Процессор, размер кристалла - тепловые ограничения

Современные тенденции развития процессоров хорошо известны - это снижение размеров ключей и как результат этого снижение их тепловыделения. Но, как мы видим, TDP современных процессоров не уменьшается. Все это имеет свои причины. Одной из причин является стремление Intel сохранить как можно дольше действие маркетингового хода - "Закона Мура". Для его выполнения число узлов компьютера размещаемых на кристалле процессора растет. Конечно размещение контроллеров памяти, видеопроцессоров, увеличение размера КЭШа процессора - в некоторой степени увеличивает скорость обмена между узлами за счет укорочения линий связи. Продлевая эти рассуждения, логично было бы вернуться к однокристальному компьютеру, разместив на кристалле процессора все узлы компьютера выводя за пределы кристалла только медленные шины.
Но ... уже существуют скоростные шины обмена данными я писал о них ....

 

 

Но вернемся к теме представленной в заголовке!

Новые технологические процессы уменьшают размеры транзисторов, что в свою очередь может привести к снижению размеров чипа процессора и других компонентов компьютера. Но эти размеры нельзя снижать бесконечно при существующих уровнях тепловыделения чипов достигающих 130 Вт.

Анализ конструкции современных процессоров и их предшественников показывает, что плотность теплового потока с кристалла составляет около 50 Вт/см². Реальные значения находятся в диапазоне от 30 до 60 Вт/см² (В зависимости от конструкции).

Согласно известной формуле:

h/λ*S = ΔT/P = R_t

 

Тепловое сопротивление цепи кристалл - кулер обратно пропорционально площади контактной поверхности,

поэтому при росте теплового потока или снижении площади кристалла (как одного из элементов тепловой цепи) растет температура кристалла.

Производители процессоров применили IHS (integrated heatsink) - интегрированную теплораспределяющую пластину (крышку), которой позволила равномерно распределить температуру по поверхности кристалла, потому что источники с максимальным тепловыделением расположены неравномерно (локально) по поверхности кристалла*.

*Источниками тепловыделения на кристалле процессора являются, в первую очередь, ядра процессоров и графические ядра процессоров.

Основная мощность потерь в процессоре именно на этих узлах. А перепады температуры на поверхности кристалла создают узлы напряжений, что может сказаться катастрофически на них.

Расположение ядер и графического ядра на кристалле показано на рис. 1.

 

Равномерно распределить температуру по поверхности кристалла и есть основная задача IHS.

 

 И как побочный эффект - применение IHS позволило увеличить "эквивалентную площадь поверхности кристалла"** примерно в 1,5 раза (зависит от толщины пластины), не увеличивая сам кристалл. Считается, что это позволит увеличить площадь контактной поверхности в паре "кристалл - кулер" переходя к цепи "кристалл - IHS - кулер".

**"Эквивалентная площадь поверхности кристалла" - площадь где тепловой поток составляет 90% от теплового потока кристалла.

 

Но все это работает только там где в качестве термоинтерфейса IHS - кристалл является металлический припой.

Производители процессоров пойдя по пути удешевления процессоров и упрощения технологии пошли по пути замены металлического термоинтерфейса на теплопроводящую пасту.

И совсем не главный недостаток применяемого термоинтерфейса - снижение его теплопроводности в связи с применением теплопроводящей пасты.

 

Режим работы процессора и тепловыделение

Мы знаем, что тепловыделение процессора определяется его вычислительной нагрузкой.

Нагрузка меняется во времени по мере выполнения задач определяемых управляющими программами. И даже программы длительное время загружающее процессор имеют свои циклы периодически увеличивающие или уменьшающие вычислительную загрузку процессора, а соответственно и тепловыделение процессора.

Цикличность тепловыделения имеет место и при включении - выключении компьютера.

При этом температура наиболее нагретых областей ISH приближается к температуре наиболее нагретых областей кристалла процессора, а температура наименее горячих к температуре воздуха внутри процессора. Такой областью является ALU (Arithmetic and Logic Unit).

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.

 

 

Непосредственно на процессоре это выглядит так:

 

 

При этом IHS деформируется и зазор между кристаллом процессора и IHS увеличивается и определяется разностью температур Δt = t2 - t1 и коэффициентом линейного расширения материала IHS, в нашем случае меди. Причем в наиболее нагретой области он максимален.

В результате циклических деформаций, уже сейчас появляется множество публикаций о росте температуры процессора через некоторое время его работы в "тяжелых" приложениях.

Появилось течение любителей снимать IHS с процессора. И по данным экспериментаторов, это приводит к улучшению теплового режима работы процессора.

По их же данным теплопроводящая паста после снятия IHS имеет "вид пористой структуры".

Все это результат работы теплопроводящей пасты в условиях циклических тепловых нагрузок и вызванных ими деформаций.

 

Заключение

Я конечно не призываю к удалению IHS, наличие теплораспределительной пластины это необходимый шаг повышающей надежность работы процессора.

Просто, исходя из логики работы, мне кажется, для IHS подошел момент, когда тепловой поток достиг предельных значений. И это требует пересмотра конструкции самой теплораспределительной крышки и обязательному введению металлического термоинтерфейса IHS <-> кристалл (паяного соединения).

И применение в качестве термоинтерфейса теплопроводящих паст, какие хорошие они бы ни были становится просто недопустимо.

А.Сорокин, 2013 г.