Tại sao CPU không được làm mát từ bên dưới cũng như bên trên?

Các bit transistory của một mạch tích hợp nằm ở trung tâm của gói (nhựa hoặc gốm). Chúng đôi khi bị nóng, và chúng tôi làm mát chúng bằng cách gắn một bộ tản nhiệt sang một bên. Đôi khi chúng ta chỉ cần thổi không khí qua chúng bằng một cái quạt. Một phần nhiệt này lan truyền lên trên, nhưng một số cũng phải đi xuống về phía PCB. Tôi không biết tỷ lệ. Sau đây là mặt dưới của CPU Intel Core i7-7700K tản nhiệt 91W: -

Có nhiều miếng kết nối. Rõ ràng, chúng hoạt động như rất nhiều tản nhiệt siêu nhỏ truyền một phần tỷ lệ nhiệt đáng kể vào ổ cắm / PCB. Thật vậy, nhiều bộ phận gắn trên bề mặt tản nhiệt qua các lớp đồng (thông qua khâu).

Vì vậy, nếu việc làm mát là quan trọng (đối với cộng đồng ép xung CPU), tại sao CPU cũng không được làm mát từ bên dưới PCB, với một chiếc quạt?

CHỈNH SỬA:

Trong khi các ý kiến ​​dưới đây là về toàn bộ tiêu cực, có hai mục mới. Thứ nhất, có một luồng dài trên Overclock cho thấy rằng một số lượng đáng kể có thể được giảm nhiệt độ CPU bằng một quạt trên tấm ốp. Và hai, tôi đã thử nó (phải thừa nhận chỉ với một Raspberry Pi). Tôi che mặt trên bằng vải để cách ly CPU Broadcom, trong khi làm mát mặt dưới chỉ bằng quạt 60mm. Quạt giảm nhiệt độ CPU tối đa từ 82 độ. đến 49. Không tệ, vì vậy tôi nghĩ rằng ý tưởng này có chân ...

Chúng không được làm mát từ bên dưới vì chúng có các chân ở phía dưới và FR4 bên dưới.

Do có độ dẫn nhiệt thấp hơn nhiều ,

Điều lạ lùng là bạn sẽ không muốn bao quanh các tín hiệu bằng kim loại, thứ sẽ thay đổi trở kháng mạnh mẽ, vì vậy kim loại ở phía dưới là vấn đề. Nếu bạn đã xây dựng một ổ cắm bằng kim loại, nó sẽ cần phải được micromachined, nó sẽ đắt hơn nhiều lần so với một ổ cắm đúc nhựa. Những điều này sẽ ngăn bạn xây dựng một ổ cắm bộ xử lý sẽ tỏa nhiệt.

Bạn có thể đặt một khối làm mát ở dưới cùng của bảng, nhưng vật liệu PCB (FR4) sẽ làm giảm đáng kể việc làm mát.

Làm mát không quan trọng , nó rất quan trọng . Một CPU hiện đại có thể dễ dàng đưa ra một cái gì đó trong khoảng từ 15 W đến 200 W, từ một cái chết chỉ vài cm². Nếu bạn không truyền nhiệt đó đi, con chip đó phải ngừng hoạt động, giảm tốc độ hoặc: chỉ cần đốt cháy.

Theo cách đó: Bạn đặt nhiệt của mình từ đâu? Bề mặt làm mát của bo mạch chủ rất hạn chế so với bề mặt thân máy làm mát CPU. Khả năng truyền nhiệt của các lớp đồng không tệ, nhưng so với một khối lớn đồng và nhôm (và, thường là, ống dẫn nhiệt đối lưu), nó không đáng kể.

Sau đó: Bản thân bo mạch chủ thường không phải là nơi thú vị nhất, đặc biệt là xung quanh CPU. Ở đó, toàn bộ chuỗi cung cấp năng lượng của CPU được đặt. Điều đó có hiệu quả tốt, nhưng với tải trọng vài chục ampe và kịch bản tải thay đổi nhanh chóng, không có gì lạ khi những bộ chuyển đổi này cũng bị nóng.

