Где тонко там и рвется

Процессор и ..

Охлаждение ПК

Статьи

Полезные советы

Ссылки

Электроника

Linux

Список литературы

Проекты, идеи

Тепловыделение современных скоростных процессоров, не смотря на снижение технологических норм, не снижается. TDP приблизился 100 Вт. При этом тепловыделение очень неравномерно по поверхности кристалла. Известно, что основной тепловыделяющий узел процессора — ядро, На него приходится от 50 до 80% выделяемой мощности (в зависимости от загрузки процессора) при занимаемой им площади менее 30%.
Термические эффекты в конструкции, это еще одно тонкое место в современных процессорах.

Все сказанное ниже относится к современным процессорам производства Intel и AMD.

Кроме задачи отвести тепло от процессора существует задача и равномерного распределения по кристаллу. Проблема существует и описывается в публикациях в Internet, я встречал термограммы процессора. Проблема решается просто, на кристалл, легкоплавким припоем, припаивают медную пластину. Медь при ее высокой теплопроводности равномерно распределяет тепло по поверхности кристалла.

Производители пошли дальше, они увеличили площадь пластины до размеров чуть меньше панели держателя кристалла (около 37х38 мм), с целью увеличить площадь контактной поверхности (кристалл — пластина) и кулера, а через нее улучшить отвод выделяемого тепла от процессора.

 

Реальные данные и конструкции по двух ядерным процессорам смотрите в табл.1 и 2.

 

CPU info	settings				cache	elec (max)	physics	Внешний вид. ;
name/release	speed	FSB	MP	VCore	L1/L2	I/P/T	T/P/D	Кристалл	Процессор
Core 2 Duo E6300 Conroe 2M B2 (6-F-6) 07/2006 OEM: HH80557PH0362M BOXED: BX80557E6300	1866 MHz Dual Core VT/EIST	266 MHz QDR	7.0x	0.85~1.5V	L1 64KB L2 2MB	75.0A 65.0W 61.4ºC	291.0M 65nm 144mm²	Размер кристалла. (Пропорция)
Athlon 64 X2 3800+ Manchester E4 (F-2B-1) 07/2005 OEM: ADA3800DAA5BV BOXED: ADA3800BVBOX	2000 MHz Dual Core CnQ	200 MHz DDR	10.0x	1.3~1.35V	L1 256KB L2 1MB	65.0A 89.0W 71.0ºC	154.0M 90nm 147mm²

Таблица 1

 

Как это выглядит на примере процессора Pentium D 850:

 

CPU info	settings				cache	elec (max)	physics	Внешний вид.
name/release	speed	FSB	MP	VCore	L1/L2	I/P/T	T/P/D	Кристалл	Процессор без крышки	Процессор
Pentium D 805 Smithfield B0 (F-4 7) 12/2005 OEM: HH80551PE0672MN BOXED: BX80551PE2666FN	2666 MHz Dual Core	133 MHz QDR	20.0x	1.25~1.4V	L1 24+32KB L2 2MB	73A 95.0W 64.1єC	230.0 M 90nm 206mm2

Таблица 2.

 

К слову AMD Quad Core CPU уже имеет тепло распределительную крышку по конструкции аналогичную процессорам Intel. Это более жесткая конструкция.

Процессоры Intel Quad Core имеют следующую конструкцию:

 

Рисунок 1

 

Для придания жесткости крышке по ее периметру выполнен профиль по форме различный у Intel и начальных моделей AMD. Его функция, в увеличении жесткости крышки для предотвращения ее деформации при тепловых перепадах.

Но проблема тепловых деформаций изделий сложной конструкции (множество разнородных элементов), специалисты не дадут соврать, очень сложна и смоделировать их в широком (15-95 град. С) температурном диапазоне практически невозможно (очень сложно).

Логика подсказывает что это так, но это подтверждается и практикой.

Наткнулся в форуме http://forums.overclockers.ru/viewtopic.php?t=106326&postdays=0&postorder=asc&start=780 “Хочу снять крышку с процессора. Посоветуйте как и стоит ли ?” на ситуацию описанную Detuner'ом.

Он пишет:

