Для чего нужна тeплораспределительная пластина (IHS) процессора?

Назначение, принцип работы, достоинства и недостатки

на страницах сайта 

www.electrosad.ru

Если Вы посмотрите на современный процессор, то Вы не увидите на нем кристалла. Он скрыт под металлической крышкой. Это и есть теплораспределительная крышка или как ее еще называют специалисты IHS (integrated heatsink) - интегрированная теплораспределяющая пластина. Она изготавливается из меди, на поверхность которой нанесен тонкий слой гальванического покрытия., Производители считают, что она выравнивает температуру по поверхности кристалла.

 

 

Введение

AMD.

Еще осенью 2002 года компания AMD выпустила обновлённую версию ядра Thoroughbred (ревизия B0). Старшая модель Athlon XP на ядре Thoroughbred ревизии B0 работала на частоте 2200 МГц. (частота процессора на ядре Thoroughbred первой версии, составляла 1800 МГц).

Вторая версия процессора с ядром Thoroughbred-B отличалась от первой введением на кристалле дополнительных фильтрующих конденсаторов и дополнительного медного слоя, который наряду с ролью обкладки конденсатора фильтра играл и роль теплопроводящего слоя выравнивающего температуру по поверхности. Это была первая попытка повысить частоту процессора за счет, в том числе, и выравнивания температуры

Intel.

В 2003, разбираясь с тепловыделением различных участков чипа процессора было обнаружено, что их нагрев существенно отличается.

Исследовательской лабораторией корпорации Intel под руководством Ram Krishnamurthy проводились исследования, с целью определить, какие конкретно участки микропроцессора выделяют больше тепла, а какие - меньше. Для этого они использовали широко известную технологию "тепловидения". Исследователи ядра процессора обнаружили, что совсем небольшой его участок – а точнее, место сосредоточия модулей логических и арифметических операций – ALU (Arithmetic and Logic Unit) – нагревается до 127 °C, в то время как область кеш-памяти – существует при вполне приемлемой температуре 65 °C, а остальные и того меньше.

На рис.1 показана термограмма сопровождающая обсуждения исследования Rama Krishnamurthy.

 

Рисунок 1

 

Данная термограмма также подтверждает приводимое мной ранее данные, что эффективная теплопроводность IHS обеспечивается на расстоянии равном 5-7 ее толщин.

Результатом работы Ram Krishnamurthy было изменение конструкции ALU с целью снижения его тепловыделения (температуры).

Правда зная подход Intel и историю развития процессоров можно с уверенностью утверждать, что в результате работ температура ALU снизилась незначительно , поскольку после этого была максимально увеличена загрузка ALU процессора.

Такой же характер носит распределение температур по поверхности кристалла CPU и GPU других моделей и производителей.

И даже у Intel после переделки организации и структуры ALU которые были выполнены по результатам описанный работы Ram Krishnamurthy проблема не пропала, потому что Intel сразу же дополнительно нагрузил ALU с целью повысить общую производительность процессора.

 

Назначение IHS

Если вам в руки попадет современный процессор, то с одной его стороны Вы увидите ряды контактных ножек, а с другой примерно то что изображено на рис.1 (хотя конструкция может меняться даже у одного производителя)

 

Рисунок 2
 

Это и есть IHS (integrated heatsink) - интегрированная теплораспределяющая пластина.

IHS выполняет множество задач.

Главная, (для чего она и создавалась) это выравнивание (распределение) температуры по поверхности кристалла.

Как мы видим из термограммы процессора показанной на рис.1, на поверхности кристалла имеются области с температурой:

  • более 120°С - ALU
  • около 65°С - область кеш-памяти,
  • менее 60°С - остальные области.

Этот перепад температур создает на поверхности кристалла, в областях максимальных градиентов температур, механические напряжения. Для снижения градиентов температур и применяется теплораспределительная пластина - крышка.

Вспомогательные:

некоторое увеличение контактной (кристалл-радиатор) поверхности - до 20-30%.

зашита кристалла от механического воздействия охлаждающих конструкций,

 

Принцип работы

Теплораспределяющая пластина выполненная из металла с высокой теплопроводностью (меди - Cu, λCu=389 Вт/м град). За чет этого тепловой поток распространяется как перпендикулярно  IHS пластине, так и вдоль ее поверхности.

Тепловой поток от кристалла распространяется через крышку к кулеру "растекаясь" за счет высокой теплопроводности вдоль поверхности крышки. Это "растекание" составляет около 3-7h.

Мы должны знать, что теплопроводность пластины кремния (материал процессора) более чем в два раза ниже, λSi=149 Вт/м град. Теплопроводность слоистой структуры процессора еще меньше. Поэтому применение медного основания Si кристалла должно улучшать его тепловой поток.

