Beveik kiekvienas šiuolaikinės elektronikos elementas generuoja šilumą, nesvarbu, ar mes ją pastebime, ar ne. Tinkamai nevaldydami šios šilumos, mūsų elektroninės sistemos sunaikins save arba, priešingai, labai apribos mūsų skaičiavimo pajėgumus.

Vidutinis „TECH NEWS“ skaitytojas, žinoma, atsižvelgs į procesoriaus ir GPU aušinimą, bet kodėl RAM nereikia ventiliatorių, kad išliktų vėsus? Kodėl yra toks didelis skirtumas tarp mobiliojo ir darbalaukio procesoriaus, nors modeliai yra gana panašūs? Kodėl pastarasis naujosios kartos lustų našumas pradeda lėtėti?

Atsakymas į visa tai yra susijęs su šiluma ir fizika, kaip skaitmeniniai kompiuteriai veikia nanometrinėje skalėje. Šis straipsnis palies pagrindinį šilumos mokslą, kaip ir kodėl jis gaminamas elektronikoje, ir įvairius mūsų sukurtus metodus jai valdyti.

Čia pasidaro šilta: šilumos pagrindai

Jei prisiminsite vidurinės mokyklos fiziką, šiluma yra tik atsitiktiniai atomų ir molekulių, sudarančių mūsų pasaulį, judesiai. Jei molekulė turi didesnę kinetinę energiją nei kita molekulė, sakome, kad ji yra karštesnė. Ši šiluma gali būti perduodama iš vieno objekto į kitą, jei abu liečiasi, kol pasiekia pusiausvyrą. Tai reiškia, kad karštas objektas dalį savo šilumos perduos vėsesniam objektui, todėl temperatūra bus tarp dviejų.




Laikas, kurio reikia šiai šilumai perduoti, šilumos laidumas dvi medžiagos. Šilumos laidumas yra medžiagos gebėjimo praleisti šilumą matas. Tokio izoliatoriaus kaip putų polistirolo šilumos laidumas yra palyginti mažas - 0,03, o tokio laidininko kaip vario - 400 šilumos laidumas. Abiejuose kraštutinumuose tikrojo vakuumo šilumos laidumas yra 0, o deimanto didžiausias žinomas šilumos laidumas viršija 2000. .




Reikia atsiminti, kad šiluma visada vėsta, tačiau „šalčio“ nėra. Mes tai matome kaip „šaltą“ tik tuo atveju, jei jie turi mažiau šilumos nei jų aplinka. Kitas svarbus mums reikalingas apibrėžimas yra šiluminė masė, atspindinti objekto inerciją temperatūros svyravimams. Turint tokio paties dydžio orkaitę, namuose šildyti vieną kambarį yra daug lengviau nei visą namą. Nes kambario šiluminė masė yra daug mažesnė nei viso namo šiluminė masė.




Visas šias sąvokas galime sujungti paprastame verdančio vandens pavyzdyje. Įjungus viryklę, karšta liepsna liečiasi su aušinimo puodu. Kadangi puodą sudaranti medžiaga yra geras šilumos laidininkas, ugnies šiluma bus perduota vandeniui, kol ji užvirs.




Virimo laikas priklausys nuo kaitinimo būdo, puodo medžiagos ir vandens kiekio. Jei bandysite užvirinti puodą su nedideliu žiebtuvėliu, jis tarnaus amžinai, palyginti su dideliu gaisru ant viryklės. Taip yra todėl, kad viryklės šiluminis efektyvumas yra daug didesnis nei mažo žiebtuvėlio, matuojamo vatais. Tada, jei keptuvės šilumos laidumas didesnis, jūsų vanduo užvirs greičiau, nes daugiau šilumos bus perduota vandeniui. Jei būtum pakankamai turtingas, deimantinis puodas būtų šventasis gralis. Galiausiai visi žinome, kad nedidelis vandens dubuo išnyks greičiau nei daug didesnis vandens dubuo. Taip yra todėl, kad su mažesniu puodu yra mažiau šiluminės masės.

Baigę gaminti, galite leisti vandeniui natūraliai atvėsti. Kai taip atsitinka, šiluma iš vandens pašalinama į vėsesnę patalpą. Kadangi kameros šiluminė masė yra daug didesnė nei puodo, temperatūra mažai keičiasi.




Karščio medžio drąsuolės skaitmeninėje elektronikoje

Dabar, kai žinome, kaip šiluma veikia ir juda tarp objektų, pirmiausia pakalbėkime apie tai, iš kur ji kyla. Visą skaitmeninę elektroniką sudaro milijonai ir milijardai tranzistorių. Išsamiau, kaip jie veikia, žr. 3 skyrių. Mūsų darbas kuriant šiuolaikinį procesoriaus dizainą.

Iš esmės, tranzistoriai yra elektra valdomi jungikliai, kurie atidaromi ir uždaromi milijardus kartų per sekundę. Mes galime susieti krūvą, kad sukurtume kompiuterio lusto struktūras.

Kai šie tranzistoriai veikia, jie paskirsto energiją iš trijų šaltinių, vadinamų perjungimu, trumpuoju jungimu ir nuotėkiu. Perjungimas ir trumpojo jungimo galia yra žinomi kaip dinaminiai šilumos šaltiniai, nes juos veikia tranzistorių atidarymas ir uždarymas. Jis žinomas kaip statinis, nes nuotėkio galia yra pastovi ir jo neveikia tranzistoriaus veikimas.




