Comment la thermodynamique des processeurs et autres puces est-elle gérée?

J'entends que la conception de l'efficacité thermique de tels systèmes est très difficile. Je ne sais pas pourquoi, cependant, et je suis intéressé.

D'une part, je parie que la chaleur est en quelque sorte fonction de la puissance totale du système. D'un autre côté, lorsque des bits individuels sont retournés, j'imagine que la chaleur migre autour de la matrice.

Comment la chaleur se déplace-t-elle autour de la puce et comment cela affecte-t-il le refroidissement du processeur? Des compensations spécifiques sont-elles faites pour s'adapter au mouvement de la chaleur?

Tous les problèmes fondamentaux concernant la thermodynamique de la conception du dissipateur de chaleur sont bien présentés ici (assurez-vous de ne pas manquer les jolies photos CFD au bas de la page).

Ce qui n'est pas présenté ici, c'est la plus grande structure de champ de flux à l'intérieur du boîtier de l'ordinateur. Au cours des dernières années, avec la volonté d'obtenir des vitesses de processeur à 3+ GHz, il y a eu plus de travail dans la conception de (1) ventilateurs gainés ainsi que (2) des conduits d'écoulement dans le boîtier qui font passer l'air rapidement dans et hors du boîtier. .

Les ventilateurs canalisés produisent plus de poussée (ou déplacent plus d'air) que les ventilateurs ordinaires, car le conduit provoque moins de fuites de débit autour de la pointe qui se trouve être, radialement parlant, le point de vitesse le plus élevé du ventilateur. (Il s'agit d'un concept similaire aux pointes d'ailes sur les avions). Ainsi, la pointe de la lame est l'endroit sur le ventilateur qui peut déplacer l'air le plus rapidement.

En ce qui concerne les conduits d'écoulement à l'intérieur du boîtier, l'idée est d'utiliser l'effet Bernoulli d'une buse pour accélérer le flux sur le dissipateur de chaleur afin qu'il puisse évacuer la chaleur le plus rapidement possible. Ceci est particulièrement devenu populaire pour les overclockers essayant d'atteindre des vitesses de 4+ GHz (voir par exemple http://www.overclockers.com/ducts-the-cheap-cooling-solution/ ).

Le désir de produire des CPU de plus en plus rapides a vraiment poussé la nécessité de concevoir de meilleurs systèmes de refroidissement. Des sujets tels que le refroidissement liquide ou à l'azote ne sont pas abordés, mais sont également des méthodes alternatives pour essayer de refroidir plus efficacement le CPU, en particulier pour l'overclocking à des vitesses supérieures à 5 GHz (voir par exemple http://www.tomshardware.com/reviews/5- ghz-core-i7-980x-overclocking, 2665.html ).

Enfin, je vous laisse avec quelque chose à penser ... J'ai entendu une fois que la chaleur produite par un processeur fonctionnant à 10 GHz est équivalente à la chaleur du soleil. Il y a une assez bonne discussion sur ce sujet ici: http://www.reddit.com/r/askscience/comments/ngv50/why_have_cpus_been_limited_in_frequency_to_around .

Le système thermique autour d'une puce de processeur moderne est en effet compliqué et un objectif de conception majeur. Pour des raisons à la fois électriques et économiques, il est bon de faire des transistors individuels dans un processeur petits et rapprochés. Cependant, la chaleur provient de ces transistors. Certains sont dissipés tout le temps simplement parce qu'ils sont assis là avec un pouvoir appliqué. Un autre composant se produit uniquement lorsqu'ils changent d'état. Ces deux peuvent être échangés dans une certaine mesure lorsque le processeur est conçu.

Chaque transistor ne dissipe pas beaucoup de puissance, mais des millions et des millions (littéralement) entassés dans une petite zone le font. Les processeurs modernes se cuisineraient en quelques secondes à 10 secondes si cette chaleur n'était pas activement et agressivement éliminée. 50-100 W n'est pas hors ligne pour un processeur moderne. Considérez maintenant que la plupart des fers à souder fonctionnent à partir de moins que cela, et chauffez un morceau de métal avec environ la même surface.

La solution était de fixer un gros dissipateur de chaleur sur la petite matrice. En fait, le dissipateur de chaleur faisait partie intégrante de la conception globale du processeur. L'emballage doit être capable de conduire la puissance thermique de la filière vers l'extérieur, où le dissipateur de chaleur fixé peut le conduire davantage et éventuellement le dissiper dans l'air qui coule.

Ce n'est plus suffisant car la densité de puissance de ces processeurs a augmenté. Les processeurs haut de gamme contiennent désormais un refroidissement actif ou un système de changement de phase qui déplace la chaleur de la filière vers les ailettes rayonnantes plus efficacement que l'ancienne conduction ordinaire à travers l'aluminium ou le cuivre avec les anciens dissipateurs de chaleur.

Dans certains cas, des refroidisseurs Peltier sont utilisés. Ceux-ci pompent activement la chaleur de la filière vers un autre endroit où il est plus facile de se coupler au flux d'air. Cela vient avec son propre ensemble de problèmes. Les Peltiers sont des refroidisseurs plutôt inefficaces, de sorte que la puissance totale dont il faut se débarrasser est beaucoup plus importante que ce que la matrice dissipe. Cependant, l'action de pompage active peut aider, même si les ailettes rayonnantes sont finalement beaucoup plus chaudes. Cela fonctionne parce que l'aluminium ou le cuivre des ailettes rayonnantes peuvent supporter des températures beaucoup plus élevées que la puce semi-conductrice. Le silicium cesse d'agir comme un semi-conducteur à environ 150 ° C, et les circuits réels ont besoin d'une marge de fonctionnement en dessous. Cependant, les ailettes du dissipateur thermique peuvent facilement supporter des températures beaucoup plus élevées. Une pompe à chaleur active exploite cette différence.

Dans le passé, il y avait des processeurs refroidis avec de l'azote liquide qui coule. Cela n'a pas de sens économique pour les ordinateurs de bureau ordinaires dotés de la technologie d'aujourd'hui, mais la gestion de la chaleur est un élément important de la conception informatique depuis les débuts des ordinateurs. Même dans les années 1950, empêcher tous ces tubes à vide de se fondre était quelque chose qui devait être soigneusement considéré.