Наука об охлаждении

#перевод #cpu

Уильям Гейд с Techspot приоткрыл для нас завесу тайны, окружающую охлаждение электроники.

Почему электроника нагревается? Какие методы применяются для её охлаждения?

Почти каждый элемент современной техники генерирует тепло. Не контролируй мы теплоотдачу, наши системы разрушили бы сами себя. Либо вычислительная мощность была бы сильно ограничена.

Среднестатистический пользователь DTF конечно же подумает об охлаждении процессора и видеокарты. А что насчет ОЗУ? Учитывая схожий размер кристалла (матрицы), из-за чего такая огромная разница между производительностью мобильного и десктопного процессора? Почему прирост производительности в новых поколениях чипов стал замедляться?

Ответ на все эти вопросы тесно связан с теплом и физикой работы компьютеров в масштабе нанометров. Эта статья затронет основы науки о теплоте: как и почему она образуется в электронных устройствах, также будут упомянуты различные методы по её обузданию.

Если вы еще помните физику со школы: Тепло — это хаотичные движения атомов и молекул, которые составляют наш мир. Если одна молекула обладает большей кинетической энергией, чем другая — значит она горячее. Тепло передается от одного объекта к другому, пока оба не достигнут равновесия. Это означает, что более горячий предмет передаст часть своего тепла более холодному, в итоге мы получим ту самую температуру.

Время, необходимое для передачи этого тепла, зависит от теплопроводности материалов. Теплопроводность — это способность материальных тел проводить энергию (теплоту). Изолятор, подобный пенополистиролу, имеет относительно низкую теплопроводность — 0,03. Медь обладает более высокой теплопроводностью — 400. Если же брать крайние значения то, вакуум — 0, а алмаз имеет самую высокую теплопроводимость — более 2000.

Важно помнить то, что тепло всегда переходит в холод. Однако понятие «холод» не существует. Вещи кажутся нам «холодными», если их окружение более «теплое», чем они сами.. Еще одно важное определение, которое нам понадобится, — тепловая масса. Это свойство массы объекта, которое позволяет ему накапливать тепло, обеспечивая «инерцию» по отношению к колебаниям температуры. С помощью печки одного размера гораздо легче отапливать комнату, нежели целый дом. Причина довольно проста, термальная масса (теплоемкость) помещения намного меньше, чем термальная масса всего здания.

Можно объединить все эти термины с помощью простого примера — кипящая вода. Когда вы включаете плиту, горячее пламя контактирует с более холодным чайником. Поскольку материал из которого он изготовлен, является хорошим теплопроводником, тепло от огня будет передаваться в воду до тех пор, пока она не закипит.

Время закипания будет зависеть от способа нагрева, материала посуды и количества воды. Если вы попытаетесь вскипятить кастрюлю воды при помощи маленькой зажигалки — это займет целую вечность по сравнению с большим огнем от плиты. Всё потому, что плита обладает гораздо более высокой тепловой мощностью (Вт), чем маленькая зажигалка. Суп закипит быстрей, если «котел» имеет более высокую теплопроводность, т.е. вода получит больше тепла. Теперь, мы знаем, что маленький сосуд с водой закипит быстрее, чем большой — при малом размере ёмкости термальная масса нагревается в меньшей степени.

Как только вы закончите готовить, вода остынет сама по себе. Когда это происходит, тепло от воды улетучивается в окружающую среду. Поскольку в помещении термальная масса намного выше, чем в кастрюле, температура сильно не изменится.

Теперь, мы примерно знаем, как работает тепло и как оно взаимодействует с объектами. Давайте поговорим о том, откуда берется теплота. Вся цифровая электроника состоит из миллионов и миллиардов транзисторов. Для более детального рассмотрения того, как они работают, ознакомьтесь с «третьей частью нашего исследования по современной архитектуре процессоров». (прим. там 4 больших статьи, если будет интересно, могу заняться их переводом)

По сути, транзисторы — это электрически управляемые переключатели, которые включаются и выключаются миллиарды раз в секунду. Мы можем соединить их вместе, чтобы сформировать структуру компьютерного чипа.

