Почему греется электроника и как работают разные методы охлаждения

Практически все электронные элементы имеют свойство нагреваться, неважно – ощутимо или нет. И если эти процессы не контролировать надлежащим образом, то перегревшиеся элементы либо сгорят, либо серьёзно ограничат возможности компьютера.

Большинство пользователей, конечно же, прежде всего подумают об охлаждении процессора и видеокарты, но почему оперативная память обходится без кулеров? Почему такой большой разрыв в производительности между мобильными и немобильными процессорами, ведь у них даже размер кристаллов не сильно отличается по размеру? Почему недавний скачок производительности, обусловленный появлением новых поколений чипов, начал замедляться?

Ответ на все эти вопросы кроется в физике процессов на наноуровне и температурах при них. В этой статье будут рассмотрены основы науки о тепле, как и почему нагреваются элементы электроники, а также различные методы теплоконтроля, которыми мы сегодня располагаем.

Основы тепловыделения

Из курса школьной физики мы помним, что тепло – это попросту результат хаотично двигающихся атомов и молекул, из которых наш мир состоит. Если одна молекула имеет более высокую кинетическую энергию, чем другая, тогда мы говорим, что она горячее. Это тепло может контактно передаваться от одного объекта к другому, пока температуры обоих объектов не сравняются. То есть, более горячий объект передаст часть своего тепла более холодному, а конечным результатом будет усредненная температура.

Время, необходимое для передачи тепла, зависит от теплопроводности двух материалов. Теплопроводность является количественной характеристикой способности материала проводить тепло. Изолятор, такой как пенополистирол, имеет относительно низкую теплопроводность, равную 0.03 Вт/м*К, в то время как проводник, например медь, имеет высокую теплопроводность, равную 400 Вт/м*К. Минимальная теплопроводность – у абсолютного вакуума (нулевая), а максимальная известная теплопроводность – у алмаза (свыше 2000 Вт/м*К).

Теплые объекты всегда охлаждаются, но следует помнить, что понятия «холод» не существует. Мы лишь называем вещи «холодными», если их температура ниже температуры среды. Другим важным определением, которое нам понадобится, является термальная масса, которая представляет собой тепловую инерцию объекта по отношению к колебаниям температуры. Одна и та же печь обогреет одну комнату в доме намного быстрее, чем весь дом. Это потому, что термальная масса комнаты намного меньше термальной массы всего дома.

Наглядно продемонстрировать всё это можно на простом примере с кипящей водой. Пламя горелки вступает в контакт с кастрюлей. Поскольку материал, из которого изготовлена кастрюля, обладает хорошей теплопроводностью, тепло от огня будет передаваться воде до тех пор, пока она не закипит.

Время, необходимое для закипания, зависит от способа нагрева, материала кастрюли и количества воды. Если вы попытаетесь вскипятить эту кастрюлю не на печи, а с помощью зажигалки, то ждать вам придётся приблизительно вечность. Это потому, что у печи гораздо более высокая тепловая мощность, чем у маленькой зажигалки. Далее, ваша вода закипит быстрее, если кастрюля будет иметь высокую теплопроводность, потому что нужно передать воде как можно больше тепла. Если вы достаточно богаты, рассмотрите вариант покупки алмазной кастрюли. И наконец, мы знаем, что маленькая кастрюлька воды закипит быстрее, чем большая. Это потому, что в маленькой кастрюльке меньше нагреваемой термальной массы.

Вскипятив воду, вы можете позволить ей естественным образом остыть, прекратив нагрев. Остывание происходит из-за того, что тепло от воды рассеивается в более холодном воздухе кухни. И поскольку термальная масса кухни значительно больше, чем у кастрюли, температура воздуха кухни не сильно изменится.

Откуда берется тепло

Теперь, когда мы знаем, как ведёт себя тепло и как оно перемещается от объекта к объекту, давайте поговорим о том, откуда оно берётся. Вся цифровая электроника состоит из миллионов и миллиардов транзисторов. Подробно о том, как они работают, можно узнать из третьей части цикла, посвященного разработке процессоров.

По сути, транзисторы представляют собой переключатели с электрическим управлением, которые включаются и выключаются миллиарды раз в секунду. Комбинируя и группируя их, мы можем формировать структуры компьютерного чипа.

Транзисторы при работе накапливают энергию от трех источников, известных как переключение, короткое замыкание и токи утечки. Переключение и замыкание – динамические источники тепла, поскольку они зависят от включений-выключений транзисторов. Энергия токов утечки известна как статическая, поскольку она постоянна и работа транзисторов на нее не влияет.

Логический гейт НЕ, построенный на двух транзисторах. Транзистор nMOS (внизу) пропускает ток во включенном состоянии, а pMOS (вверху) – в выключенном.

