CPU ve diğer yongaların termodinamiği nasıl ele alınır?

Bu tür sistemlerin termal verimliliğini tasarlamanın çok zor olduğunu duydum. Yine de neden olduğundan emin değilim ve ilgileniyorum.

Bir yandan, ısının bir şekilde sistemdeki toplam gücün bir işlevi olduğunu iddia ediyorum. Öte yandan, tek tek bitler çevrilirken, ısının kalıbın etrafında göç ettiğini hayal ediyorum.

Isı kalıbın etrafında nasıl hareket eder ve bu CPU'nun soğutmasını nasıl etkiler? Isı hareketine uyum sağlamak için belirli telafiler yapıldı mı?

Isı emici tasarımının Termodinamiği ile ilgili tüm temel sorunlar burada iyi sunulmuştur (sayfanın altındaki güzel CFD resimlerini kaçırmamaya dikkat edin).

Burada gösterilmeyen şey, bilgisayar kasasının içindeki daha büyük akış alanı yapısıdır. Son yıllarda, CPU hızlarını 3+ GHz'de alma baskısıyla, (1) kanallı fanların yanı sıra (2) havayı kasaya hızlıca girip çıkaran kasaya akış kanalları tasarlamak için daha fazla çalışma yapıldı. .

Kanallı fanlar normal fanlardan daha fazla itme (veya daha fazla hava) üretir, çünkü kanal, fanın en yüksek hız noktasını radyal olarak konuşan uç etrafında daha az akış sızıntısına neden olur. (Bu, uçaklardaki kanat uçlarına benzer bir kavramdır). Böylece, bıçak ucu fan üzerinde havayı en hızlı hareket ettirebilen yerdir.

Gövde içindeki akış kanalları ile ilgili olarak , fikir, ısı emici üzerindeki akışı hızlandırmak için bir memenin Bernoulli etkisini kullanmak, böylece ısıyı olabildiğince hızlı bir şekilde çıkarabilmektir. Bu, özellikle 4+ GHz hızlarına ulaşmaya çalışan overclock cihazları için popüler hale geldi (örneğin bkz. Http://www.overclockers.com/ducts-the-cheap-cooling-solution/ ).

Daha hızlı ve daha hızlı CPU üretme isteği, daha iyi soğutma sistemleri tasarlama ihtiyacını gerçekten zorladı. Sıvı veya nitrojen soğutması gibi konular tartışılmamakla birlikte, özellikle 5 GHz üzerindeki hızlarda hız aşırtma için CPU'yu daha verimli bir şekilde soğutmaya çalışmak için alternatif yöntemlerdir (örneğin bkz. Http://www.tomshardware.com/reviews/5- ghz-core-i7-980x-overclock, 2665.html ).

Sonunda, üzerinde düşünmek için bir şey bırakıyorum ... Bir keresinde 10 GHz'de çalışan bir CPU tarafından üretilen ısının güneşin ısısına eşdeğer olduğunu duydum. Burada bu konuda oldukça iyi bir tartışma var: http://www.reddit.com/r/askscience/comments/ngv50/why_have_cpus_been_limited_in_frequency_to_around .

Modern bir işlemci çipinin etrafındaki termal sistem gerçekten karmaşık ve büyük bir tasarım odağı. Hem elektriksel hem de ekonomik nedenlerden ötürü, bir işlemcideki bireysel transistörleri küçük ve birbirine yakın hale getirmek iyidir. Bununla birlikte, ısı bu transistörlerden gelir. Bazıları her zaman orada uygulanan güç ile oturdukları için dağıtılır. Başka bir bileşen yalnızca durum değiştirdiklerinde oluşur. Bu ikisi işlemci tasarlandığında bir dereceye kadar takas edilebilir.

Her bir transistör fazla güç harcamaz, ancak milyonlarca ve milyonlarca (kelimenin tam anlamıyla) küçük bir alanda sıkışır. Modern işlemciler, eğer bu ısı aktif ve agresif bir şekilde çıkarılmazsa, saniyeler içinde 10 saniyeye kadar pişireceklerdi. 50-100 W modern bir işlemci için uygun değil. Şimdi çoğu lehim demirinin bundan daha az koştuğunu düşünün ve bir metal parçasını yaklaşık aynı yüzey alanına ısıtın.

Çözelti, büyük bir ısı emiciyi küçük kalıba sıkıştırmaktı. Aslında, soğutucu, işlemcinin genel tasarımının ayrılmaz bir parçasıydı. Paket, ısı gücünü kalıptan dışarıya doğru aktarabilmelidir, burada sıkıştırılmış ısı emici daha fazla iletebilir ve sonunda akan havaya dağıtabilir.

Bu işlemcilerin güç yoğunluğu arttığı için bu artık yeterince iyi değil. İleri teknoloji işlemciler artık ısıyı kalıptan yayılan kanatçıklara, alüminyum ya da bakırdan eski ısı alıcıları ile yaptığı düz iletimden daha verimli bir şekilde taşıyan bir aktif soğutma veya bir faz değiştirme sistemi içermektedir.

Bazı durumlarda Peltier soğutucular kullanılır. Bunlar aktif olarak kalıptan hava akışına bağlanmanın daha kolay olduğu başka bir yere ısıyı pompalar. Bu, kendi sorunlarıyla birlikte gelir. Peltiers oldukça verimsiz soğutuculardır, bu yüzden kurtarılması gereken toplam güç, kalıbın dağıttığından önemli ölçüde daha büyüktür. Bununla birlikte, etkin pompalama eylemi, yayılan kanatçıklar nihayetinde çok daha sıcak olsa bile yardımcı olabilir. Bu, yayılan kanatçıkların alüminyum veya bakırının, yarı iletken kalıbın yapabileceğinden çok daha yüksek sıcaklıklara dayanabilmesi nedeniyle çalışır. Silikon yaklaşık 150 ° C'de yarı iletken gibi davranmayı bırakır ve gerçek devrelerin bunun altında bir çalışma marjına ihtiyacı vardır. Bununla birlikte, ısı emici kanatçıkları çok daha yüksek sıcaklıkları kolayca işleyebilir. Aktif bir ısı pompası bu farkı kullanır.

Geçmişte akan sıvı azotla soğutulmuş işlemciler vardı. Bu, günümüz teknolojisine sahip sıradan masaüstü bilgisayarlar için ekonomik bir anlam ifade etmiyor, ancak ısı yönetimi, bilgisayarların başlangıcından bu yana bilgisayar tasarımının önemli bir parçası oldu. 1950'lerde bile, tüm bu vakum tüplerinin birbirini eritmesini önlemek, dikkatle düşünülmesi gereken bir şeydi.