Системы охлаждения центрального процессора (стр. 1 из 4)
Оглавление
Интерфейс между чипом и радиатором
Аэрогенные системы с элементами Пельтье
Влияние низких температур на работу электронных схем
Программные средства охлаждения процессора
Введение
В последнее время складывается такая ситуация, что развитие существующих средств охлаждения микропроцессоров не успевает за увеличением выделяемой ими тепловой мощности. Модернизация технологических процессов, влияющих на потребляемую отдельным транзистором мощность, на практике не позволяет эффективно "термокомпенсировать" всевозрастающее количество этих самых транзисторов на кристалле. И традиционные процессорные кулеры уже едва справляются с охлаждением новых горячих "камней".
По сложившимся стандартам все полупроводниковые приборы, которые характеризуются выделяемой мощностью менее 3 Вт, могут функционировать без дополнительных теплоотводов. Микропроцессоры 8080, 8086, 80186, 80286 и 80386 прекрасно работали без каких-либо кулеров благодаря тому, что выделяемая ими мощность была порядка тех же 3 Вт, и они намертво впаивались в материнскую плату, используя ее в качестве дополнительного теплоотвода. i80486 стал первым "сокетным" процессором для РС, и он же первым потребовал специализированного охлаждения (впрочем, тогда было достаточно маленького кулера, примерно соответствующего габаритам систем охлаждения современных low-end видеокарт). С появлением Pentium II, Intel заявила, что наступил конец света для сокета, на нем нельзя сделать много дешевого кэша, он не обеспечивает должного охлаждения, и теперь всем миром пора переходить на слоты. AMD пошла следом и после сокетных 486, К5, К6, К6-2, К6-3 стала делать первые слотовые К7 (Athlon). С точки зрения отвода тепла идея была, в общем-то, неплохая, однако в силу ряда причин через пару лет все вернулось к старым добрым сокетам. Выделяемая процессорами мощность неуклонно повышалась, кулеры эволюционировали: росла полезная площадь теплоотводов, увеличивались - диаметр вентилятора, скорость его вращения и, естественно, шум, но ничего принципиально нового так и не появилось.
Сегодня, уже немыслимо представить, что новый процессор может появиться без анонсирования характеристик тепловыделения и энергопотребления. Почему вообще возникают претензии к теплу и почему процессор не может работать при температуре градусов в 200? Физика, конечно же. Начнем с того, что тепло никогда не сказывалось положительным образом на надежности электронных компонентов. Впрочем, пора перейти к более практическим вопросам. Однако, сперва нам придется затронуть некоторые теоретические основы предмета и поговорить об отводе тепла от процессора. Для начала речь пойдет о термопастах и радиаторах.
Радиатор
Здесь, на всякий случай стоит коснуться разницы между теплом и температурой. Радиатор не снижает температуру чипа! Он просто увеличивает поверхность, соприкасающуюся с воздухом, за счет чего улучшается отвод тепла. Достаточно простая вещь, но, почему-то, не всегда очевидная. Радиатор позволяет сделать так, что тот же процессор для воздушных потоков, грубо говоря, выглядит как пластина площадью не в 100 квадратных миллиметров, а, например, в 1000. Впрочем, на подобные площади в компьютере вам вряд ли кто-то позволит претендовать, так что сегодняшний радиатор для мощных процессоров - это весьма небольшая трехмерная вещица, чей эквивалент в двухмерном виде порой мог бы с легкостью растянуться на всю площадь корпуса вашего PC.
Впрочем, площадь, как ни крути, и как эффективно объем радиатора не используй, все же является ограниченным ресурсом. Когда она заканчивается, в действие вступает следующий шаг защиты - использование теплопроводных свойств различных материалов. В свое время стандартом в этой области являлся алюминий, прекрасно справлявшийся с отводом тепла от относительно холодных чипов вплоть до конца 90-х годов.
Однако, с годами, с чипами происходила одна характерная метаморфоза: их площадь непрерывно сокращалась, а температура так же непрерывно росла. В результате, если раньше мы имели дело с большим чипом под большим радиатором, т.е., источник тепла по отношению к радиатору был примерно равномерно распределен по всей его площади, а скорость потока воздуха была относительно слабой, поскольку речь шла либо о радиаторе самом по себе, либо о простеньком слабеньком вентиляторе. В таких условиях, конечно же, алюминий был неплохим вариантом.
Медь здесь было использовать просто бессмысленно - медный радиатор тут обеспечивал бы примерно те же параметры, будучи втрое тяжелее, а также труднее в обработке и дороже. Однако, когда чипы начали меняться вышеописанным образом, а вентиляторы в кулерах начали становиться все мощнее и мощнее, медь явно стала вырываться вперед. При относительно высоких скоростях потока воздуха, и малой площади чипа, разница в термальном сопротивлении одинаковых радиаторов из меди и алюминия может составлять до 30 с лишним процентов. Хотя, конечно, троекратная разница в весе при этом остается.