Начнем с энергии переключения. Чтобы включить или выключить транзистор, нужно подать на его затвор либо отрицательный потенциал, «землю» (логический 0), либо положительный, Vdd (логическая 1). Это посложнее, чем просто щелкнуть выключателем, поскольку этот затвор имеет очень малую емкость. Представьте себе крошечный аккумулятор. Чтобы активировать затвор, нам нужно зарядить батарею на определенный пороговый уровень. Как только нужно будет снова закрыть затвор, нам нужно мгновенно сбросить весь заряд на «землю». В современных чипах таких микроскопических затворов миллиарды, и каждый переключается миллиарды раз в секунду.

При каждом сбросе заряда на «землю», выделяется небольшое количество тепла. Чтобы вычислить мощность переключения, мы перемножаем коэффициент активности (среднее количество переключающихся транзисторов в цикле), частоту, емкость затвора и квадрат напряжения.

Теперь рассмотрим мощность короткого замыкания. Современная цифровая электроника строится на технологии, известной как «комплементарная структура металл-оксид-

полупроводник» (CMOS, Complementary Metal Oxide Semiconductors). Транзисторы устроены таким образом, что никогда не бывает прямого пути для тока к «земле». В приведенном выше примере гейта НЕ используется два комплементарных транзистора. Всякий раз, когда верхний включен – нижний выключен, и наоборот. Это гарантирует, что выходной сигнал равен 0 или 1, и является обратным входному. Транзисторы переключаются очень быстро, но как бы быстро ни переключались, они неизбежно встречаются в средней точке между своими состояниями, на мгновение обеспечивая прямой доступ тока к «земле». Мы можем сколь угодно уменьшать это мгновение, делая транзисторы быстрее и быстрее, но полностью избавиться от него физически невозможно.

Увеличение рабочей частоты микросхемы обусловлено большей скоростью переключения транзисторов, и соответственно – бо́льшим количеством мгновенных микрозамыканий, что и усиливает нагрев чипа. Чтобы найти мощность короткого замыкания, мы перемножаем ток короткого замыкания, рабочее напряжение и частоту переключения.

Оба этих источника тепла – динамическая энергия. Если мы хотим её уменьшить, достаточно просто понизить частоту чипа. Практичным это решение не назвать, так как может пострадать производительность чипа. Другой вариант – уменьшить его рабочее напряжение. Если раньше чипам требовалось от 5 В и выше, то современные процессоры работают на напряжении около 1 В. Создавая энергоэффективные транзисторы, мы можем уменьшить тепловыделение, вызванное динамическими источниками тепла. Динамическая тепловая мощность также является причиной нагрева процессоров при разгоне, ведь разгон подразумевает увеличение частоты, а зачастую также и напряжения – чем они выше, тем больше выделяет тепла каждый такт.

И последний тип тепла, рождаемый цифровой электроникой – это мощность токов утечки. Мы привыкли думать, что транзисторы либо полностью включены, либо выключены, но в действительности это не совсем так. Всегда будет какое-то небольшое количество тока, который протекает, даже когда транзистор выключен. Там очень сложная формула, учитывающая в том числе и размеры: всё бо́льшая миниатюризация транзисторов приводит только к ухудшению этого эффекта.

Становясь всё меньше и меньше, транзистор довольствуется всё меньшим и меньшим изолятором, блокирующим поток электронов при выключении транзистора. Это один из основных факторов, ограничивающих производительность чипов нового поколения, поскольку мощность токов утечки продолжает расти с каждым поколением. Законы физики загнали нас в угол, и из него нам уже не сбежать.

Как не допустить перегрева чипов

Итак, мы выяснили, из-за чего греются полупроводники, но можно ли с этим что-то сделать? Если эту проблему не решить, то транзисторы перегреются и выйдут из строя. В процессорах встроена функция термической защиты процессора – Thermal throttling, она срабатывает в случае, если не обеспечено достаточного охлаждения. Установленные в чипе термодатчики следят за температурой кристалла, и если она повышается выше допущенной, процессор автоматически понижает свою рабочую частоту, снижая уровень тепловыделения. Но такое купирование производительности в восторг никого не приведёт, и есть множество лучших способов справиться с нежелательным нагревом в компьютерной системе.

Многие микросхемы вовсе не нуждаются ни в каких заморочках с охлаждением. На материнской плате вы найдёте десятки таких маленьких чипов без радиаторов. Почему они не плавятся?

