Wie wird mit der Thermodynamik von CPUs und anderen Chips umgegangen?

Ich höre, dass es sehr schwierig ist, den thermischen Wirkungsgrad solcher Systeme zu bestimmen. Ich bin mir jedoch nicht sicher warum und bin interessiert.

Einerseits wette ich, dass die Wärme irgendwie eine Funktion der Gesamtleistung im System ist. Andererseits stelle ich mir beim Umdrehen einzelner Bits vor, dass die Wärme um den Chip herum wandert.

Wie bewegt sich die Wärme um den Chip und wie wirkt sich dies auf die Kühlung der CPU aus? Werden spezielle Kompensationen vorgenommen, um der Wärmebewegung Rechnung zu tragen?

Alle grundlegenden Fragen zur Thermodynamik des Kühlkörperdesigns werden hier ausführlich dargestellt (stellen Sie sicher , nicht die hübschen CFD Bilder am unteren Rand der Seite zu verpassen).

Was hier nicht dargestellt wird, ist die größere Flussfeldstruktur im Computergehäuse. In den letzten Jahren wurden mit dem Bestreben, CPU-Geschwindigkeiten von 3+ GHz zu erreichen, mehr Arbeiten an der Konstruktion von (1) Kanalventilatoren sowie (2) Strömungskanälen in das Gehäuse durchgeführt, die Luft schnell in das Gehäuse hinein und aus dem Gehäuse heraus leiten .

Kanalventilatoren erzeugen mehr Schub (oder bewegen mehr Luft) als normale Ventilatoren, da der Kanal weniger Strömungsleckage um die Spitze verursacht, was radial gesehen der Punkt mit der höchsten Geschwindigkeit des Ventilators ist. (Dies ist ein ähnliches Konzept wie bei Flügelspitzen in Flugzeugen). Die Blattspitze ist also die Stelle am Lüfter, an der Luft am schnellsten bewegt werden kann.

In Bezug auf Strömungskanäle innerhalb des Gehäuses besteht die Idee darin, den Bernoulli-Effekt einer Düse zu nutzen, um die Strömung über den Kühlkörper zu beschleunigen, damit die Wärme so schnell wie möglich abgeführt werden kann. Dies ist besonders bei Overclockern beliebt, die versuchen, Geschwindigkeiten von 4+ GHz zu erreichen (siehe z . B. http://www.overclockers.com/ducts-the-cheap-cooling-solution/ ).

Der Wunsch, immer schnellere CPUs zu produzieren, hat die Notwendigkeit, bessere Kühlsysteme zu entwickeln, wirklich verstärkt. Themen wie Flüssigkeits- oder Stickstoffkühlung werden nicht behandelt, sind aber auch alternative Methoden, um die CPU effizienter zu kühlen, insbesondere beim Übertakten bei Geschwindigkeiten über 5 GHz (siehe z. B. http://www.tomshardware.com/reviews/5-) ghz-core-i7-980x-overclocking, 2665.html ).

Zum Schluss überlasse ich Ihnen noch etwas zum Nachdenken ... Ich habe einmal gehört, dass die von einer mit 10 GHz betriebenen CPU erzeugte Wärme der Sonnenwärme entspricht. Zu diesem Thema gibt es hier eine ziemlich gute Diskussion: http://www.reddit.com/r/askscience/comments/ngv50/why_have_cpus_been_limited_in_frequency_to_around .

Das thermische System um einen modernen Prozessorchip ist in der Tat kompliziert und ein Hauptentwurfsschwerpunkt. Sowohl aus elektrischen als auch aus wirtschaftlichen Gründen ist es gut, einzelne Transistoren in einem Prozessor klein und nahe beieinander zu machen. Die Wärme kommt jedoch von diesen Transistoren. Einige werden die ganze Zeit zerstreut, nur weil sie mit angelegter Kraft dort sitzen. Eine andere Komponente tritt nur auf, wenn sie den Status wechselt. Diese beiden können bis zu einem gewissen Grad abgewogen werden, wenn der Prozessor entworfen wird.

Jeder Transistor verbraucht nicht viel Leistung, aber Millionen und Abermillionen (buchstäblich) auf kleinem Raum. Moderne Prozessoren würden sich in Sekunden bis 10 Sekunden selbst kochen, wenn diese Hitze nicht aktiv und aggressiv abgeführt würde. 50-100 W sind für einen modernen Prozessor nicht unpassend. Bedenken Sie nun, dass die meisten Lötkolben von weniger als dem laufen und erhitzen Sie ein Stück Metall mit ungefähr der gleichen Oberfläche.

Früher bestand die Lösung darin, einen großen Kühlkörper auf die kleine Matrize zu klemmen. Tatsächlich war der Kühlkörper ein wesentlicher Bestandteil des Gesamtdesigns des Prozessors. Das Gehäuse muss in der Lage sein, die Wärmeleistung von der Düse nach außen zu leiten, wo der festgeklemmte Kühlkörper sie weiter leiten und schließlich an die strömende Luft abgeben kann.

Dies ist nicht mehr gut genug, da die Leistungsdichte dieser Prozessoren gestiegen ist. High-End-Prozessoren enthalten jetzt entweder eine aktive Kühlung oder ein Phasenwechselsystem, das die Wärme effizienter von der Düse zu den Strahlungsrippen leitet als die einfache alte Leitung durch Aluminium oder Kupfer mit den alten Kühlkörpern.

In einigen Fällen werden Peltier-Kühler eingesetzt. Diese pumpen aktiv Wärme von der Düse an einen anderen Ort, an dem es einfacher ist, sie an den Luftstrom zu koppeln. Dies bringt seine eigenen Probleme mit sich. Peltiers sind ziemlich ineffiziente Kühler, daher ist die Gesamtleistung, die entfernt werden muss, erheblich größer als nur das, was die Matrize verbraucht. Die aktive Pumpwirkung kann jedoch helfen, selbst wenn die Strahlungsrippen schließlich viel heißer sind. Dies funktioniert, weil das Aluminium oder Kupfer der Strahlungsrippen viel höhere Temperaturen aushalten kann als der Halbleiterchip. Silizium wirkt bei etwa 150 ° C nicht mehr wie ein Halbleiter, und echte Schaltkreise benötigen einen gewissen Betriebsspielraum darunter. Kühlkörperlamellen können jedoch problemlos viel höhere Temperaturen verarbeiten. Eine aktive Wärmepumpe nutzt diesen Unterschied.

In der Vergangenheit gab es Prozessoren, die mit fließendem flüssigem Stickstoff gekühlt wurden. Dies ist für gewöhnliche Desktop-PCs mit der heutigen Technologie wirtschaftlich nicht sinnvoll, aber das Wärmemanagement ist seit den Anfängen der Computer ein wichtiger Bestandteil des Computerdesigns. Schon in den 1950er Jahren musste sorgfältig überlegt werden, ob sich all diese Vakuumröhren nicht gegenseitig zum Schmelzen bringen sollten.