della matrice della CPU e dell'intero packaging. I dati iniziali provenivano dalla progettazione digitale, quindi costosi solutori 3D forniscono un quadro generale della distribuzione del calore e dei flussi. La modellazione include ovviamente modelli termici di socket / pin della CPU e schede madri. Suggerirei di fidarmi di loro con le soluzioni che forniscono, conoscono i loro affari. Apparentemente un po 'di raffreddamento in più dal fondo del PCB non vale la pena.

AGGIUNTA: Ecco un modello di un chip FBGA, che può dare un'idea, diciamo, del modello termico Intel LGA2011.

Mentre il PCB multistrato con vie termiche e contenuto di rame al 25% potrebbe avere prestazioni termiche piuttosto buone, il sistema LGA2011 moderno / pratico ha un elemento importante, una presa. La presa ha contatti a molla ad ago sotto ciascun cuscinetto. È abbastanza ovvio che la maggior parte del contatto di metallo attraverso il socket è piuttosto più piccola della massa di rame nella parte superiore della CPU. Direi che non è più di 1/100 dell'area della lumaca, probabilmente molto meno. Pertanto, deve essere ovvio che la resistenza termica della presa LGA2011 è almeno 100X della direzione superiore o che non può scendere più dell'1% del calore. Immagino per questo motivo che le guide termiche Intel ignorino totalmente il percorso termico inferiore, non è menzionato.

In avionica, il raffreddamento viene valutato per tutti i possibili percorsi, anche tramite il PCB.

Un microprocessore tradizionale in un laptop / desktop utilizza generalmente una combinazione di raffreddamento a conduzione (dissipatore di calore) e convezione (aria forzata di solito). Poiché la miscela di questi due allontana la maggior parte del calore, il meccanismo di raffreddamento tramite il PCB viene talvolta ignorato, ma è ancora presente.

Se l'apparecchiatura si trova in una baia avionica non depressa, il raffreddamento per convezione perde piuttosto significato (la densità dell'aria è molto bassa nel senso che non ci sono molecole sufficienti ad alta quota per diffondere il calore). Per questo motivo, il raffreddamento per conduzione è ampiamente utilizzato in quanto è l'unico metodo di raffreddamento veramente efficace in questo scenario.

Perché ciò sia efficace, all'interno del PCB vengono utilizzati numerosi piani come spanditori di calore.

Laddove vengono utilizzati i dissipatori di calore (non una soluzione preferita ma a volte inevitabile), il percorso viene comunque raffreddato a conduzione tramite scale di calore verso una parete fredda (questo è un termine relativo - la parete fredda può essere a 70 ° C o più).

Talvolta viene utilizzata aria forzata, ma all'interno di una camera pressurizzata fissata alla piastra fredda.

Quindi, in questo scenario, viene utilizzato il raffreddamento attraverso tutti i percorsi; conduzione da entrambi i lati, FR-4 potrebbe non essere particolarmente termicamente conduttivo, ma i piani di rame lo sono.

Sono entrato in una discussione termica piuttosto dettagliata in una risposta a questa domanda .

La risposta effettiva è ingegneria di base. È molto più semplice ottimizzare un sistema se è possibile separarlo in sottosistemi che possono essere ottimizzati in modo indipendente.

Ottimizzando un lato per la connettività e l'altro lato per la rimozione del calore. Hai semplificato il problema, imponendo al massimo una penalità di 2: 1 a entrambi i problemi. Chiaramente, se si avesse molto più calore delle connessioni o più connessioni del calore, questa scelta dovrebbe essere rivisitata, ma chiaramente non è così.

Ciò non significa che non è possibile rimuovere il calore dalla parte inferiore o posizionare i collegamenti in alto, ma a quale costo? Quali altri compromessi devono quindi essere fatti?

I moduli CPU raffreddati a liquido, mentre stanno tornando, erano piuttosto comuni 30 anni fa. Quando i mainframe avevano CPU "buste" che erano completamente immerse nel liquido, e quindi rimosso il calore da tutti i lati dei circuiti integrati integrati. Ciò presenta chiaramente un aspetto negativo nella progettazione delle connessioni, del debug, delle rilavorazioni e dei tipi di liquido che possono essere utilizzati. Questi sono molti vincoli aggiuntivi per entrambi i sottosistemi. Il fatto che sia stata fatta tale scelta, indica che la rimozione del calore era il vincolo principale.

I moderni supercomputer raffreddati a liquido hanno microcondotti d'acqua altamente ottimizzati sulla parte superiore del wafer. Mentre tutti i collegamenti sono sul lato inferiore. Ogni sottosistema è indipendente dall'altro, ottimizzando notevolmente l'intero progetto.

Nelle applicazioni in cui il lato opposto alle connessioni è altrimenti occupato, ad esempio LED, laser, collegamenti ottici, porte RF, ecc. La parte inferiore è il percorso primario di rimozione del calore. E vengono generalmente utilizzati substrati specializzati, con elevata conducibilità termica.