Прежде всего потому, что просто не нагреваются до такой степени. Большие мощные CPU и GPU могут расходовать сотни ватт энергии, в то время как небольшая микросхема сетевого адаптера или аудиоконтроллера довольствуется долей ватта. В этом случае чипу хватит собственного корпуса, чтобы отвести на него тепло. Задуматься о каком-то дополнительном охлаждении чипа стоит только, если его мощность превышает 1 Вт.

Обзор и тестирование процессора Intel Core i7-8700K: 5 ГГц на 12 потоках?

Суть проблемы в том, чтобы снизить термосопротивление между проводниками до минимума. Необходимо создать кратчайший беспрепятственный путь теплу от кристалла до воздуха. Именно поэтому CPU и GPU оснащаются металлической поверхностью сверху – встроенным теплоотводом (IHS, Integrated Heat Spreader). Сам чип внутри, как таковой, намного меньше своего корпуса, но чем больше площадь IHS, тем эффективней можно распределить и отвести тепло. Важно также использовать хорошее термосоединение между IHS чипа и кулером, без него тепло не сможет беспрепятственно перетекать на радиатор.

Существуют два основных режима охлаждения: пассивный и активный. Пассивное охлаждение – это простой радиатор, прикрепленный к чипу, который охлаждается потоком окружающего воздуха. Чем выше теплопроводность материала радиатора и чем больше площадь его поверхности, тем эффективней тепло будет отводиться от чипа и рассеиваться в окружающем воздухе.

Регуляторы напряжения и микросхемы памяти обычно обходятся без охлаждения, поскольку сильно не нагреваются. Процессоры смартфонов как правило оснащаются пассивным охлаждением, так как они рассчитаны на очень низкое энергопотребление. Чем выше производительность чипа, тем больше тепловой энергии он будет выделять и тем больший радиатор ему потребуется. Вот почему процессоры смартфонов слабее процессоров настольных компьютеров – кулеры и радиаторы невозможно миниатюризировать.

Тепловой снимок процессора смартфона с пассивной системой охлаждения: охлаждающая жидкость (Liquid line), испаритель (Evaporator), пароотвод (Vapor line), теплорассеивающая поверхность (Thermal diffusion plate).

Когда речь заходит о десятках ватт, задействуется активное охлаждение. Активно нагнетая потоки холодного воздуха в ореберье радиатора (обычно с помощью вентилятора), система справляется с несколькими сотнями ватт. Чтобы обеспечить такое мощное охлаждение, необходимо, чтобы тепло от чипа равномерно распространилось по всей поверхности радиатора. Мало толку в огромном радиаторе, если нет возможности доставить к нему тепло.

Здесь на помощь приходят тепловые трубки и жидкостное охлаждение. Они выполняют одну и ту же задачу – передать максимально возможное количества тепла от чипа к теплоотводу или радиатору. В случае с жидкостным охлаждением, тепло передается от чипа к водоблоку через термосоединение с высокой теплопроводностью. Как правило, водоблок изготавливается из меди или другого материала с высокой теплопроводностью. Нагревшаяся жидкость переносит тепло к радиатору, который рассеивает его. Тепловые трубки типичны для небольших систем, таких как ноутбуки, где невозможно реализовать полностью жидкостное охлаждение. Тепловая трубка на порядок-два эффективней отводит тепло от чипа, чем обычная медная трубка.

Тепловая трубка очень похожа на жидкостное охлаждение, но её отличает наличие фазового перехода для улучшения теплопередачи. Внутри тепловых трубок находится жидкость, которая при нагревании превращается в пар. Пар проходит по тепловой трубке, пока не достигнет холодного конца, и не конденсируется обратно в жидкость. Жидкость возвращается в горячий конец под действием силы тяжести или капиллярного эффекта. Такое испарительное охлаждение знакомо нам по эффекту, когда вы чувствуете холод при выходе из воды. Во всех этих случаях жидкость поглощает тепло в процессе превращения в пар, а затем пар отдаёт тепло в процессе конденсации.

Цикл работы тепловой трубки:

1. Рабочая жидкость испаряется, поглощая тепловую энергию.
2. Пар устремляется к холодному концу трубки по полости (Vapour cavity).
3. Там пар конденсируется обратно в жидкость, впитываемую тампоном (Wick), а тепловая энергия передаётся корпусу (Casing).
4. Рабочая жидкость возвращается обратно к концу с более высокой температурой.

Теперь, когда мы передали тепло от чипа к тепловой трубке или жидкости, как мы рассеем его в воздухе? С помощью рёбер радиатора. Трубка с водой или тепловая трубка и сами отдают часть тепла в окружающий воздух, но этого недостаточно. Чтобы действительно охладить теплопроводник, необходимо увеличить площадь поверхности охлаждения.

