Bagaimana cara termodinamika CPU dan chip lainnya ditangani?

Saya mendengar bahwa merancang efisiensi termal dari sistem seperti itu sangat sulit. Saya tidak yakin mengapa, dan saya tertarik.

Di satu sisi, saya yakin panas entah bagaimana merupakan fungsi dari daya total dalam sistem. Di sisi lain, ketika bit individual dibalik, saya membayangkan panas bermigrasi di sekitar cetakan.

Bagaimana panas bergerak di sekitar cetakan, dan bagaimana ini mempengaruhi pendinginan CPU? Apakah kompensasi khusus dibuat untuk mengakomodasi pergerakan panas?

Semua masalah mendasar tentang Termodinamika dari desain pendingin disajikan dengan baik di sini (pastikan untuk tidak melewatkan gambar CFD cantik di bagian bawah halaman).

Apa yang tidak disajikan di sini adalah struktur flowfield yang lebih besar di dalam kasing komputer. Dalam beberapa tahun terakhir, dengan dorongan untuk mendapatkan kecepatan CPU pada 3+ GHz, ada lebih banyak pekerjaan dalam mendesain (1) kipas yang disalurkan serta (2) aliran saluran ke dalam casing yang mengalirkan udara dengan cepat masuk dan keluar dari kasing .

Kipas yang disalurkan menghasilkan lebih banyak dorongan (atau memindahkan lebih banyak udara) daripada kipas biasa, karena saluran menyebabkan lebih sedikit kebocoran aliran di sekitar ujung yang secara radial merupakan titik kecepatan tertinggi dari kipas. (Ini adalah konsep yang mirip dengan tips sayap di pesawat). Jadi, ujung pisau adalah tempat pada kipas yang dapat menggerakkan udara dengan tercepat.

Mengenai saluran aliran dalam casing, idenya adalah untuk menggunakan efek Bernoulli dari nosel untuk mempercepat aliran di atas pendingin sehingga dapat menghilangkan panas secepat mungkin. Ini terutama menjadi populer bagi para overclocker yang mencoba mencapai kecepatan 4+ GHz (mis. Lihat http://www.overclockers.com/ducts-the-cheap-cooling-solution/ ).

Keinginan untuk menghasilkan lebih cepat dan lebih cepat CPU benar-benar telah mendorong kebutuhan untuk merancang sistem pendingin yang lebih baik. Topik seperti pendinginan cair atau nitrogen tidak dibahas, tetapi juga merupakan metode alternatif untuk mencoba mendinginkan CPU dengan lebih efisien, terutama untuk overclocking pada kecepatan di atas 5 GHz (mis. Lihat http://www.tomshardware.com/reviews/5- ghz-core-i7-980x-overclocking, 2665.html ).

Akhirnya, saya meninggalkan Anda dengan sesuatu untuk dipikirkan ... Saya pernah mendengar panas yang dihasilkan oleh CPU yang bekerja pada 10 GHz setara dengan panas matahari. Ada diskusi yang cukup bagus tentang topik itu di sini: http://www.reddit.com/r/askscience/comments/ngv50/why_have_cpus_been_limited_in_frequency_to_around .

Sistem termal di sekitar chip prosesor modern memang rumit dan fokus desain utama. Untuk alasan listrik dan ekonomi, ada baiknya membuat transistor individu dalam prosesor menjadi kecil dan berdekatan. Namun, panas berasal dari transistor ini. Beberapa dihamburkan sepanjang waktu hanya karena mereka duduk di sana dengan kekuatan yang diberikan. Komponen lain hanya terjadi ketika mereka beralih status. Keduanya dapat diperdagangkan sampai batas tertentu ketika prosesor dirancang.

Setiap transistor tidak menghilangkan banyak daya, tetapi jutaan dan jutaan (secara harfiah) dijejalkan bersama di area kecil. Prosesor modern akan memasak sendiri dalam hitungan detik hingga 10 detik jika panas ini tidak dihilangkan secara aktif dan agresif. 50-100 W tidak keluar jalur untuk prosesor modern. Sekarang perhatikan bahwa sebagian besar setrika solder beroperasi dari kurang dari itu, dan panaskan sepotong logam dengan luas permukaan yang sama.

Solusi yang digunakan adalah menjepit heat sink besar ke die kecil. Faktanya, heat sink adalah bagian integral dari keseluruhan desain prosesor. Paket harus mampu mengalirkan tenaga panas dari cetakan ke luar, tempat pendingin yang dijepit dapat membawanya lebih jauh dan akhirnya membuangnya ke udara yang mengalir.

Ini tidak lagi cukup baik karena kepadatan daya prosesor ini sudah semakin tinggi. Prosesor kelas atas sekarang mengandung pendinginan aktif atau sistem perubahan fasa yang memindahkan panas dari cetakan ke sirip yang memancarkan secara lebih efisien daripada konduksi lama biasa melalui aluminium atau tembaga yang dilakukan dengan heat sink lama.

Dalam beberapa kasus pendingin Peltier digunakan. Ini secara aktif memompa panas dari die ke tempat lain di mana lebih mudah untuk berpasangan dengan aliran udara. Ini dilengkapi dengan serangkaian masalahnya sendiri. Peltiers adalah pendingin yang agak tidak efisien, sehingga daya total yang perlu dihilangkan secara signifikan lebih besar dari apa yang dikeluarkan oleh die. Namun, aksi pemompaan aktif dapat membantu, bahkan jika sirip yang terpancar pada akhirnya jauh lebih panas. Ini berfungsi karena aluminium atau tembaga sirip yang memancar dapat bertahan jauh lebih tinggi daripada suhu semikonduktor. Silikon berhenti bertindak seperti semikonduktor pada sekitar 150 ° C, dan sirkuit nyata memerlukan margin operasi di bawahnya. Namun, sirip heat sink dapat dengan mudah menangani suhu yang jauh lebih tinggi. Sebuah pompa panas aktif memanfaatkan perbedaan ini.

Di masa lalu telah ada prosesor yang didinginkan dengan nitrogen cair yang mengalir. Ini tidak masuk akal secara ekonomi untuk PC desktop biasa dengan teknologi saat ini, tetapi manajemen panas telah menjadi bagian penting dari desain komputer sejak awal komputer. Bahkan di tahun 1950-an, menjaga semua tabung vakum dari mencair satu sama lain adalah sesuatu yang harus dipertimbangkan dengan cermat.