[Как это работает] Охлаждение

Почти каждый элемент современной электроники выделяет тепло независимо от того, замечаем мы это или нет. Без надлежащего управления этим нагревом наши электронные системы разрушат себя или, наоборот, мы серьезно ограничим наши вычислительные возможности.

Среднестатистический читатель Smartsworld, конечно же, подумает об охлаждении центрального и графического процессоров, но почему оперативная память не нуждается в вентиляторах, для того чтобы остыть? Почему между мобильным и настольным процессором существует такое большое несоответствие, даже несмотря на то, что они в принципе похожи? Почему прирост производительности от новых поколений чипов начал замедляться?

Ответ на все эти вопросы связан с высокой температурой и физикой работы цифровых компьютеров на наноуровне. В этой статье будут затронуты основы науки о тепле, как и почему она генерируется в электронике, а также различные методы, которые люди разработали для управления ею.

Основы тепла
Если вы помните физику средней школы, тепло — это просто случайные движения атомов и молекул, составляющих наш мир. Если одна молекула имеет более высокую кинетическую энергию, чем другая, мы говорим, что она горячее. Это тепло может передаваться от одного объекта к другому, если они вступают в контакт, пока оба не достигнут равновесия. Это означает, что более горячий объект будет передавать часть своего тепла более холодному объекту.

1578941318560.png

Время, необходимое для передачи этого тепла, зависит от теплопроводности двух материалов. Теплопроводность является мерой способности материала проводить тепло. Изолятор, такой как пенополистирол, имеет относительно низкую теплопроводность, равную 0,03, в то время как проводник (например, медь), имеет высокую теплопроводность, равную 400. Если говорить о двух крайних значениях, то истинный вакуум имеет теплопроводность, равную 0, а алмаз имеет самое высокое из известных значений, превышающее 2000.

Следует помнить, что тепло всегда становится холодным, но понятия «холод» не существует. Мы просто рассматриваем вещи как «холодные», если они имеют меньше тепла, чем их окружение. Другим важным определением, которое нам понадобится, является тепловая масса, которая представляет собой инерцию объекта против колебаний температуры. С одной печью гораздо проще обогревать одну комнату в доме, чем обогревать весь дом. Это потому, что тепловая масса комнаты намного меньше, чем тепловая масса всего дома.

1578941458031.png

Мы можем объединить все эти концепции в простой пример с кипящей водой. Когда вы включаете плиту, горячее пламя вступает в контакт с кастрюлей. Поскольку материал, из которого она изготовлена, является хорошим проводником тепла, тепло от огня будет передаваться к воде до тех пор, пока она не закипит.

Время, необходимое для варки, будет зависеть от способа нагрева, материала кастрюли и количества воды. Если вы попытаетесь вскипятить кастрюлю с водой небольшой зажигалкой, это займёт вечность по сравнению с большим огнем той же печи. Это потому, что печь имеет гораздо более высокую тепловую мощность, измеряемую в ваттах, чем небольшая зажигалка. Более того, ваша вода будет кипеть быстрее, если кастрюля имеет более высокую теплопроводность, потому что большая часть тепла будет передаваться воде. Если бы вы были достаточно богаты, алмазный горшок был бы идеальным вариантом.

Как только вы закончите готовить, вы можете дать воде остыть естественным путем. Когда это происходит, тепло от воды переходит к более холодному комнатному воздуху. Поскольку в комнате тепловая масса намного выше, чем в кастрюле, его температура сильно не изменится.

Три закона тепла в цифровой электронике
Теперь, когда мы знаем, что такое тепло и как оно перемещается между объектами, давайте сначала поговорим о том, откуда оно исходит. Вся цифровая электроника состоит из миллионов транзисторов. По сути, транзисторы представляют собой переключатели с электрическим управлением, которые включаются и выключаются множество раз в секунду. Мы соединяем их вместе, чтобы сформировать структуры компьютерного чипа.

Поскольку эти транзисторы работают, они рассеивают энергию из-за трёх понятий, известных как переключение, короткое замыкание и утечка. Импульсное питание и питание от короткого замыкания известны как динамические источники тепла, поскольку на них влияют включение и выключение транзисторов. Сила утечки, наоборот, известна как статическая величина, так как она постоянна и не зависит от работы транзистора.

1578941483048.png
Два транзистора, соединённые вместе для формирования NOT gate. nMOS (снизу) позволяет току течь во включённом состоянии, а pMOS (сверху) — в выключенном.

Начнём с мощности переключения. Чтобы включить или выключить транзистор, мы должны установить его затвор на GND (0) или VDD​ (1). Это не так просто, как просто щёлкнуть выключателем, поскольку этот входной затвор имеет очень малую ёмкость. Мы можем представить его как крошечную перезаряжаемую батарею. Для того чтобы активировать затвор, мы должны зарядить аккумулятор выше определенного порогового уровня. Как только мы будем готовы снова закрыть затвор, нам нужно будет сбросить этот заряд на GND. Хотя этот затвор микроскопический, в современных микросхемах их миллиарды, и они переключаются миллионы раз в секунду.

Небольшое количество тепла генерируется каждый раз, когда заряд затвора сбрасывается на GND. Чтобы найти мощность переключения, мы умножаем коэффициент активности (среднюю пропорцию транзисторов, переключающихся в любом заданном цикле), частоту, ёмкость затвора и напряжение в квадрате.

Сейчас перейдём к силе короткого замыкания. Современная цифровая электроника использует технику, называемую металл-оксид-полупроводниками (МОП). Транзисторы устроены таким образом, что никогда не бывает прямого пути прохождения тока к земле. В приведенном выше примере логического элемента NOT есть два дополнительных транзистора. Всякий раз, когда верхний включен, нижний выключен, и наоборот. Это гарантирует, что выходной сигнал равен 0 или 1 и является обратным входному. Однако, когда мы включаем и выключаем транзисторы, есть небольшое время, когда они оба проводят ток. Это неизбежно и обеспечивает временный путь для протекания тока непосредственно на землю. Мы можем попытаться ограничить это, но полностью устранить — нет.

