Come vengono gestite le termodinamiche di CPU e altri chip?

Ho sentito che progettare l'efficienza termica di tali sistemi è molto difficile. Non sono sicuro del perché, tuttavia, e sono interessato.

Da un lato, scommetto che il calore è in qualche modo una funzione della potenza totale nel sistema. D'altra parte, mentre i singoli pezzi vengono capovolti, immagino che il calore migra intorno al dado.

In che modo il calore si sposta attorno alla matrice e in che modo ciò influisce sul raffreddamento della CPU? Sono previste compensazioni specifiche per adattarsi al movimento del calore?

Tutte le questioni fondamentali sulla termodinamica del design del dissipatore di calore sono ben presentate qui (assicurati di non perdere le belle foto CFD in fondo alla pagina).

Ciò che non è presentato qui è la struttura del campo di flusso più grande all'interno del case del computer. In anni più recenti, con la spinta per ottenere velocità della CPU a 3+ GHz, c'è stato un lavoro maggiore nella progettazione di (1) ventole canalizzate e (2) condotti di flusso nel case che passano rapidamente aria dentro e fuori dal case .

Le ventole intubate producono più spinta (o spostano più aria) rispetto alle ventole normali, perché il condotto provoca una minore perdita di flusso attorno alla punta che risulta essere radialmente parlando il punto di massima velocità della ventola. (Questo è un concetto simile alle punte delle ali sugli aerei). Quindi, la punta della pala è il punto sulla ventola che può spostare l'aria più velocemente.

Per quanto riguarda i condotti di flusso all'interno dell'involucro, l'idea è di utilizzare l'effetto Bernoulli di un ugello per accelerare il flusso sul dissipatore di calore in modo che possa rimuovere il calore il più velocemente possibile. Questo è diventato particolarmente popolare per gli overclocker che cercano di raggiungere una velocità di 4+ GHz (ad es. Vedi http://www.overclockers.com/ducts-the-cheap-cooling-solution/ ).

Il desiderio di produrre CPU sempre più veloci ha davvero spinto la necessità di progettare sistemi di raffreddamento migliori. Argomenti come il raffreddamento a liquido o azoto non sono discussi, ma sono anche metodi alternativi per provare a raffreddare in modo più efficiente la CPU, in particolare per l'overclocking a velocità superiori a 5 GHz (ad esempio, consultare http://www.tomshardware.com/reviews/5- ghz-core-i7-980x-overclocking, 2665.html ).

Infine, ti lascio con qualcosa a cui pensare ... Una volta ho sentito che il calore prodotto da una CPU a 10 GHz equivale al calore del sole. C'è una discussione abbastanza buona su questo argomento qui: http://www.reddit.com/r/askscience/comments/ngv50/why_have_cpus_been_limited_in_frequency_to_around .

Il sistema termico attorno a un moderno chip del processore è davvero complicato e un importante obiettivo di progettazione. Per motivi sia elettrici che economici, è bene rendere piccoli e singoli transistor in un processore vicini e vicini. Tuttavia, il calore proviene da questi transistor. Alcuni sono dissipati continuamente solo perché siedono lì con il potere applicato. Un altro componente si verifica solo quando cambiano stato. Questi due possono essere scambiati in una certa misura quando il processore è progettato.

Ogni transistor non dissipa molta potenza, ma milioni e milioni (letteralmente) stipati insieme in una piccola area lo fanno. I moderni processori si cuocerebbero da pochi secondi a 10 secondi se questo calore non fosse rimosso attivamente e aggressivamente. 50-100 W non è fuori linea per un processore moderno. Ora considera che la maggior parte dei ferri da saldatura corrono da meno di quello e riscaldano un pezzo di metallo con circa la stessa superficie.

La soluzione consisteva nel fissare un grande dissipatore di calore sul piccolo stampo. In effetti, il dissipatore di calore era parte integrante del design complessivo del processore. Il pacchetto deve essere in grado di condurre l'energia termica dallo stampo verso l'esterno, dove il dissipatore di calore bloccato può condurla ulteriormente e infine dissiparla nell'aria che scorre.

Questo non è più abbastanza buono poiché la densità di potenza di questi processori è aumentata. I processori di fascia alta ora contengono un sistema di raffreddamento attivo o un sistema di cambiamento di fase che sposta il calore dallo stampo alle alette radianti in modo più efficiente rispetto alla vecchia conduzione semplice in alluminio o rame rispetto ai vecchi dissipatori di calore.

In alcuni casi vengono impiegati dispositivi di raffreddamento Peltier. Questi attivamente pompano il calore dallo stampo in un altro posto dove è più facile accoppiarsi al flusso d'aria. Ciò comporta una serie di problemi. I peltiers sono dispositivi di raffreddamento piuttosto inefficienti, quindi la potenza totale che deve essere eliminata è significativamente più grande di ciò che il dado dissipa. Tuttavia, l'azione di pompaggio attiva può aiutare, anche se le pinne radianti alla fine sono molto più calde. Questo funziona perché l'alluminio o il rame delle alette radianti possono sopportare temperature molto più elevate rispetto alla matrice dello stampo a semiconduttore. Il silicio smette di agire come un semiconduttore a circa 150 ° C e i circuiti reali necessitano di un margine operativo inferiore a quello. Tuttavia, le alette del dissipatore di calore possono facilmente gestire temperature molto più elevate. Una pompa di calore attiva sfrutta questa differenza.

In passato ci sono stati processori raffreddati con azoto liquido che scorre. Questo non ha senso economico per i normali PC desktop con la tecnologia odierna, ma la gestione del calore è stata una parte importante della progettazione dei computer fin dagli inizi dei computer. Anche negli anni '50, evitare che tutti quei tubi a vuoto si fondessero l'un l'altro era qualcosa che doveva essere attentamente considerato.