«Год назад была куплена мать MSI K9N SLI Platinum, процессор Athlon64 X2 4400+ ядро Brisbane степпинг G1, кулер дешёвый Titan TTC-NK32TZ. Сразу после покупки прогнал проц в штатном режиме под S&M. Результаты были не очень впечатляющие, но процессор не перегревался. Разогнать тогда не пробовал - не до того было. Со временем ситуация с температурой стала ухудшаться, и в конце концов процессор стал перегреваться на штатной частоте и с заниженным напряжением 1.2 В. Замена кулера показала, что дело не в нём - процессор горячий, подошва кулера холодная. Значит - процессор. Теплораспределительные крышки на современных процах мне никогда не нравились, т.к. руки прямые и ни одного кристалла я не колол - даже когда ставил килограммовый Tower112 на бартон. После непродолжительных поисков в и-нете наткнулся на эту ветку. Прочитал от начала до конца, прикупил канцелярский нож и вечером сел оперировать. Всё оказалось достаточно просто, главное - не торопиться и делать всё аккуратно. Под крышкой я нашёл нечто похожее на полузасохшую жвачку серого цвета - не очень впечатляюще, хотя след от термопасты на кристалле был нормальный. Решил ставить кулер на голый кристалл. Титановское крепление для этого категорически не подходило, поэтому переделал винтовое крепление вышеупомянутого Tower112 (в оригинале он не предназначен для сокета AM2). Теперь всё стало отлично - процессор стал очень холодным и разогнался с 2.3 до 2.8 ГГц даже на стандартных 1,3 в. Буду гнать дальше, в комплекте с OCZ'шной памятью результаты должны быть неплохие.»

Дополнительным подтверждением проблемы является и переход AMD на более жесткую крышку в процессорах AMD Quad Core.

Чем это вызвано?

Если пластина металла нагрета с одной стороны больше чем с другой, учитывая что коэффициент линейного расширения есть функция температуры, такая пластина деформируется.

 

Рисунок 2.

 

На рисунке 2 показана такая ситуация, причем t₂>t₁, тогда возникает прогиб пластины на величину h. Величина h невелика, как невелик и перепад температуры, но при зазоре между процессором и кулером заполненном теплопроводящей пастой равном 20-40 мкм даже 1-5 мкм, это много. Как уже писал выше Detuner, за год таких термоциклов тепловой контакт кристалл - теплоотводящая пластина ухудшился настолько, что процессор стал перегреваться. Не последнюю роль при этом играют большие линейные размеры пластины.

Давно известен способ крепления теплоотводящих элементов к кристаллу - это пайка. Легкоплавкие припои имеют теплопроводность от 20 до 60 Вт/(м*К). Толщина слоя припоя соизмерима с теплопроводящими пастами, а тепловое сопротивление больше чем на порядок меньше. В структуре КРИСТАЛЛ - ПРИПОЙ - ТЕПЛОРАСТРЕДЕЛИТЕЛЬ из-за градиентов температур возникают механические напряжения. При современных размерах кристалла они не достигают величин приводящих к разрушению кристалла.

В практических конструкциях производители процессоров в любом случае должны избегать избыточных элементов в цепи теплового потока, поскольку они приводят к вредным деформациям в конструкции.

Реальные цепи по которым проходит тепловой поток много сложнее и из-за применения материалов с сильно различающимися характеристиками и сильной неоднородности этого потока, поэтому учесть их влияние очень сложно.

Ясно одно, при современных небольших размерах кристалла, мощности и неоднородности теплового потока задача отвода тепла от кристалла процессора это одна из главных задач. А саму проблему можно назвать "Тепловой барьер" и пока кардинально она не может быть решена.

 

 Узкие места конструкции

Попробуем рассмотреть узкие места современных конструкций системы "панель - процессор - кулер" и цепь прохождения теплового потока.

Схематически конструкция показана на рис.3

 

Рисунок 3.

 

Здесь: 1- Системная плата, 2- панель процессора, 3- процессор, 4- кулер, 5- механизм крепления кулера с прижимающей силой F.

Выделенный фрагмент, где показаны сочленения относящиеся к процессору, укрупнено показан на рис. 4 .

 

Рисунок 4.

 

Здесь: 6- держатель кристалла процессора, 7- компаунд фиксирующий кристалл (чип) процессора, 8 - собственно чип, 9- теплопроводяший элемент между кристаллом и защитной (теплораспределительной) крышкой, 10- теплораспределительная крышки.

Все элементы конструкции имеют различные коэффициенты объемного/линейного расширения. Он лежит от 120х10^-6 град^-1 для конструкционных пластмасс до 16х10^-6 град.^-1. В результате при изменении температуры существенно меняются параметры размерной цепи и как результат прижимное усилие.

 

Заключение

Следует отметить, что смысл в теплораспределительной крышке имеется только при ее ее размерах выходящих за пределы кристалла меньше чем на 5-10h (h -толщине крышки). При больших ее размерах тепловое сопротивление крышки становится большим (из-за малой ее толщины) и ее применение становится неэффективным . Согласно документации Intel ("Приложении D" Intel Pentium 4 Processor on 90 nm Process Thermal and Mechanical Design Guidelines http://download.intel.com/design/Pentium4/guides/30255303.pdf. ) толщина крышки составляет 1 мм. Тем более от ее размера существенно зависят ее деформации.

И самое главное!

Любой промежуточный элемент между кристаллом и кулером вносит дополнительное тепловое сопротивление, величина которого зависит от применяемых материалов, но всегда больше чем при непосредственным контактом с поверхностью кристалла.

2007-2009

А.Сорокин

Попасть прямо в разделы сайта можно здесь: