Nhiệt động lực học của CPU và các chip khác được xử lý như thế nào?

Tôi nghe nói rằng việc thiết kế hiệu quả nhiệt của các hệ thống như vậy là rất khó. Tôi không chắc tại sao, mặc dù, và tôi quan tâm.

Một mặt, tôi cá rằng sức nóng bằng cách nào đó là một chức năng của tổng công suất trong hệ thống. Mặt khác, khi các bit riêng lẻ được lật, tôi tưởng tượng nhiệt di chuyển xung quanh khuôn.

Làm thế nào để nhiệt di chuyển xung quanh khuôn và điều này ảnh hưởng đến việc làm mát CPU như thế nào? Là bù cụ thể được thực hiện để phù hợp với sự chuyển động của nhiệt?

Tất cả các vấn đề cơ bản về Nhiệt động lực học của thiết kế tản nhiệt được trình bày rõ ràng đây (đảm bảo không bỏ lỡ các bức ảnh CFD đẹp ở cuối trang).

Điều không được trình bày ở đây là cấu trúc trường dòng chảy lớn hơn bên trong vỏ máy tính. Trong những năm gần đây, với việc thúc đẩy tốc độ CPU ở mức 3+ GHz, đã có nhiều công việc hơn trong thiết kế (1) quạt gió cũng như (2) ống dẫn dòng chảy vào vỏ mà truyền không khí nhanh chóng vào và ra khỏi thùng máy.

Người hâm mộ tạo ra nhiều lực đẩy (hoặc di chuyển nhiều không khí hơn) so với quạt thông thường, bởi vì ống dẫn gây ra rò rỉ dòng chảy ít hơn xung quanh chóp, điều này nói chung là điểm vận tốc cao nhất của quạt. (Đây là một khái niệm tương tự như lời khuyên cánh trên máy bay). Vì vậy, đầu lưỡi là nơi trên quạt có thể di chuyển không khí nhanh nhất.

Về ống dẫn dòng chảy Trong vỏ, ý tưởng là sử dụng hiệu ứng Bernoulli của vòi phun để tăng tốc dòng chảy qua tản nhiệt để có thể loại bỏ nhiệt nhanh nhất có thể. Điều này đặc biệt trở nên phổ biến đối với những người ép xung cố gắng đạt tốc độ 4+ GHz (ví dụ: xem http://www.overclockers.com/ducts-the-cheap-cooling-solution/ ).

Mong muốn sản xuất CPU nhanh hơn và nhanh hơn thực sự đã thúc đẩy nhu cầu thiết kế hệ thống làm mát tốt hơn. Các chủ đề như làm mát bằng chất lỏng hoặc nitơ không được thảo luận, nhưng cũng là phương pháp thay thế để cố gắng làm mát CPU hiệu quả hơn, đặc biệt là để ép xung ở tốc độ trên 5 GHz (ví dụ: http://www.tomshardware.com/reviews/5-ghz-core-i7-980x-overclocking,2665.html ).

Cuối cùng, tôi để lại cho bạn một cái gì đó để suy nghĩ ... Tôi đã từng nghe thấy sức nóng do CPU chạy ở tốc độ 10 GHz tương đương với sức nóng của mặt trời. Có một cuộc thảo luận khá tốt về chủ đề đó ở đây: http: //www.reddit.com/r/ Nhiệm vụ .

Hệ thống nhiệt xung quanh chip xử lý hiện đại thực sự phức tạp và là trọng tâm thiết kế chính. Vì cả lý do điện và kinh tế, thật tốt khi chế tạo các bóng bán dẫn riêng lẻ trong một bộ xử lý nhỏ và gần nhau. Tuy nhiên, sức nóng đến từ các bóng bán dẫn này. Một số bị tiêu tan mọi lúc chỉ vì họ ngồi đó với sức mạnh được áp dụng. Một thành phần khác chỉ xảy ra khi họ chuyển trạng thái. Hai cái này có thể được trao đổi ở một mức độ nào đó khi bộ xử lý được thiết kế.

Mỗi bóng bán dẫn không tiêu tan nhiều năng lượng, nhưng hàng triệu và hàng triệu (theo nghĩa đen) chen chúc nhau trong một khu vực nhỏ thì có. Các bộ xử lý hiện đại sẽ tự nấu trong vài giây đến 10 giây nếu nhiệt này không được loại bỏ tích cực và mạnh mẽ. 50-100 W không phải là không phù hợp với bộ xử lý hiện đại. Bây giờ hãy xem xét rằng hầu hết các bàn ủi hàn chạy từ ít hơn thế, và nung nóng một miếng kim loại có cùng diện tích bề mặt.

Giải pháp được sử dụng là kẹp một bộ tản nhiệt lớn lên khuôn nhỏ. Trên thực tế, tản nhiệt là một phần không thể thiếu trong thiết kế tổng thể của bộ xử lý. Gói phải có khả năng dẫn nhiệt từ bên ngoài ra bên ngoài, nơi bộ tản nhiệt được kẹp có thể dẫn nó đi xa hơn và cuối cùng tiêu tan nó vào không khí.

Điều này không còn đủ tốt nữa vì mật độ năng lượng của các bộ xử lý này đã tăng cao hơn. Bây giờ các bộ xử lý cao cấp có chứa một số hệ thống làm mát tích cực hoặc hệ thống thay đổi pha chuyển nhiệt từ khuôn sang tản nhiệt hiệu quả hơn so với dẫn truyền cũ thông qua nhôm hoặc đồng đã làm với các tản nhiệt cũ.

Trong một số trường hợp, máy làm mát Peltier được sử dụng. Những người này chủ động bơm nhiệt từ khuôn đến nơi khác, nơi dễ dàng hơn để kết hợp với luồng không khí. Điều này đi kèm với các vấn đề riêng của nó. Peltiers là bộ làm mát khá kém hiệu quả, do đó, tổng công suất cần phải loại bỏ lớn hơn đáng kể so với những gì cái chết tiêu tan. Tuy nhiên, hành động bơm tích cực có thể giúp ích, ngay cả khi vây phóng xạ cuối cùng nóng hơn nhiều. Điều này hoạt động vì nhôm hoặc đồng của vây phóng xạ có thể chịu được nhiệt độ cao hơn nhiều so với khuôn bán dẫn có thể. Silicon ngừng hoạt động như một chất bán dẫn ở khoảng 150 ° C, và các mạch thực sự cần một số hoạt động dưới mức đó. Tuy nhiên, vây tản nhiệt có thể dễ dàng xử lý nhiệt độ cao hơn nhiều. Một bơm nhiệt hoạt động sử dụng sự khác biệt này.

Trong quá khứ đã có bộ xử lý làm mát bằng nitơ lỏng chảy. Điều này không có ý nghĩa kinh tế đối với các máy tính để bàn thông thường với công nghệ ngày nay, nhưng quản lý nhiệt đã là một phần quan trọng trong thiết kế máy tính khá nhiều kể từ khi máy tính bắt đầu. Ngay cả vào những năm 1950, việc giữ cho tất cả các ống chân không không bị tan chảy là điều cần phải xem xét cẩn thận.