Raffreddamento migliorato dei microprocessori. Schema, descrizione

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Raffreddamento migliorato dei microprocessori. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

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Recentemente si è diffusa la pratica di "overclocking" dei microprocessori, ovvero di farli funzionare a una frequenza di clock superiore a quella prescritta dal produttore. Ciò si basa sull'ampia riserva di capacità tecniche dei processori e spesso (se i chip della scheda madre lo consentono) è completamente giustificato. Inoltre, un processore veloce costa molto di più di un analogo lento. Tuttavia, uno dei principali ostacoli all'aumento della frequenza di clock è l'inevitabile surriscaldamento del processore, che richiede una migliore dissipazione del calore da esso.

Prima di tutto, scopriamo perché la temperatura del microprocessore aumenta all'aumentare della frequenza dell'orologio e quali problemi ciò comporta.

La potenza consumata dal processore dall'alimentatore e dissipata sotto forma di calore nello spazio circostante è costituita da due componenti: statica e dinamica. La parte statica della potenza viene consumata dagli elementi logici che si trovano in una posizione stabile. In generale, dipende dallo stato dell'elemento (0 o 1 logico), ma poiché ce ne sono milioni nel processore, in media rimane costante.

Il potere dinamico viene speso per trasferire un elemento logico da uno stato a un altro. In questo momento, i transistor che formano l'elemento si aprono e si chiudono, le capacità delle giunzioni e dei circuiti di collegamento vengono ricaricate e si verificano altri processi che causano un aumento a breve termine del consumo energetico. Possiamo supporre che per ogni commutazione venga consumata una certa porzione di energia elettrica. Maggiore è la frequenza di commutazione dell'elemento, maggiori saranno le porzioni consumate per unità di tempo e maggiore sarà la dissipazione di potenza.

Va detto che il rapporto tra potenza dinamica e potenza statica non è lo stesso per tipologie diverse di elementi logici. Ad esempio, gli elementi ECL (emettitore accoppiato a logica) più veloci di oggi non hanno praticamente alcuna componente dinamica e il loro consumo energetico è quasi indipendente dalla frequenza. Gli elementi della struttura CMOS, al contrario, non consumano quasi energia in modalità statica. Tutto il consumo energetico è dinamico e direttamente proporzionale alla frequenza di commutazione. Altri tipi di logica occupano una posizione intermedia. Qualsiasi LSI, compreso un microprocessore, contiene molti elementi, a volte di diverso tipo, e la quantità di energia termica rilasciata dipende sempre in un modo o nell'altro dalla frequenza operativa (clock), aumentando con il suo aumento.

Come è noto, il surriscaldamento di un sistema emettitore di calore, cioè la differenza di temperatura tra la sua superficie e l'ambiente, è proporzionale alla potenza dissipata. Gli sviluppatori e i produttori di microprocessori ne tengono conto come uno dei fattori che determinano la frequenza di clock massima consentita. All'aumentare della frequenza dell'orologio, la temperatura del microprocessore aumenterà inevitabilmente. Anche se trascuriamo la banale "combustione": il completo guasto del microcircuito, il surriscaldamento porta a conseguenze molto spiacevoli.

All'aumentare della temperatura, le caratteristiche di immunità al rumore degli elementi logici si deteriorano. Ciò si verifica a causa del fatto che la resistenza dei transistor aperti aumenta e quella chiusa diminuisce. Di conseguenza, i livelli logici 1 e 0 si avvicinano e l'interferenza, la cui ampiezza a temperatura normale non era sufficiente per commutare l'elemento, diventa pericolosa. È stato dimostrato che esiste una certa temperatura critica, al di sopra della quale la probabilità di guasto aumenta notevolmente (ad esempio, da un valore dell'ordine di 10-15 h-1 a 10-7 h-1), sebbene l'elemento continui operare. Per un processore Pentium II contenente 7,5 milioni di transistor, ciò significa che si verificheranno guasti quasi ogni ora.

Talvolta un errore passa inosservato e rovina, ad esempio, solo una cifra del risultato del calcolo. Nei casi più pericolosi, il computer di controllo invia un comando errato all'oggetto gestito. Quando un problema tecnico danneggia un comando di salto in un programma in esecuzione, il computer in genere si blocca, eseguendo una sequenza di comandi senza senso. I blocchi possono anche essere associati al guasto termico degli elementi del processore più caricati. Tale guasto è solitamente reversibile e, dopo il raffreddamento nello stato spento, le prestazioni del computer vengono ripristinate.

Dalla mia esperienza (ho un AMD 5x86/133, overcloccato a 160 MHz), posso dire che quando la ventola è stata spenta accidentalmente, il processore si è bloccato dopo aver funzionato per otto ore, ma dopo aver acceso la ventola, tutto è tornato alla normalità. normale. Le misurazioni (utilizzando un normale termometro) hanno mostrato che il processore ha iniziato a congelare a temperature superficiali superiori a 41° e ha funzionato normalmente a 40°.