Во время работы транзисторов, они рассеивают энергию от трех источников: коммутации, короткого замыкания и утечки энергии. Коммутация и питание от короткого замыкания известны как динамические источники тепла, так как на них влияют включающиеся и выключающиеся транзисторы. Утечка энергии известна как статическая, так как она постоянна и не зависит от работы транзистора.

Начнем с потенциала/переключения. Чтобы включить или выключить транзистор, мы должны установить затвор на землю (logic 0) или Vdd (logic 1). Но это не так просто, будто щелкнуть переключателем — этот входной затвор имеет очень малую емкость. Можно представить его как крошечную перезаряжаемую батарейку. Для того, чтобы активировать затвор, мы должны зарядить аккумулятор выше определенного порогового уровня. Как только мы будем готовы снова отключить его, нам нужно пустить заряд в землю. Хотя эти затворы микроскопичны, в современных чипах их миллиарды, и они переключаются миллиарды раз в секунду.

Каждый раз, когда заряд затвора сбрасывается в землю, выделяется небольшое количество тепла. Чтобы получить значение энергии стабилизатора напряжения, мы перемножаем коэффициент активности (среднюю долю транзисторов, переключающихся в любой данный цикл), частоту, емкость затвора и напряжение в квадрате.

Теперь рассмотрим энергию короткого замыкания. Современная цифровая электроника использует технологию — комплементарный металло-оксидный полупроводник (КМОП). Транзисторы устроены таким образом, что у них нет прямого пути для передачи тока в землю. В приведенном выше примере инвертора (NOT gate), находятся два комплементарных транзистора. Когда верхний включен, нижний выключен и наоборот.Это гарантирует, что выход находится либо на 0, либо на 1 и является обратным входу.Однако, когда мы включаем и выключаем транзисторы, существует очень короткий промежуток времени, когда они оба проводят электричество одновременно. Когда один выключается, а другой включается, они оба достигнут середины и будут проводить ток. Это неизбежно и обеспечивает временный путь для течения тока непосредственно к земле. Мы можем попытаться ограничить путь, ускорив переключение транзисторов с ВКЛ на ВЫКЛ, но не можем полностью устранить это.

По мере увеличения рабочей частоты микросхемы, происходит больше изменений состояния и больше мгновенных коротких замыканий. Это увеличивает тепловыделение чипа. Чтобы найти энергию короткого замыкания, мы перемножаем ток короткого замыкания, рабочее напряжение и частоту переключения.

Это два примера динамической энергии. Наиболее простой способ ослабить её — снизить тактовую частоту чипа. В свою очередь происходит падение производительности чипа, то есть не совсем целесообразный подход. Другой вариант — уменьшить рабочее напряжение процессора.Раньше чипы работали на 5 В и больше, теперь же современные ЦП используют 1 В и около этого значения. Проектируя транзисторы для работы на более низком напряжении, мы можем уменьшить потери тепла за счет динамической энергии. Она также является причиной того, что ваш ЦП и ГП нагреваются при разгоне. Вы увеличиваете тактовую частоту и довольно часто, напряжение. Чем выше их значения, тем больше тепла выделяется с каждым циклом.

Последний тип тепла, генерируемого в цифровой электронике, — это утечки энергии.Мы думаем, что транзисторы либо полностью включены, либо выключены, но на самом деле все работает не так.Даже когда транзистор находится в «непроводящем» состоянии, через него всегда будет протекать небольшое количество тока. Это очень сложная формула, и эффект только ухудшается, из-за того что мы уменьшаем размер транзисторов.

Когда они становятся все меньше, остается все меньше вещества, которые блокируют поток электронов. А это необходимо, чтобы держать транзисторы в выключенном состоянии. Именно поэтому производительность новых поколений процессоров ограничивается, поскольку доля утечек продолжает увеличиваться с каждым поколением. Законы физики загнали нас в угол, и мы израсходовали все наши возможности чтобы выйти из него.

