CPU 및 기타 칩의 열역학은 어떻게 처리됩니까?

그러한 시스템의 열 효율을 설계하는 것은 매우 어렵다고 들었습니다. 나는 왜 그런지 잘 모르겠으며 관심이 있습니다.

한편으로, 나는 열이 어떻게 든 시스템의 총 전력의 함수라고 생각합니다. 반면에 개별 비트가 뒤집어지면 열이 다이 주변으로 이동한다고 상상합니다.

열이 다이 주위를 어떻게 이동하며 CPU 냉각에 어떤 영향을 미칩니 까? 열의 움직임을 수용하기 위해 특정 보상이 이루어 집니까?

방열판 설계의 열역학에 대한 모든 기본 문제가 여기에 잘 나와 있습니다 (페이지 하단의 예쁜 CFD 사진을 놓치지 마십시오).

여기에 제시되지 않은 것은 컴퓨터 케이스 내부의 더 큰 유동장 구조입니다. 최근 몇 년간 3GHz 이상의 CPU 속도를 얻으려는 노력으로 (1) 덕트 팬 뿐만 아니라 (2) 케이스 내부로 빠르게 공기를 전달하는 케이싱으로의 덕트 를 설계하는 작업이 더 많이 진행되었습니다. .

덕트 팬 은 일반 팬보다 더 많은 추력 (또는 더 많은 공기 이동)을 생성합니다. 덕트는 팬 주위에서 팬의 최고 속도 지점을 방사상으로 말하는 팁 주위의 흐름 누출이 적기 때문입니다. (비행기의 날개 팁과 유사한 개념입니다). 따라서 블레이드 팁은 팬에서 공기를 가장 빠르게 움직일 수있는 장소입니다.

케이싱 내의 흐름 덕트 와 관련하여 , 노즐의 베르누이 (Bernoulli) 효과를 사용하여 방열판의 흐름을 가속화하여 가능한 빨리 열을 제거 할 수 있습니다. 이는 4GHz 이상의 속도에 도달하려는 오버 클로 커에게 특히 인기가 있습니다 (예 : http://www.overclockers.com/ducts-the-cheap-cooling-solution/ 참조 ).

더 빠르고 더 빠른 CPU를 생산하려는 욕구는 실제로 더 나은 냉각 시스템을 설계해야 할 필요성을 높였습니다. 액체 또는 질소 냉각과 같은 주제는 논의되지 않았지만 특히 5GHz 이상의 속도에서 오버 클로킹을 위해 CPU를보다 효율적으로 냉각시키기위한 대체 방법입니다 (예 : http://www.tomshardware.com/reviews/5- ghz-core-i7-980x-overclocking, 2665.html ).

마지막으로, 생각해 볼 점이 있습니다. 10GHz에서 실행되는 CPU에서 발생하는 열이 태양의 열과 같다고 들었습니다. 이 주제에 대한 꽤 좋은 토론이 있습니다 : http://www.reddit.com/r/askscience/comments/ngv50/why_have_cpus_been_limited_in_frequency_to_around .

최신 프로세서 칩 주변의 열 시스템은 실제로 복잡하고 주요 디자인에 중점을 둡니다. 전기 및 경제적 인 이유로 프로세서의 개별 트랜지스터를 작고 가깝게 만드는 것이 좋습니다. 그러나 열은 이러한 트랜지스터에서 발생합니다. 일부는 전력이 공급되어 거기에 앉아 있기 때문에 항상 소산됩니다. 다른 구성 요소는 상태를 전환 할 때만 발생합니다. 이 두 가지는 프로세서가 설계 될 때 어느 정도 거래 될 수 있습니다.

각 트랜지스터는 많은 전력을 소비하지 않지만 작은 영역에서 수백만 및 수백만 (문자 그대로)이 함께 모입니다. 이 열이 적극적으로 적극적으로 제거되지 않으면 최신 프로세서는 몇 초에서 수십 초 안에 스스로 요리합니다. 최신 프로세서에는 50-100W가 적합하지 않습니다. 이제 대부분의 납땜 인두가 그보다 적은 양으로 작동하고 거의 동일한 표면적으로 금속 덩어리를 가열한다고 생각하십시오.

해결책은 작은 방열판에 큰 방열판을 고정시키는 것이 었습니다. 실제로 방열판은 프로세서의 전체 설계에서 없어서는 안될 부분이었습니다. 패키지는 다이에서 외부로 열 전력을 전도 할 수 있어야하며, 고정 된 방열판은 더 나아가서 공기를 유동적으로 방출 할 수 있습니다.

이 프로세서의 전력 밀도가 높아짐에 따라 더 이상 충분하지 않습니다. 하이 엔드 프로세서에는 능동 냉각 또는 상 변화 시스템이 포함되어 있으며, 기존 방열판으로 알루미늄이나 구리를 통한 일반적인 구형 전도보다 다이에서 열을 방열 핀으로 효율적으로 이동시킵니다.

어떤 경우에는 펠티에 냉각기가 사용됩니다. 이들은 다이에서 공기 흐름과 결합하기 쉬운 다른 곳으로 열을 능동적으로 펌핑합니다. 이것은 자체 문제 세트와 함께 제공됩니다. 펠티에는 다소 비효율적 인 냉각기이므로 제거해야 할 총 전력은 다이가 소비하는 것보다 훨씬 더 큽니다. 그러나 방사 핀이 결국 훨씬 더 뜨겁더라도 능동적 펌핑 작업이 도움이 될 수 있습니다. 이것은 방열 핀의 알루미늄 또는 구리가 반도체 다이보다 훨씬 높은 온도를 견딜 수 있기 때문에 작동합니다. 실리콘은 약 150 ° C에서 반도체처럼 작동하지 않으며 실제 회로는 그 아래에 약간의 작동 마진이 필요합니다. 그러나 방열판 핀은 훨씬 높은 온도를 쉽게 처리 할 수 ​​있습니다. 능동형 열 펌프는이 차이를 이용합니다.

과거에는 흐르는 액체 질소로 냉각 된 프로세서가있었습니다. 이것은 오늘날의 기술을 적용한 일반 데스크탑 PC에는 경제적 의미가 없지만 열 관리는 컴퓨터 초기부터 컴퓨터 디자인의 중요한 부분이었습니다. 1950 년대에도 모든 진공관이 서로 녹지 않도록주의를 기울여야했습니다.