Tôi chắc chắn rằng trong các bản dựng quân sự và tính toán hiệu năng cao tùy chỉnh, bạn sẽ tìm thấy các gói CPU chuyên dụng cho phép truy cập bên dưới vào các bộ phận của CPU, nhưng trong các CPU chính được cắm, điều đó không thể thuận lợi về mặt cơ học cũng như nhiệt độ.

Lưu ý rằng điều này không áp dụng cho tất cả CPU. Nếu bạn đi vào khu vực nhúng, bạn sẽ thường tìm thấy các CPU nhỏ hơn với một miếng đệm tản nhiệt ở giữa. Nó chỉ có vẻ không khả thi đối với các CPU lớn hơn.

Tôi chắc chắn Intel và AMD sẽ không đặt những thụ động này xuống đáy CPU nếu họ có thể tránh được. Trên thực tế, hãy nhìn vào bức tranh đó: bảng màu xanh lá cây bạn đang nhìn không phải là điểm chết, đó là chất mang PCB mà bảng được kết nối với; đó là giá công nghệ mà bạn phải trả để có thể sản xuất hàng loạt CPU có thể thay thế được với giá rẻ thay vì chỉ có bo mạch chủ với CPU bóng gói quy mô Chip được hàn trực tiếp lên chúng - và về mặt lý thuyết, bạn hoàn toàn không thể có được điều đó. từ CPU đó chỉ là quá nhiều mà một lan rộng nhiệt mặt phẳng kim loại phải là áp lực điều chỉnh kích thước trên đầu trang của nó, và bạn có thể có hiệu quả chỉ làm một cách máy móc mà bằng cách chết trên một số loại chất nền.

Một phản hồi chưa được đưa ra là do cách chúng được xây dựng. CPU được sử dụng trong máy tính và máy tính xách tay (ít nhất là theo hiểu biết của tôi) không bao giờ là một con chip lật hoàn toàn. Họ chỉ đơn giản là có quá nhiều kết nối để cho phép lật chip dễ dàng trên một quy trình PCB đơn giản được sử dụng trên bo mạch chủ. Ý tôi là đơn giản ở đây so với các quy trình cần thiết cho các ứng dụng sóng RF / milimet hoặc một quy trình cho phép mật độ mà bạn thực sự có thể quạt ra hơn 1000 chân trên một vài milimet vuông.

Vì lý do này, các CPU chết luôn được gắn vào một bộ chuyển đổi. Đây thường là gốm, và được làm từ nhiều lớp. Đây là một ví dụ, từ wikipedia. Bạn có thể thấy 5 khuôn riêng biệt trên gói này, ngoài ra còn có một lượng lớn các thụ động nhỏ xung quanh các cạnh (từ những gì tôi có thể nói đây thực sự là một chồng lên nhau phức tạp hơn, với một bộ chuyển đổi silicon để kết nối các khuôn khác nhau, và sau đó được đặt lên trên một bộ chuyển đổi gốm).

Tại sao tất cả điều này quan trọng? Bạn đề nghị rằng bạn phải có khả năng truyền nhiệt hiệu quả thông qua các chân trên CPU. Tuy nhiên, đây không phải là trường hợp, bởi vì sự can thiệp này. Đây không giống như một thiết bị năng lượng lớn, nơi bit kim loại lớn thực sự được kết nối với silicon - có rất nhiều thứ ở giữa.

Kết quả là độ dẫn nhiệt từ khuôn đến chân vẫn còn thấp - vì vậy ngay cả khi bạn tìm thấy một cách rất tiện lợi để lấy nhiệt từ các chân đó, bạn sẽ hầu như không thấy bất kỳ cải thiện nào, vì bạn vẫn sẽ xử lý với khả năng chịu nhiệt lớn hơn theo thứ tự so với thiết bị phân tán nhiệt kim loại tiếp xúc trực tiếp với đỉnh silicon.

Nếu bạn đi đến CPU được sử dụng trong điện thoại hoặc thiết bị nhúng, có miếng đệm "tản nhiệt phía dưới", mọi thứ sẽ khác. Ở đây họ không sử dụng phương pháp lật chip. Ở trung tâm của BGA, họ sẽ có một vị trí kim loại trên đó khuôn được gắn nhiệt (đây thường là mặt đất). Sau đó, họ sử dụng bondwires để kết nối tất cả các chân, vẫn sử dụng một hình thức xen kẽ với kim loại ở giữa (hoặc kim loại trung tâm chỉ là một bó vias xuyên qua để có độ dẫn nhiệt thấp). Điều này có nghĩa là có ít vật liệu hơn giữa miếng làm mát trung tâm đó và các chân BGA, cho phép truyền nhiệt hiệu quả hơn nhiều.