Теплоотвод или тонкие ребра радиатора распределяют тепло по большой площади поверхности, что позволяет вентилятору эффективно отводить его. Чем тоньше ребра, тем бо́льшую площадь поверхности можно создать в пределах заданных размеров. Но чересчур тонкие рёбра не смогут обеспечить достаточного контакта с тепловой трубкой, чтобы отвести от неё тепло. Необходимо грамотно сбалансировать эти параметры. Известны случаи, когда большой кулер работает хуже меньшего по размерам, но более оптимизированного кулера. Некто Стив из Gamers Nexus составил отличную схему, демонстрирующую принцип работы типичного радиатора.

Анатомия радиатора (Gamers Nexus)

• Condenser – Конденсатор.
• Capillary action in pipe – Капиллярный эффект в трубке.
• Intake action cools fins – Внешняя среда охлаждает рёбра.
• Heat exhausts – Рассеивание тепла.
• Heat dissipates into fins from pipe – Тепло отводится на ребра от трубок.
• Liquid turns to gas at heat source – Жидкость переходит в газообразное состояние в контакте с источником тепла.
• Heatpipes directly contact CPU surface – Тепловые трубки непосредственно контактируют с поверхностью процессора.
• Evaporator – Испаритель.

Как сделать еще холоднее

Способы охлаждения, о которых мы рассказали, основаны на простой передаче тепла от чипа в воздух. То есть, чип никогда не будет холоднее температуры воздуха в помещении, где он находится. Но если нам нужно что-то охладить до температуры ниже окружающей среды или если у нас слишком много источников тепла (например, дата-центр), то нам понадобятся дополнительные знания. Речь пойдёт о холодильных системах (чиллерах) и термоэлектрических кулерах.

Термоэлектрическое охлаждение, также известное как эффект Пельтье, в настоящее время не очень популярно, но потенциально может быть очень полезным. Эти устройства передают тепло от одной стороны охлаждающей пластины к другой с помощью электричества. В них используется специальный термоэлектрический материал, создающий разность температур под воздействием электрического потенциала. Когда постоянный ток протекает через одну сторону устройства, тепло передается на другую сторону. Это и позволяет «холодной» стороне опуститься ниже температуры окружающей среды. В настоящее время эти устройства очень нишевые, поскольку весьма энергозатратны, но тем не менее, инженеры продолжают работать над созданием более эффективных и экономичных моделей таких устройств для общего рынка.

Подобно тому, как с помощью переходов между состояниями вещества передаётся тепло, изменение давления жидкости также может использоваться для теплопередачи. Так работают холодильники, кондиционеры и большинство других климатических систем.

Специальный хладагент течет через замкнутый контур, в котором он начинается в виде пара, затем сжимается, конденсируется в жидкость, снова расширяется и испаряется обратно в пар. Этот цикл повторяется, обеспечивая теплопередачу. Компрессор требует энергии, но такая система также позволяет получить температуру ниже окружающей среды. Вот так дата-центры и здания остаются прохладными даже в самый жаркий летний день.

Схема стандартной одноступенчатой парокомпрессорной холодильной установки. Конденсатор может быть как жидкостный, так и воздушный. На схеме: компрессор (Compressor), конденсатор (Condenser), испаритель (Evaporator), регулирующий клапан (Expansion Valve), вентилятор (Fan), пар (Vapor), жидкость (Liquid), теплый воздух (Warm air), холодный воздух (Cold air).

Такого рода системы охлаждения – как правило, вторичные в отношении электроники. Вы сначала отводите тепло от чипа в комнату, а затем из комнаты наружу через парокомпрессионную систему. Конечно, есть гики, помешанные на разгонах и производительности, которые к своим процессорам подключают всякие холодильные системы. Экстренно охладить электронику им помогает также жидкий азот и сухой лед.

Заключение

Итак, электроника нуждается в охлаждении, и охлаждение бывает разных видов. Задача состоит в том, чтобы отвести тепло от микросхемы или какой-либо системы в более прохладную среду. Насамом деле невозможно избавиться от тепла, поэтому все, что мы можем сделать, это переместить его куда-нибудь, чтобы оно перестало быть проблемой.

Вся цифровая электроника выделяет тепло благодаря природе работы транзисторов. Если не избавлять их от этого тепла, полупроводник сгорит и весь чип может выйти из строя. Тепло – враг всех разработчиков электроники и является одним из ключевых факторов, сдерживающих рост производительности. Мы не можем делать процессоры сколь угодно большими, потому что нет хорошего способа охладить что-то такое мощное. Вы просто не сможете избавить их от выделяемой ими тепловой энергии.

Надеюсь, теперь вы стали лучше разбираться в этой науке, которая заботится о температуре вашей электроники