¿Cómo se maneja la termodinámica de las CPU y otros chips?

Escuché que diseñar la eficiencia térmica de tales sistemas es muy difícil. Sin embargo, no estoy seguro de por qué, y estoy interesado.

Por un lado, apuesto a que el calor es de alguna manera una función de la potencia total en el sistema. Por otro lado, a medida que se voltean los bits individuales, imagino que el calor migra alrededor del dado.

¿Cómo se mueve el calor alrededor del dado y cómo afecta esto al enfriamiento de la CPU? ¿Se realizan compensaciones específicas para acomodar el movimiento del calor?

Aquí se presentan todos los problemas fundamentales sobre la termodinámica del diseño del disipador de calor (asegúrese de no perderse las bonitas fotos de CFD en la parte inferior de la página).

Lo que no se presenta aquí es la estructura de campo de flujo más grande dentro de la caja de la computadora. En los últimos años, con el impulso de obtener velocidades de CPU a más de 3 GHz, ha habido más trabajo en el diseño de (1) ventiladores con conductos , así como (2) conductos de flujo en la carcasa que pasan aire rápidamente dentro y fuera de la carcasa .

Los ventiladores con conductos producen más empuje (o mueven más aire) que los ventiladores normales, porque el conducto causa menos fugas de flujo alrededor de la punta, que es radialmente hablando el punto de mayor velocidad del ventilador. (Este es un concepto similar a las puntas de las alas en los aviones). Entonces, la punta de la cuchilla es el lugar en el ventilador que puede mover el aire más rápido.

Con respecto a los conductos de flujo dentro de la carcasa, la idea es utilizar el efecto Bernoulli de una boquilla para acelerar el flujo sobre el disipador de calor para que pueda eliminar el calor lo más rápido posible. Esto se ha vuelto especialmente popular para los overclockers que intentan alcanzar velocidades de 4+ GHz (por ejemplo, consulte http://www.overclockers.com/ducts-the-cheap-cooling-solution/ ).

El deseo de producir CPU cada vez más rápidas realmente ha empujado la necesidad de diseñar mejores sistemas de enfriamiento. No se discuten temas como el enfriamiento con líquido o nitrógeno, pero también son métodos alternativos para tratar de enfriar más eficientemente la CPU, especialmente para el overclocking a velocidades superiores a 5 GHz (por ejemplo, consulte http://www.tomshardware.com/reviews/5- ghz-core-i7-980x-overclocking, 2665.html ).

Finalmente, te dejo con algo en qué pensar ... Una vez escuché que el calor producido por una CPU que funciona a 10 GHz es equivalente al calor del sol. Aquí hay una muy buena discusión sobre ese tema: http://www.reddit.com/r/askscience/comments/ngv50/why_have_cpus_been_limited_in_frequency_to_around .

El sistema térmico alrededor de un chip de procesador moderno es realmente complicado y un enfoque de diseño importante. Por razones tanto eléctricas como económicas, es bueno hacer que los transistores individuales en un procesador sean pequeños y estén juntos. Sin embargo, el calor proviene de estos transistores. Algunos se disipan todo el tiempo solo porque se sientan allí con el poder aplicado. Otro componente ocurre solo cuando cambian de estado. Estos dos pueden intercambiarse hasta cierto punto cuando el procesador está diseñado.

Cada transistor no disipa mucha potencia, pero millones y millones (literalmente) amontonados en un área pequeña lo hacen. Los procesadores modernos se cocinarían en segundos a 10 segundos si este calor no se eliminara de manera activa y agresiva. 50-100 W no está fuera de línea para un procesador moderno. Ahora considere que la mayoría de los soldadores funcionan desde menos que eso, y caliente un trozo de metal con aproximadamente la misma superficie.

La solución solía ser sujetar un gran disipador de calor al troquel pequeño. De hecho, el disipador de calor era una parte integral del diseño general del procesador. El paquete debe ser capaz de conducir la energía calorífica desde el troquel hacia el exterior, donde el disipador de calor sujeto puede conducirlo aún más y eventualmente disiparlo al aire que fluye.

Esto ya no es lo suficientemente bueno, ya que la densidad de potencia de estos procesadores ha aumentado. Los procesadores de gama alta ahora contienen algo de enfriamiento activo o un sistema de cambio de fase que mueve el calor del troquel a las aletas radiantes de manera más eficiente que la conducción simple a través de aluminio o cobre con los viejos disipadores de calor.

En algunos casos se emplean enfriadores Peltier. Estos bombean activamente calor del troquel a otro lugar donde es más fácil acoplarse al flujo de aire. Esto viene con su propio conjunto de problemas. Los Peltiers son refrigeradores bastante ineficientes, por lo que la potencia total que debe eliminarse es significativamente mayor de lo que se disipa. Sin embargo, la acción activa de bombeo puede ayudar, incluso si las aletas radiantes eventualmente están mucho más calientes. Esto funciona porque el aluminio o el cobre de las aletas radiantes pueden soportar temperaturas mucho más altas que la matriz de semiconductores. El silicio deja de actuar como un semiconductor a unos 150 ° C, y los circuitos reales necesitan un margen operativo por debajo de eso. Sin embargo, las aletas del disipador de calor pueden manejar fácilmente temperaturas mucho más altas. Una bomba de calor activa hace uso de esta diferencia.

En el pasado ha habido procesadores enfriados con nitrógeno líquido que fluye. Esto no tiene sentido económico para las PC de escritorio comunes con la tecnología actual, pero la gestión del calor ha sido una parte importante del diseño de la computadora desde los comienzos de las computadoras. Incluso en la década de 1950, evitar que todos esos tubos de vacío se derritieran entre sí era algo que debía considerarse cuidadosamente.