Состояние систем охлаждения микропроцессоров

Sep 07, 2023

Мэтью Чунг

Следовать

Стартап

--

Слушать

Делиться

Этот обзор литературы был первоначально написан в декабре 2017 года Мэтью Чунгом для курса магистратуры ME 290R (Темы производства — наномасштабные манипуляции с материалами) в Калифорнийском университете в Беркли.

Исторически размер кристалла микропроцессора оставался относительно постоянным. Хотя производительность выросла за счет увеличения количества транзисторов, общий уровень тепловыделения корпуса микропроцессора остался относительно стабильным. Таким образом, чтобы еще больше увеличить плотность вычислений сверх увеличения, обусловленного законом Мура, производители кулеров микропроцессоров стремятся сделать кулеры меньшего размера, даже пытаясь интегрировать системы охлаждения в сами кристаллы микропроцессоров. В этом обзоре обсуждается краткая история охлаждения микропроцессоров, а затем затрагивается эффективность современных технологий.

Указательные термины — Охлаждение электроники, Струйное охлаждение, Жидкостное охлаждение, Микрофлюидное охлаждение, Микропроцессоры.

Закон Мура гласит, что количество транзисторов на единицу площади интегральной схемы (ИС) удваивается примерно каждые 18 месяцев. Однако из-за экспоненциального характера роста маловероятно, что он будет продолжаться вечно. Фактически, поскольку транзисторы становятся все меньше и меньше, по мере приближения к атомным пределам возникают проблемы. Чтобы идти в ногу с растущими требованиями увеличения вычислительной плотности, тепло становится все более серьезной проблемой.

Большинство компонентов компьютера имеют ту или иную форму охлаждения. Тепло выделяется в результате некоторой неэффективности микросхемы. Электрическое сопротивление вносит большой вклад в выделение тепла. Хотя компьютерные компоненты достигли больших успехов в повышении производительности и эффективности, охлаждение по-прежнему необходимо.

Во время работы компьютера перегрев может вызвать проблемы. Например, если процессор находится под высокой рабочей нагрузкой и система охлаждения не может достаточно быстро рассеивать тепло, процессор может «занизить частоту» себя, снизив частоту в попытке снизить температуру корпуса процессора до безопасной рабочей температуры. Однако, если температура продолжит повышаться, современные процессоры полностью отключат систему, пытаясь уберечь оборудование от опасных рабочих температур.

Чтобы понять, как большая часть тепла выделяется в интегральных схемах, мы рассмотрим транзисторы. Потребляемая статическая мощность, P_S, из-за утечки тока и питания, из-за утечки тока и напряжения питания определяется уравнением:

где V_CC— напряжение питания, а I_CC ток в устройстве. Мощность, потребляемая при переключении из одного логического состояния в другое, представляет собой переходную (динамическую) мощность P_T.и определяется уравнением:

где C_pd— динамическая емкость рассеивания мощности, V_CC— напряжение питания, f_I— частота входного сигнала, а N_SW количество битов переключения. Мощность, потребляемая за счет зарядки емкости внешней нагрузки, P_L, определяется уравнением:

где Нэто количество бит, C_L_nэто нагрузочная способность бита n, фу_О_н— выходная частота бита nи V_CC это напряжение питания. Наконец, общее энергопотребление P_Total, представляет собой аддитивную комбинацию (1), (2) и (3):

где П_С— потребляемая статическая мощность, P_T— потребляемая переходная мощность, а P_L— емкость внешней нагрузки, все они указаны выше [1].

Хотя некоторая часть общей потребляемой мощности используется для электромонтажных работ, остальная часть общей потребляемой мощности преобразуется в тепло. Максимальное расчетное тепло, выделяемое чипом при любой рабочей нагрузке, часто указывается производителями чипов как расчетная тепловая мощность (TDP). Разработчикам оборудования необходимо знать TDP чипов, с которыми они будут работать, поскольку им необходимо знать, сколько тепла необходимо рассеивать их системам охлаждения.