Поскольку тепловое сопротивление пропорционально пути пройденному тепловым потоком (δ):

 

Rs=δ/λS

 

где: λ - коэффициент теплопроводности,  δ - толщина стенки, S - площадь теплопроводящей поверхности.

То вдоль IHS пластины тепловое сопротивление растет и эффективное ослабление теплового потока начинает сказываться уже на расстоянии примерно 3h (h-толщина IHS пластины), а на расстоянии (5-7)h тепловой поток вдоль пластины можно считать существенно меньшим его перпендикулярной составляющей.

 

Рисунок 3

 

С точки зрения распространения теплового потока в направлении от источника тепла к кулеру (перпендикулярно IHS пластине) любая прослойка должна иметь как можно меньшую толщину. Это касается и материалов с высокой теплопроводностью.

А с точки зрения ее основной функции (выравнивания температуры на контактной поверхности кристалла) ее толщина (h) должна быть максимальна.

 

 

Функцию теплораспределительной пластины несет только ее плоская часть, которая одной стороной контактирует с кристаллом процессора, а другой с подошвой кулера. Все контактирующие поверхности должны быть плоскими для обеспечения контакта по всей поверхности.

 

Рисунок 4

 

Она так же должна быть больше, чтобы исключить тепловые градиенты на ТР пластине и соответственно деформации IHS пластины.

Причины термической деформации.

Все материалы при нагреве расширяются. Медь это материал который наравне с высокой теплопроводностью (389 Вт/м град)  имеет и высокий коэффициент линейного расширения (α =16,7х106 1/град) поэтому при нагреве медной пластины, медь расширяется и удлиняется больше в наиболее нагретых областях.

 

Что дает применение IHS

Что ни говори, а хоть как-то но теплораспределительная пластина выполняет свою задачу. Она распределяет температуру точечных источников тепла на 3-4 мм от его центра. Но самое главное она защищает кристалл от механического воздействия.

 

Недостатки

Толшина пластины

Практика показывает, что при принятых толщинах IHS ее тепло выравнивающая эффективность низка и она служит в основном для механической защиты кристалла процессора.

Термоинтерфейс кристалл - пластина

Как это ни странно большинство процессоров имеющих теплорапределительную пластину используют в качестве термоинтерфейса между пластиной и кристаллом теплопроводящую пасту, а не пайку. От этого не только растет тепловое сопротивление, но и снижается срок службы процессора при больших его производительностях. Это происходит из-за циклической деформации теплораспределительной пластины, что "жует" термоинтерфейс, засасывает в него воздух. В результате со временем термоинтерфейс превращается в пористую губку и теряет свои теплопроводящие свойства.

Применение припоев в качестве термоинтерфейса снижает температуру кристалла процессора на 4-7°С, уменьшает неравномерность нагрева поверхности кристалла процессора,

 

Выводы

Для нормального выполнения своей функции (с точки зрения физики) IHS (integrated heatsink) - интегрированная теплораспределяющая пластина должна иметь толщину 1/2 -:- 1/3 минимального линейного размера кристалла. В этом случае она обеспечит равномерное распределение температуры по поверхности кристалла и исключит механические деформации IHS.

 

Рисунок 5
 

Процессоры, в первую очередь работающие при больших нагрузках, должны иметь металлический термоинтерфейс между кристаллом и IHS. Особенно это относится к процессорам для разгона, которые работают в режиме термоциклирования (чередования максимально допустимых - минимальных температур). Это позволит снизить примерно на 5°С температуру процессора, повысить его ресурс.

 

P.S.

Деформация IHS это зарегистрированный факт. И подтверждается уже прежде всего тем, что со временем сильно нагруженный процессор начинает греться и никакие суперкулеры ему не способны помочь. А при вскрытии таких процессоров наблюдается "жеванный" термоинтерфейс кристалл - IHS (пористый).

 

А Сорокин, 2013, статья дорабатывается

Ссылки:

  1. IHS процессоров, Термоинтерфейсы тeплораспределительная крышка - кристалл процессора
  2. «Горячие точки» процессора
  3. Зачем снимать теплораспределители с процессоров, на примере Athlon 3700+
  4. просто введите запрос "стал перегреваться процессор" или "компьютер уходит в перезагрузку" и найдете статью на тему отрыва чипа от IHS процессора.

 

Яндекс.Метрика

<<назад>> <<в начало>> <<на главную>>

Попасть прямо в разделы сайта можно здесь:

/Неизвестный процессор/Охлаждение ПК/Электроника для ПК/Linux/Проекты, идеи/Полезные советы/Разное/
/
Карта сайта/Скачать/Ссылки/Обои/Форум/Каталог/

При полном или частичном использовании материалов ссылка на "www.electrosad.ru" обязательна.
Ваши замечания, предложения, вопросы можно отправить автору через
гостевую книгу или
почтой.

Copyright © Sorokin A.D.©

2002-2012