Một phần nhiệt này lan truyền lên trên, nhưng một số cũng phải đi xuống về phía PCB. Tôi không biết tỷ lệ.

Đó là sự thật, nhiệt truyền theo mọi hướng. Thật không may, tốc độ lan truyền (còn được gọi là đặc tính chịu nhiệt) rất khác nhau.

Một CPU phải được kết nối với các thiết bị ngoại vi / bộ nhớ bằng cách nào đó, vì vậy nó có 1000 - 2000 chân cho mục đích đó. Vì vậy, đường dẫn điện (fanout) phải được cung cấp, được thực hiện thông qua công nghệ bảng mạch in. Thật không may, ngay cả khi được ngâm tẩm với các dây / lớp đồng, toàn bộ vật liệu PCB không dẫn nhiệt rất tốt. Nhưng điều này là không thể tránh khỏi - bạn cần kết nối.

Các CPU đời đầu (i386-i486) được làm mát chủ yếu thông qua đường dẫn PCB, vào đầu những năm 90, CPU PC không có tản nhiệt trên đỉnh. Nhiều con chip có gắn kết nối dây truyền thống (chip silicon ở phía dưới, miếng đệm được nối với dây từ miếng trên cùng đến khung chì) có thể có sên nhiệt ở phía dưới, vì đây là con đường có khả năng chịu nhiệt thấp nhất.

Sau đó, công nghệ đóng gói chip lật đã được phát minh, do đó, khuôn nằm trên đỉnh của gói, lộn ngược và tất cả các kết nối điện được thực hiện thông qua các va chạm dẫn điện ở phía dưới. Vì vậy, con đường ít kháng cự nhất hiện đang đi qua đỉnh của bộ xử lý. Đó là nơi mà tất cả các thủ thuật bổ sung được sử dụng, để truyền nhiệt từ khuôn tương đối nhỏ (1 sq.sm) sang tản nhiệt lớn hơn, v.v.

May mắn thay, các nhóm thiết kế CPU bao gồm các bộ phận kỹ thuật khá lớn, người thực hiện mô hình nhiệt của khuôn CPU và toàn bộ bao bì. Dữ liệu ban đầu đến từ thiết kế kỹ thuật số, và sau đó các bộ giải 3-D đắt tiền đưa ra bức tranh tổng thể về sự phân bố nhiệt và thông lượng. Mô hình rõ ràng bao gồm các mô hình nhiệt của ổ cắm / chân CPU và bo mạch chính. Tôi sẽ đề nghị tin tưởng họ với các giải pháp họ cung cấp, họ biết doanh nghiệp của họ. Rõ ràng một số làm mát bổ sung từ đáy PCB không đáng nỗ lực thêm.

BỔ SUNG: Dưới đây là mô hình gộp của chip FBGA, có thể đưa ra ý tưởng về mô hình nhiệt Intel LGA2011.

Trong khi PCB nhiều lớp có vias nhiệt và hàm lượng đồng 25% có thể có hiệu suất nhiệt tốt, hệ thống LGA2011 hiện đại / thực tế có một yếu tố quan trọng là ổ cắm. Ổ cắm có một tiếp điểm lò xo kiểu kim dưới mỗi miếng đệm. Một điều khá rõ ràng là tổng số lượng lớn kim loại tiếp xúc trên ổ cắm khá nhỏ hơn so với sên đồng số lượng lớn trên đỉnh CPU. Tôi sẽ nói rằng nó không quá 1/100 của khu vực sên, có thể ít hơn nhiều. Do đó, rõ ràng là điện trở nhiệt của ổ cắm LGA2011 ít nhất là 100 lần so với hướng trên cùng, hoặc không quá 1% nhiệt có thể giảm. Tôi đoán vì lý do này, các hướng dẫn nhiệt của Intel hoàn toàn bỏ qua đường dẫn nhiệt phía dưới, nó không được đề cập.

Trong hệ thống điện tử, làm mát được đánh giá cho tất cả đường dẫn có thể, bao gồm cả thông qua PCB.

