อุณหพลศาสตร์ของซีพียูและชิปอื่น ๆ จัดการอย่างไร?

ฉันได้ยินมาว่าการออกแบบประสิทธิภาพเชิงความร้อนของระบบนั้นยากมาก ฉันไม่แน่ใจว่าทำไม แต่และฉันสนใจ

ในอีกด้านหนึ่งฉันเดิมพันความร้อนเป็นฟังก์ชั่นของพลังงานทั้งหมดในระบบ ในอีกทางหนึ่งเมื่อบิตแต่ละแผ่นถูกพลิกฉันจินตนาการว่าความร้อนเคลื่อนย้ายไปรอบ ๆ หลุมศพ

ความร้อนเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ แม่พิมพ์อย่างไรและสิ่งนี้มีผลต่อการระบายความร้อนของ CPU อย่างไร มีการชดเชยเฉพาะเพื่อรองรับการเคลื่อนที่ของความร้อนหรือไม่?

ประเด็นพื้นฐานทั้งหมดเกี่ยวกับอุณหพลศาสตร์ของการออกแบบชุดระบายความร้อนนั้นถูกนำเสนออย่างดีที่นี่ (อย่าพลาดภาพสวย CFD ที่ด้านล่างของหน้า)

สิ่งที่ไม่ได้นำเสนอในที่นี้คือโครงสร้าง flowfield ที่ใหญ่กว่าภายในเคสคอมพิวเตอร์ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาด้วยการผลักดันให้รับความเร็วของ CPU ที่ 3+ GHz ทำให้มีการออกแบบ (1) พัดลมแบบมีท่อรวมถึง (2) ท่อไหลเข้าไปในท่อที่ผ่านอากาศเข้าและออกอย่างรวดเร็ว .

พัดลม Ducted จะสร้างแรงขับ (หรือเคลื่อนย้ายอากาศมากขึ้น) กว่าพัดลมปกติเนื่องจากท่อทำให้เกิดการรั่วไหลน้อยลงรอบ ๆ ปลายซึ่งเกิดขึ้นจากการพูดเรดิคัลที่ความเร็วสูงสุดของพัดลม (นี่เป็นแนวคิดที่คล้ายกับเคล็ดลับปีกบนเครื่องบิน) ดังนั้นปลายของใบมีดคือที่ที่พัดลมสามารถเคลื่อนที่ได้เร็วที่สุด

เกี่ยวกับท่อไหลภายในท่อความคิดคือการใช้ผลของ Bernoulli ของหัวฉีดเพื่อเร่งการไหลผ่านแผงระบายความร้อนเพื่อให้สามารถกำจัดความร้อนได้เร็วที่สุด สิ่งนี้ได้กลายเป็นที่นิยมโดยเฉพาะสำหรับนักโอเวอร์คล็อกที่พยายามเข้าถึงความเร็ว 4+ GHz (เช่นดูhttp://www.overclockers.com/ducts-the-cheap-cooling-solution/ )

ความปรารถนาที่จะผลิต CPU ที่เร็วขึ้นและเร็วขึ้นนั้นได้ผลักดันความต้องการในการออกแบบระบบระบายความร้อนที่ดีขึ้น หัวข้อต่างๆเช่นการระบายความร้อนด้วยของเหลวหรือไนโตรเจนไม่ได้กล่าวถึง แต่ยังเป็นวิธีการทางเลือกอื่น ๆ ในการพยายามทำให้ CPU เย็นลงอย่างมีประสิทธิภาพโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการโอเวอร์คล็อกที่ความเร็วสูงกว่า 5 GHz (เช่นดูhttp://www.tomshardware.com/reviews/5- ghz-core-i7-980x-overclocking, 2665.html )

ในที่สุดฉันจะปล่อยให้คุณมีสิ่งที่คิด ... ฉันเคยได้ยินความร้อนที่เกิดจากการทำงานของ CPU ที่ความเร็ว 10 GHz เทียบเท่ากับความร้อนของดวงอาทิตย์ มีการอภิปรายที่ดีงามในหัวข้อที่อยู่ที่นี่: http://www.reddit.com/r/askscience/comments/ngv50/why_have_cpus_been_limited_in_frequency_to_around

ระบบระบายความร้อนรอบ ๆ ชิปประมวลผลที่ทันสมัยมีความซับซ้อนและเน้นการออกแบบ ด้วยเหตุผลทั้งทางไฟฟ้าและทางเศรษฐกิจมันเป็นการดีที่จะสร้างทรานซิสเตอร์แต่ละตัวในโปรเซสเซอร์ขนาดเล็กและใกล้กัน อย่างไรก็ตามความร้อนมาจากทรานซิสเตอร์เหล่านี้ บางคนกระจายไปตลอดเวลาเพียงเพราะพวกเขานั่งอยู่ที่นั่นด้วยอำนาจที่ใช้ องค์ประกอบอื่นเกิดขึ้นเฉพาะเมื่อพวกเขาสลับสถานะ สองสิ่งนี้สามารถแลกเปลี่ยนได้ในระดับหนึ่งเมื่อโปรเซสเซอร์ได้รับการออกแบบ