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

Оба примера выше являются примерами динамической силы. Если мы хотим уменьшить тепловую отдачу, самый простой способ — просто уменьшить частоту чипа. Это часто не практично, так как это может снизить производительность чипа. Другой вариант — уменьшить рабочее напряжение чипа. Раньше микросхемы использовались при напряжении 5 В и выше, тогда как современные процессоры работают пр напряжении около 1 В. Создавая транзисторы для работы при более низком напряжении, мы можем уменьшить потери тепла за счёт динамической мощности. Динамическая мощность также является причиной того, что ваш процессор нагревается при разгоне.

Последний тип тепла, генерируемого в цифровой электронике, — это утечки. Нам нравится думать о том, что транзисторы включены или выключены, но в действительности они работают не так. Всегда будет небольшое количество тока, который протекает, даже когда транзистор находится в непроводящем состоянии. Это очень сложная формула, и эффект только ухудшается, поскольку мы продолжаем уменьшать размеры транзисторов.

Когда они становятся меньше, становится меньше и материала, чтобы блокировать поток электронов в отключённом состоянии. Это один из основных факторов, ограничивающих производительность чипов нового поколения, поскольку доля утечки продолжает расти с каждым поколением. Законы физики загнали нас в угол, и мы израсходовали все наши карты для выхода из тюрьмы.

Как сохранить чипы в прохладе?
Итак, мы знаем, откуда исходит тепло в электронике, но что мы можем с ним сделать? Мы должны избавиться от этого, потому что, если вещи становятся слишком горячими, транзисторы могут становиться повреждёнными. Термическое регулирование — это встроенный в чип способ охлаждения. Если внутренние датчики температуры считают, что он становится слишком горячим, микросхема может автоматически снизить рабочую частоту, чтобы уменьшить количество выделяемого тепла. Но это не то, чего вы хотите, и есть много лучших способов справиться с нежелательным нагревом в компьютерной системе.

Некоторые чипы на самом деле не нуждаются в причудливых решениях для охлаждения. Осмотрите материнскую плату, и вы увидите десятки маленьких чипов без радиаторов. Как они не перегреваются и не уничтожают себя? Причина в том, что они, вероятно, не генерируют большого количества тепла в первую очередь. Большие мощные процессоры и графические процессоры могут рассеивать сотни ватт мощности, в то время как небольшая сеть или аудиочип могут использовать только доли ватта.

1578941522734.png

Существуют две основные формы охлаждения: пассивная и активная. Пассивное охлаждение — это простой радиатор, прикреплённый к чипу, который охлаждается потоком окружающего воздуха. Материал будет с высокой теплопроводностью и большой площадью поверхности. Это позволяет ему передавать тепло от чипа в окружающий воздух.

Регуляторы напряжения и микросхемы памяти могут обычно обходиться пассивным охлаждением, поскольку они не выделяют много тепла. Процессоры мобильных телефонов, как правило, охлаждаются пассивно, поскольку они рассчитаны на очень низкое энергопотребление. Чем выше производительность чипа, тем больше энергии он будет генерировать и тем больше потребуется радиаторов. Вот почему телефонные процессоры менее мощные, чем процессоры настольного класса. Им просто не хватает достаточного охлаждения, чтобы не отставать от своих собратьев.

Достигнув мощности в десятки ватт, вы, скорее всего, начнёте думать об активном охлаждении, куда входят жидкие и тепловые охлаждающие трубки. Они выполняют ту же самую задачу передачи максимально возможного количества тепла от чипа к радиатору. В установке жидкостного охлаждения тепло передается от микросхемы к водяному блоку через термическое соединение с высокой теплопроводностью. Водоблок часто представляет собой медь или другой материал, который хорошо проводит тепло. Жидкость нагревается и сохраняет тепло до тех пор, пока не достигнет радиатора, где она может рассеиваться.

Для небольших систем, таких как ноутбуки, которые не подходят для полностью жидкостного охлаждения, очень распространены тепловые трубки. По сравнению с медной трубкой установка тепловой трубки может быть в 10-100 раз более эффективной при отводе тепла от чипа.

Тепловая труба очень похожа на жидкостное охлаждение, но она также использует фазовый переход для увеличения теплопередачи. Внутри тепловых трубок находится жидкость, которая при нагревании превращается в пар. Пар проходит по тепловой трубке, пока не достигнет холодного конца и не сконденсируется обратно в жидкость. Жидкость возвращается к горячему концу под действием силы тяжести или капиллярного воздействия. Это испарительное охлаждение — та же самая причина, по которой вы чувствуете холод при выходе из душа или бассейна. Во всех этих сценариях жидкость поглощает тепло в процессе превращения в пар, а затем выделяет тепло после конденсации.

1578941570844.png

Мне уже холодно: давай закончим
Охлаждение — это то, что требуется электронике. Вся цифровая электроника генерирует тепло благодаря характеру работы их внутренних транзисторов. Если мы не избавимся от этого тепла, полупроводниковый материал начнет разрушаться, и чип может быть поврежден. Тепло является врагом всех разработчиков электроники и является одним из ключевых факторов, ограничивающих рост производительности. Мы не можем сделать центральные и графические процессоры намного больше, потому что нет идеального способа охладить их.

Надеюсь, теперь вы получите более высокую оценку всей той науке, которая поддерживает вашу электронику в прохладном состоянии.

Источник:
 
DDDTK
Верх Низ