Como é tratada a termodinâmica de CPUs e outros chips?

Ouvi dizer que projetar a eficiência térmica de tais sistemas é muito difícil. Não sei por que, porém, e estou interessado.

Por um lado, aposto que o calor é de alguma forma uma função da potência total no sistema. Por outro lado, à medida que bits individuais são invertidos, imagino que o calor migre ao redor do dado.

Como o calor se move ao redor da matriz e como isso afeta o resfriamento da CPU? São feitas compensações específicas para acomodar o movimento do calor?

Todas as questões fundamentais sobre a termodinâmica do design do dissipador de calor são bem apresentadas aqui (lembre-se de não perder as bonitas fotos de CFD na parte inferior da página).

O que não é apresentado aqui é a estrutura maior do campo de fluxo dentro da caixa do computador. Nos anos mais recentes, com o esforço de obter velocidades de CPU acima de 3 GHz, houve mais trabalho no projeto de (1) ventiladores com dutos e (2) dutos de fluxo na carcaça, que passam ar rapidamente dentro e fora do gabinete .

Os ventiladores com duto produzem mais impulso (ou movem mais ar) do que os ventiladores comuns, porque o duto causa menos vazamento de fluxo ao redor da ponta, o que, por radialidade, é o ponto de velocidade mais alto do ventilador. (Este é um conceito semelhante às pontas das asas em aviões). Portanto, a ponta da lâmina é o local no ventilador que pode mover o ar mais rapidamente.

Em relação aos dutos de fluxo no interior da caixa, a idéia é usar o efeito Bernoulli de um bico para acelerar o fluxo sobre o dissipador de calor, para que ele possa remover o calor o mais rápido possível. Isso se tornou especialmente popular para os overclockers que tentam atingir velocidades de mais de 4 GHz (por exemplo, consulte http://www.overclockers.com/ducts-the-cheap-cooling-solution/ ).

O desejo de produzir CPUs cada vez mais rápidas realmente levou à necessidade de projetar melhores sistemas de refrigeração. Tópicos como resfriamento por líquido ou nitrogênio não são discutidos, mas também são métodos alternativos para tentar resfriar com mais eficiência a CPU, especialmente para overclock em velocidades acima de 5 GHz (por exemplo, consulte http://www.tomshardware.com/reviews/5- ghz-core-i7-980x-overclocking, 2665.html ).

Finalmente, deixo para vocês algo para pensar ... Uma vez ouvi o calor produzido por uma CPU rodando a 10 GHz e equivalente ao calor do sol. Há uma discussão bastante boa sobre esse tópico aqui: http://www.reddit.com/r/askscience/comments/ngv50/why_have_cpus_been_limited_in_frequency_to_around .

O sistema térmico em torno de um chip de processador moderno é realmente complicado e um dos principais focos de design. Por razões elétricas e econômicas, é bom tornar os transistores individuais em um processador pequenos e próximos. No entanto, o calor vem desses transistores. Alguns são dissipados o tempo todo, apenas porque ficam lá com a energia aplicada. Outro componente ocorre apenas quando eles alternam estados. Esses dois podem ser trocados até certo ponto quando o processador é projetado.

Cada transistor não dissipa muita energia, mas milhões e milhões (literalmente) se amontoam em uma pequena área. Os processadores modernos se cozinhavam em segundos a 10 segundos, se esse calor não fosse removido de forma ativa e agressiva. 50-100 W não está fora de linha para um processador moderno. Agora considere que a maioria dos ferros de solda é menor que isso e aqueça um pedaço de metal com aproximadamente a mesma área de superfície.

A solução costumava ser prender um grande dissipador de calor no pequeno molde. De fato, o dissipador de calor era parte integrante do design geral do processador. A embalagem deve ser capaz de conduzir a energia térmica da matriz para o exterior, onde o dissipador de calor preso pode conduzi-la ainda mais e eventualmente dissipá-la para o ar que flui.

Isso não é mais bom o suficiente, pois a densidade de potência desses processadores aumentou. Os processadores de ponta agora contêm algum resfriamento ativo ou um sistema de mudança de fase que move o calor da matriz para irradiar aletas com mais eficiência do que a condução antiga simples através de alumínio ou cobre continha os dissipadores de calor antigos.

Em alguns casos, são utilizados refrigeradores Peltier. Estes bombeiam ativamente o calor da matriz para outro local onde é mais fácil acoplar ao fluxo de ar. Isso vem com seu próprio conjunto de problemas. Os Peltiers são resfriadores bastante ineficientes; portanto, a potência total que precisa ser eliminada é significativamente maior do que aquilo que o dado dissipa. No entanto, a ação de bombeamento ativa pode ajudar, mesmo que as aletas radiantes sejam muito mais quentes. Isso funciona porque o alumínio ou o cobre das aletas radiantes podem suportar temperaturas muito mais altas do que as matrizes semicondutoras. O silício para de agir como um semicondutor a cerca de 150 ° C, e os circuitos reais precisam de alguma margem operacional abaixo disso. No entanto, as aletas do dissipador de calor podem lidar facilmente com temperaturas muito mais altas. Uma bomba de calor ativa faz uso dessa diferença.

No passado, havia processadores resfriados com nitrogênio líquido corrente. Isso não faz sentido econômico para os PCs desktop comuns com a tecnologia atual, mas o gerenciamento de calor tem sido uma parte importante do design de computadores desde o início dos computadores. Mesmo na década de 1950, impedir que todos os tubos de vácuo se derretessem era algo que tinha que ser cuidadosamente considerado.