ทรานซิสเตอร์แต่ละตัวไม่กระจายพลังงานมากนัก แต่ตัวละครนับล้านและหลายล้านตัวได้รวมตัวกันในพื้นที่ขนาดเล็ก โปรเซสเซอร์สมัยใหม่จะปรุงอาหารเองภายในไม่กี่วินาทีถึง 10 วินาทีหากความร้อนนี้ไม่ได้ถูกลบออกไปอย่างจริงจังและจริงจัง 50-100 W ไม่ได้อยู่นอกสายสำหรับโปรเซสเซอร์ที่ทันสมัย ตอนนี้ให้พิจารณาว่าหัวแร้งบัดกรีส่วนใหญ่เริ่มจากน้อยกว่านั้นและให้ความร้อนกับก้อนโลหะที่มีพื้นที่ผิวเดียวกัน

วิธีการแก้ปัญหาที่ใช้ในการยึดแผงระบายความร้อนขนาดใหญ่ลงบนแม่พิมพ์ขนาดเล็ก ในความเป็นจริงชุดระบายความร้อนเป็นส่วนหนึ่งของการออกแบบโดยรวมของโปรเซสเซอร์ บรรจุภัณฑ์จะต้องสามารถนำพลังงานความร้อนจากแม่พิมพ์ไปสู่ภายนอกซึ่งฮีตซิงก์แบบหนีบยึดสามารถดำเนินการต่อไปและในที่สุดก็กระจายไปยังอากาศไหล

สิ่งนี้ไม่ดีพอเนื่องจากความหนาแน่นพลังงานของโปรเซสเซอร์เหล่านี้สูงขึ้น โปรเซสเซอร์ระดับสูงตอนนี้มีการระบายความร้อนที่ใช้งานอยู่หรือระบบเปลี่ยนเฟสซึ่งย้ายความร้อนจากแม่พิมพ์ไปยังครีบครีบได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าการนำความร้อนแบบเดิมผ่านอลูมิเนียมหรือทองแดงที่ทำจากฮีตซิงก์เก่า

ในบางกรณีมีการจ้างงานคูลเลอร์ Peltier ปั๊มความร้อนเหล่านี้ทำงานอย่างแข็งขันจากที่ตายไปยังที่อื่นที่ง่ายต่อการไหลของอากาศ สิ่งนี้มาพร้อมกับชุดปัญหาของตัวเอง Peltiers นั้นค่อนข้างไม่มีประสิทธิภาพในการระบายความร้อนดังนั้นพลังงานทั้งหมดที่ต้องกำจัดออกไปนั้นมีขนาดใหญ่กว่าสิ่งที่ตายไปอย่างมาก อย่างไรก็ตามแอคชั่นการสูบน้ำแบบแอคทีฟสามารถช่วยได้แม้ว่าครีบครีบจะร้อนกว่ามาก วิธีนี้ใช้ได้ผลเนื่องจากอลูมิเนียมหรือทองแดงของครีบแผ่รังสีสามารถทนอุณหภูมิได้สูงกว่าสารกึ่งตัวนำตาย ซิลิคอนหยุดทำตัวเหมือนเซมิคอนดักเตอร์ที่ประมาณ 150 ° C และวงจรจริงต้องมีอัตราการใช้งานที่ต่ำกว่านั้น อย่างไรก็ตามครีบระบายความร้อนสามารถจัดการกับอุณหภูมิที่สูงขึ้นได้อย่างง่ายดาย ปั๊มความร้อนที่ใช้งานใช้ประโยชน์จากความแตกต่างนี้

ในอดีตมีการระบายความร้อนด้วยไนโตรเจนเหลวที่ไหล สิ่งนี้ไม่สมเหตุสมผลสำหรับคอมพิวเตอร์ตั้งโต๊ะทั่วไปที่ใช้เทคโนโลยีในปัจจุบัน แต่การจัดการความร้อนเป็นส่วนสำคัญของการออกแบบคอมพิวเตอร์ตั้งแต่เริ่มต้นคอมพิวเตอร์ แม้แต่ย้อนกลับไปในปี 1950 การเก็บหลอดสุญญากาศเหล่านั้นทั้งหมดไม่ให้หลอมละลายเป็นสิ่งที่ต้องพิจารณาอย่างรอบคอบ