Впрочем, существуют и более интересные в этом смысле материалы. Например, разнообразные формы углерода. От природного графита до искусственных алмазов, которые давно уже стали нормой в прецизионных системах охлаждения полупроводниковых лазеров. В PC же можно обойтись и графитом, во всех его формах: при весе меньшем, чем у алюминия, термические свойства у него скорее соответствуют меди.
Это особенно актуально, учитывая текущий тренд развития микроэлектроники - уменьшение размеров чипов на фоне увеличения их мощности и, соответственно, тепловыделения. Так что производителям решений для их охлаждения придется использовать все имеющиеся у них в распоряжении средства. И новые материалы, такие как графит, скорее всего, в обозримом будущем в радиаторах появится, и новые формы, обеспечивающие более эффективное охлаждение.
С самим агентом - воздушной средой, сделать ничего не получится. В плане изменения ее физических свойств, вроде слишком низкой теплопроводности. Так что приходится изменять те вещи, которые все же можно изменить - коэффициент теплопередачи и площадь поверхности, участвующей в обмене тепла.
Коэффициент теплопроводности можно изменить целым набором различных способов, где на первом месте по распространенности стоит увеличение скорости потока воздуха, омывающего радиатор. Правда, больше 10 метров в секунду обычно этот параметр все же поднимать не рискуют - уж слишком громким получается кулер. Тогда в действие вступает второй доступный конструкторам фактор - вариации с формой радиаторов, дабы увеличить эффективную площадь рассеяния, при этом, желательно, учитывать конфигурацию воздушных потоков, чтобы, к примеру, скорость воздуха в результате не снизилась на большую величину, нежели увеличится площадь радиатора.
Здесь, впрочем, тоже есть свои традиционные методы. Например, "ежик", когда на квадратном сантиметре поверхности пытаются разместить максимальное количество пластин-иголок, в результате чего действительно площадь, соприкасающаяся с воздухом, увеличивается максимально, но при недостаточно эффективной конструкции есть шансы значительно снизить скорость продирающегося сквозь них потока воздуха. С каждым годом технологии прессовки все совершенствуются, так что и плотность ребер на ту же площадь непрерывно растет, и форма их непрерывно усложняется - от прямых выступов здесь уже давно перешли к изогнутым плоскостям различных конфигураций (рис.1).
Рисунок 1. Радиатор с изогнутыми ребрами.
Интерфейс между чипом и радиатором
Воздух, как мы уже говорили, не является идеалом по теплопроводности, так что для наилучшего охлаждения требуется еще один фактор: чтобы радиатор максимально плотно прилегал к поверхности чипа, и чтобы между ними нигде не возникало даже мельчайших воздушных прослоек. Для этого требуется либо идеальная полировка их поверхностей, либо же какой-то посредник, способный заполнить все впадины и обеспечить, в то же время, пристойную теплопередачу.
Речь, конечно же, идет о разнообразных пастах, гелях, и тому подобных вещах. Сегодняшние материалы подобного рода обладают теплопроводностью до 13 Вт/квадратный метр/градус Цельсия, что более чем достаточно для сегодняшних устройств, но если сбудутся прогнозы на конец этого десятилетия, этот параметр должен будет вырасти раза в три. Но здесь физических проблем тоже не наблюдается - потенциал имеется и выше 100 Вт/квадратный метр/градус Цельсия, а значит, химики и физики в этом направлении наверняка продвинутся.
По мере их работы, несомненно, будет находиться применение все новым и новым материалам. Как это было, например, с материалами с изменяющимся фазовым состоянием, описанными еще двадцать лет назад, но в охлаждении чипов начавших применяться только тогда, когда появились достаточно горячие процессоры, уровня Pentium. Изменяющееся фазовое состояние имеет, например, вода, которая, в зависимости от температуры, может, не меняя своего химического состава, переходить из одного фазового состояние в другое - твердое, жидкое, газообразное.
Воду, конечно, в качестве прослойки между чипом и радиатором не применяют, но есть и другие варианты, представляющие из себя смесь полимерной основы и керамического наполнителя, повышающего термопроводимость смесей - например, Al2O3, BN, AlN или ZnO. Подобные смеси при комнатной температуре представляют из себя весьма вязкую субстанцию, в промежутке 40-70 градусов по Цельсию переходящую в жидкое состояние, вытесняя воздух между чипом и радиатором, и уменьшая термосопротивление этого участка. В таком состоянии материалы с изменяющимся фазовым состоянием работают не хуже гелей и жидких термопаст, но они заметно более удобны в обращении.