Pertanto, il surriscaldamento del microprocessore porta ad un aumento dell'intensità dei malfunzionamenti nel suo funzionamento e persino a guasti. Tutto ciò deve essere ben compreso e preso in considerazione quando si tenta di overcloccare il processore a velocità di clock più elevate. La conclusione principale è questa. che è necessario occuparsi di rimuovere la maggiore quantità di calore e raffreddare il processore a una temperatura inferiore a quella critica.

Per il raffreddamento vengono utilizzati dissipatori di calore: piastre metalliche con una superficie sufficientemente grande. Purtroppo l’efficienza di un dissipatore di calore non aumenta proporzionalmente alla sua area. Si aumenta soffiando una ventola sulla superficie del dissipatore. Va detto che la maggior parte dei processori utilizzati nei computer moderni sono progettati per funzionare con un dissipatore di calore bruciato (si chiama "raffreddatore" dalla parola cool), senza il quale è vietato utilizzarli. Quindi possiamo solo parlare di aumentare l'efficienza di questo dispositivo.

Fortunatamente (o sfortunatamente) esiste una riserva. A causa delle irregolarità della superficie, il dissipatore di calore standard non si adatta perfettamente al case del microprocessore; tra loro rimane uno strato d'aria che impedisce il trasferimento di calore. La resistenza termica (il cosiddetto coefficiente di proporzionalità tra la differenza di temperatura ai confini dello strato e la potenza termica trasmessa, misurata in gradi per watt) dello strato può essere ridotta assottigliandolo e riempiendolo con una sostanza che conduce bene il calore. La prima si ottiene molando le superfici di contatto, la seconda lubrificandole con una pasta speciale.

Per raggiungere il tuo obiettivo, dovrai lavorare un po'. Mettete la carta vetrata su una superficie piana (meglio prendere una lastra di vetro) e... Dopo averlo bagnato bene con olio per macchine e averlo raddrizzato, lucidare la superficie del dissipatore di calore. adiacente al processore. Questo dovrebbe essere fatto senza premere con un movimento circolare, aggiungendo costantemente olio e girando la parte in questo modo. in modo che tutta la superficie di contatto termico venga levigata uniformemente. È necessario iniziare con carta vetrata grossolana, passando gradualmente a carta vetrata più fine (fino a "zero"). Quando la superficie diventa uniformemente opaca e a specchio, è possibile interrompere la levigatura e applicare la pasta termoconduttrice.

La pasta KPT-8 a volte si trova in vendita, ma ciò accade raramente e non ovunque. Se non ce l’hai, puoi accontentarti di mezzi improvvisati. Di tutti i liquidi, il mercurio ha la massima conduttività termica, ma a causa della tossicità dei vapori, della conduttività elettrica e dell'elevata attività chimica, non dovrebbe essere utilizzato. Segue l'acqua (conduttività termica 0,648 W/mrad.), ma è elettricamente conduttiva ed evapora rapidamente. Tra i liquidi non essiccanti la conducibilità termica è massima per la glicerina (0,283 W/mrad.). Inoltre aumenta con l'aumentare della temperatura (per gli altri liquidi diminuisce).

Prendi un po' di glicerina e aggiungi circa il doppio del volume di polvere di alluminio. Macinare e mescolare bene questa miscela fino a formare una pasta omogenea, viscosa, di colore argentato. Dovrebbe essere appiccicoso e spalmabile, ma mantenere la sua forma e non diffondersi. Questa pasta non conduce elettricità. ma dovresti comunque evitare di caricarlo sulle schede dei computer e sui pin dei microcircuiti. Usando un pennello, applica una piccola quantità di alette alle superfici di contatto del processore e del dissipatore di calore. C'è chi cerca di spalmarne di più, credendo ingenuamente che la pasta sia termoconduttrice. dovrebbe essere applicato più spesso. Al contrario, meno è, meglio è. È necessario che lo strato sia il più sottile possibile e copra entrambe le superfici in modo uniforme, spostando l'aria e riempiendo tutte le irregolarità.

Installa con attenzione il dissipatore di calore sul processore e spostalo leggermente (o meglio) per spostare l'aria e la pasta in eccesso rimanenti nello spazio. Non dimenticare di collegare il dissipatore di calore e la ventola e collegarli. Adesso è tutto pronto. Per verificare, esegui il test del processore nel sistema di risoluzione dei problemi per un paio d'ore e, se non vengono rilevati errori, puoi lavorare tranquillamente.

Autore: I. Korznikov, Ekaterinburg

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