Итак, мы знаем, откуда берется тепло в электронике, но как мы можем обуздать его? Нам нужно избавиться от него, так как, если транзисторы становятся слишком горячими, они могут начать ломаться и повреждаться. Thermal throttling (троттлинг) — это встроенный в микросхему метод охлаждения, если мы сами не можем предоставить процессору что-нибудь адекватное в этом плане. Если внутренние датчики температуры считают, что становится жарковато, чип может автоматически снизить свою тактовую частоту, дабы уменьшить количество выделяемого тепла. И это не то, что вы желаете. Есть много способов получше, они позволят справиться с нежелательной теплотой в компьютере.

Есть чипы, которым на самом деле не нужны причудливые решения для охлаждения. Взгляните на свою материнскую плату, там вы найдете десятки маленьких чипов без радиаторов.Как они не перегреваются и не разрушаются? В первую очередь, они не производят такое количества тепла. Мощные процессоры и ГП могут рассеивать сотни ватт, в то время как небольшой контроллер или аудиочип могут использовать лишь немного энергии. Если это так, то сама материнская плата или корпус чипа могут быть радиатором достаточным для его охлаждения.Однако, как это обычно бывает, если у вас уже больше 1 Вт, вам нужно задуматься о более надлежащем управлении теплом.

Основная мысль заключается в том, чтобы поддерживать низкое термическое сопротивление между материалами. Нам нужен кратчайший путь для теплоты — от самого чипа до окружающего воздуха. Вот почему процессорные и графические кристаллы поставляются с установленными сверху крышками для распределения тепла (IHS). Поскольку сам чип меньше по размеру, чем корпус, тепло распространяется на большую площадь и в результате мы получаем более эффективное охлаждение процессора. Также важно использовать хорошую термопасту. Без неё тепло не могло бы так легко уходить от IHS к радиатору.

Существует две основные формы охлаждения: пассивное и активное. Пассивное охлаждение — это простой радиатор, прикрепленный к чипу, который охлаждается окружающим воздушным потоком. Материал будет обладать высокой теплопроводностью и большей площадью поверхности. Это позволит радиатору передавать тепло от чипа окружающему воздуху.

Стабилизаторы напряжения и оперативная память могут обойтись пассивным охлаждением, поскольку они не выделяют много тепла. Процессоры мобильных телефонов как правило используют ту же схему, так как они рассчитаны на очень низкую мощность. Чем производительней чип, тем больше энергии он будет производить и тем большего размера нужен радиатор. Поэтому процессоры в телефонах слабее, чем десктопные аналоги. Им просто не хватает охлаждения.

Достигая отметки в 10 Вт, стоит задуматься об активном охлаждении.Данный метод использует вентилятор или ему подобные для нагнетания воздуха через радиатор. Он способен выдерживать нагрузку до нескольких сотен ватт.Нужно чтобы тепло с чипа попадало на всю поверхность кулера. Это было бы не очень целесообразно, если бы у нас был огромный радиатор без возможности передать ему тепло.

В этот момент на сцену выходят жидкостное охлаждение и тепловые трубки. Оба они выполняют одну и ту же задачу — передача как можно большего количества тепла от чипа к водоблоку или радиатору.В случае жидкостного охлаждения тепло передается от чипа к водоблоку через термопасту с высокой теплопроводностью.Водоблок часто состоит из меди или другого материала, способного хорошо проводить тепло.Жидкость нагревается и сохраняет тепло до тех пор, пока оно не достигнет радиатора, где оно может быть рассеяно. Для небольших систем, например ноутбуков, которые не способы вместить в себя жидкостное охлаждение — имеют распространение тепловые трубки.По сравнению с обычной медной трубкой, система с тепловыми трубками может быть в 10-100 раз эффективнее.

Тепловая трубка очень похожа на жидкостное охлаждение, но она также использует фазовый переход для увеличения теплопередачи. Внутри них находится жидкость, которая при нагревании превращается в пар.Он движется по тепловой трубке до тех пор, пока не достигнет «холодного конца» и не сконденсирует обратно в жидкость. Потом она возвращается к «горячему концу» под действием силы тяжести или капиллярного эффекта. Это испарительное охлаждение — та же самая причина, по которой вы чувствуете холод, выходя из душа или бассейна. Во всех этих случаях жидкость, превращаясь в пар поглощает тепло, а затем высвобождает его, как только оно конденсируется.