Một bộ vi xử lý chính trong máy tính xách tay / máy tính để bàn thường sử dụng hỗn hợp dẫn nhiệt (tản nhiệt) và làm mát đối lưu (thường là không khí cưỡng bức). Khi hỗn hợp của hai loại này di chuyển phần lớn nhiệt đi, cơ chế làm mát thông qua PCB đôi khi bị bỏ qua, nhưng nó vẫn còn tồn tại.

Nếu thiết bị ở trong khoang hàng không không có áp suất, làm mát đối lưu sẽ mất đi ý nghĩa (mật độ không khí rất thấp có nghĩa là không có đủ các phân tử ở độ cao để truyền nhiệt). Vì lý do đó, làm mát dẫn truyền được sử dụng rất rộng rãi vì đây là phương pháp làm mát thực sự hiệu quả duy nhất trong kịch bản này.

Để điều này có hiệu quả, nhiều máy bay được sử dụng trong PCB làm thiết bị phân tán nhiệt.

Trong trường hợp bộ tản nhiệt được sử dụng (không phải là một giải pháp ưa thích nhưng đôi khi không thể tránh khỏi), con đường vẫn dẫn làm mát qua thang nhiệt để một bức tường lạnh (đây là một thuật ngữ tương đối - bức tường lạnh có thể ở 70C hoặc nhiều hơn).

Không khí cưỡng bức đôi khi được sử dụng, nhưng trong một buồng điều áp gắn vào tấm lạnh.

Vì vậy, trong kịch bản này, làm mát thông qua tất cả các đường dẫn được sử dụng; dẫn từ cả hai phía, FR-4 có thể không dẫn nhiệt đặc biệt, nhưng các mặt phẳng bằng đồng thì có.

Tôi đã đi vào một cuộc thảo luận nhiệt chi tiết để trả lời cho câu hỏi này .

Câu trả lời thực tế là kỹ thuật cơ bản. Việc tối ưu hóa một hệ thống sẽ dễ dàng hơn rất nhiều nếu bạn có thể tách nó thành các hệ thống con có thể được tối ưu hóa độc lập.

Bằng cách tối ưu hóa một mặt cho kết nối và mặt còn lại để loại bỏ nhiệt. Bạn đã đơn giản hóa vấn đề, trong khi áp đặt, tối đa, hình phạt 2: 1 cho một trong hai vấn đề. Rõ ràng, nếu bạn có nhiều nhiệt hơn kết nối, hoặc nhiều kết nối hơn nhiệt, lựa chọn này nên được xem xét lại, nhưng rõ ràng đó không phải là trường hợp.

Điều này không có nghĩa là không thể loại bỏ nhiệt từ mặt dưới, hoặc đặt các kết nối lên trên, nhưng với giá nào? Những thỏa hiệp khác sau đó phải được thực hiện?

Các mô-đun cpu làm mát bằng chất lỏng, trong khi chúng đang trở lại, khá phổ biến cách đây 30 năm. Khi các máy tính lớn có vỏ bọc cpu, có thể được ngâm hoàn toàn bằng chất lỏng, và do đó loại bỏ nhiệt từ tất cả các mặt của các IC kèm theo. Điều này rõ ràng thể hiện một nhược điểm của thiết kế các kết nối, gỡ lỗi, làm lại và các loại chất lỏng có thể được sử dụng. Đó là rất nhiều ràng buộc bổ sung cho hệ thống con. Thực tế là sự lựa chọn như vậy đã được thực hiện, chỉ ra rằng loại bỏ nhiệt là hạn chế chính.

Các siêu máy tính làm mát bằng chất lỏng hiện đại, có các ống dẫn nước siêu nhỏ được tối ưu hóa cao trên đỉnh của wafer. Trong khi tất cả các kết nối nằm ở mặt dưới. Mỗi hệ thống con độc lập với nhau, tối ưu hóa toàn bộ thiết kế.

Trong các ứng dụng mà phía đối diện các kết nối bị chiếm dụng, ví dụ, đèn LED, laser, liên kết quang, cổng RF, v.v., mặt dưới là đường khử nhiệt chính. Và chất nền chuyên dụng, có tính dẫn nhiệt cao, thường được sử dụng.