Теперь, когда мы можем передать тепло от чипа к тепловой трубке или жидкости — каким образом пустить его в окружающий воздух? Вот тут-то и появляются пластины с рёбрами и радиаторы. Тепловая трубка или трубка с водой будут передавать часть своего тепла в окружающий воздух. Но это не так много. Чтобы действительно охладить вещи, нам нужно увеличить площадь поверхности на которой распределяется температурный градиент от теплоносителя.

Тонкие пластины в радиаторе распределяют тепло по большой площади поверхности, что позволяет вентилятору эффективно уносить нагнетаемый воздух.Чем тоньше пластины, тем больше площадь поверхности, способная уместиться в заданный размер.Однако, если они слишком тонкие, то будет недостаточно контакта с тепловой трубкой и тепло не сможет достичь пластин. Это очень чёткий баланс, поэтому в некоторых случаях большой кулер может быть менее эффективным, чем маленький, оптимизированный кулер. Стив из Gamers Nexus создал отличную диаграмму показывающую то, как работает типичный радиатор.

Все вышеназванные методы охлаждения работают по принципу простой передачи тепла от горячего процессора воздуху.Это означает, что чип никогда не сможет стать холоднее, чем окружающая его среда в помещении, в котором он находится.Если мы хотим охладить процессор или что-то огромное, например дата-центр ниже температуры окружающей среды, нам нужно воспользоваться наукой. Именно тут появляются охладители и термоэлектрические кулеры.

Термоэлектрическое охлаждение, также известное как устройство Пельтье, в настоящее время не очень популярно, но может быть очень полезным. Эти приборы, потребляя электроэнергию передают тепло с одной стороны охлаждающей пластины на другую. Они используют специальный термоэлектрический материал, который может создавать разность температур за счет электрического потенциала.Когда постоянный ток протекает через одну сторону устройства, тепло передается на другую. Это позволяет температуре «холодной» стороны опускаться ниже температуры окружающей среды.На данный момент эти устройства очень нишевые, так как они требуют много энергии для достижения существенного охлаждения. Однако исследователи работают над созданием более эффективных версий для крупного рынка.

Как и переход состояния передают тепло, так и изменение давления жидкости способно справиться с этой задачей. Именно так работают холодильники, кондиционеры и большинство других систем охлаждения.

Специальный хладагент проходит через замкнутый цикл, в котором он будучи паром, сжимается, конденсируется в жидкость, расширяется и испаряется обратно в пар. Этот круговорот повторяется снова и снова, и передает тепло в процессе своей работы. Компрессору нужно много энергии, но такая система может охлаждаться до температуры ниже чем в окружающей среде. Таким образом дата-центры и целые здания могут оставаться прохладными даже в самый жаркий летний день.

Если речь заходит об электронике, системы подобные этим, отходят на второй план. Сначала вы передаете тепло от чипа в помещение, а затем с помощью сжатия пара выносите его из комнаты наружу. Тем не менее, энтузиасты-оверклокеры, если им нужно дополнительное охлаждение — подключают специальные охладители к своим процессорам.Временные методы экстремального охлаждения также возможны и требуют расходные материалы, например жидкий азот или сухой лед.

Охлаждение может принимать различные формы, но в нём нуждаются все виды электроники. Основная задача состоит в том, чтобы передать тепло от горячего чипа или системы в более прохладное окружение. Переместить его туда, где это не будет проблемой — все что мы можем сделать, поскольку в самом деле нет никакого способа избавиться от тепла.

Вся цифровая электроника генерирует тепло из-за особенностей работы транзисторов. Если мы не избавимся от теплоты, полупроводниковый материал начнет разрушаться и чип может повредиться. Тепло является врагом всех разработчиков электроники и является одним из ключевых сдерживающих факторов роста производительности.Мы не можем просто сделать ЦП и ГП намного большего размера, потому что нет действительно хорошего способа охладить что-то настолько мощное. Вы не сможете освободиться от тепла.

Надеюсь, теперь вы будете больше ценить всю ту науку, которая защищает вашу электронику от перегрева.