Du tranzistoriai, sujungti, kad sudarytų NOT vartus. NMOS (apačioje) leidžia srovei tekėti, kai jis atidarytas, o pMOS (viršuje) - srovei tekėti uždarytą.

Pradėsime nuo perjungimo galios. Norėdami įjungti arba išjungti tranzistorių, turime nustatyti jo vartus į žemę (logika 0) arba Vdd (logika 1). Šie įėjimo vartai nėra tokie paprasti, kaip tik pasukti jungiklį, nes jie turi labai mažai talpos. Galime galvoti apie tai kaip apie mažą įkraunamą bateriją. Norėdami įjungti dureles, turime įkrauti akumuliatorių virš tam tikro slenksčio lygio. Kai būsime pasirengę dar kartą uždaryti duris, turime šią naštą mesti ant žemės. Nors šie vartai yra mikroskopiniai, šiuolaikiniai lustai turi milijardus ir jie praeina milijardus kartų per sekundę.

Kiekvieną kartą, kai durų apkrova numetama ant žemės, susidaro nedidelis šilumos kiekis. Norėdami rasti perjungimo galią, padauginame aktyvumo koeficientą (vidutinį bet kurioje vienoje kilpoje įjungtų tranzistorių santykį), dažnį, vartų talpą ir įtampos kvadratą.

Pažvelkime į trumpojo jungimo galią dabar. Šiuolaikinėje skaitmeninėje elektronikoje naudojama technika, vadinama papildomais metalo oksido puslaidininkiais (CMOS). Transistoriai yra išdėstyti taip, kad niekada nebūtų tiesioginio kelio srovei tekėti į žemę. Aukščiau pateiktame NOT vartų pavyzdyje yra du papildomi tranzistoriai. Kai viršutinė yra atvira, apačia yra uždaryta ir atvirkščiai. Tai užtikrina, kad išvestis būtų 0 arba 1, o įvestis būtų atvirkštinė. Tačiau įjungdami ir išjungdami tranzistorius, yra labai trumpas laikotarpis, kurį abu tranzistoriai atlieka vienu metu. Kai vienas rinkinys užsidaro, o kitas atsidaro, jie abu juda, kai pasiekia vidurio tašką. Tai neišvengiama ir suteikia laikiną kelią srovei tekėti tiesiai į žemę. Mes galime pabandyti tai apriboti darydami tranzistorius tarp įjungimo ir išjungimo būsenų greičiau, tačiau negalime to visiškai pašalinti.

Kuo didesnis lusto veikimo dažnis, tuo daugiau būsenos pokyčių ir daugiau momentinių trumpųjų jungimų. Tai padidina lusto šiluminę galią. Norėdami rasti trumpojo jungimo stiprumą, mes padauginame trumpojo jungimo srovę, darbinę įtampą ir perjungimo dažnį.

Abu šie pavyzdžiai yra dinaminė jėga. Jei norime tai sumažinti, paprasčiausias būdas yra tiesiog sumažinti lusto dažnį. Tai dažnai yra nepraktiška, nes sulėtina lusto našumą. Kitas variantas yra sumažinti lusto darbinę įtampą. Šiuolaikiniai procesoriai veikia apie 1 V, o lustai - nuo 5 V ir didesnio. Konstruodami tranzistorius veikti esant mažesnei įtampai, galime sumažinti dėl dinaminės galios prarastą šilumą. Dinaminė galia yra priežastis, kodėl procesorius ir GPU įkaista persijungdami. Jūs taip pat padidinate veikimo dažnį ir paprastai įtampą. Kuo jie didesni, tuo daugiau šilumos sukuriama kiekviename cikle.

Paskutinė skaitmeninėje elektronikoje generuojamos šilumos rūšis yra valkata. Mums patinka galvoti apie tranzistorius kaip apie visiškai atidarytus ar uždarytus, bet jie iš tikrųjų taip neveikia. Nedidelis srovės kiekis visada tekės, net jei tranzistorius yra nelaidžios būsenos. Tai labai sudėtinga formulė ir efektas tik blogėja, kai mes vis mažiname tranzistorius žemyn.

Kai mes mažėjame, yra mažiau medžiagos, kuri blokuoja elektronų srautą, kai norime, kad jie būtų uždaryti. Tai yra vienas iš pagrindinių veiksnių, ribojančių naujos kartos lustų našumą, nes nuotėkio galia ir toliau auga su kiekviena karta. Fizikos dėsniai mus užvedė į kampą ir mes panaudojome visas savo išsiveržimo kortas.

Išgerkite tabletę nuo peršalimo: traškučius atvėsinkite

Mes žinome, iš kur gaunama šiluma elektronikoje, bet ką mes galime su ja padaryti? Turime to atsikratyti, nes jei viskas per karšta, tranzistoriai gali pradėti gesti ir sugesti. Terminis droselis yra integruotas mikroschemos aušinimo būdas, jei patys neužtikriname pakankamo aušinimo. Jei vidiniai temperatūros jutikliai ruduoja šiek tiek per daug, mikroschema gali automatiškai sumažinti veikimo dažnį, kad sumažėtų susidarančios šilumos kiekis. Nepaisant to, jūs nenorite, kad tai atsitiktų, ir yra daug geresnių būdų kovoti su nepageidaujama šiluma kompiuterinėje sistemoje.

Kai kuriems lustams iš tikrųjų nereikia išgalvotų aušinimo sprendimų. Apsižvalgykite aplink savo pagrindinę plokštę ir pamatysite dešimtis mažų mikroschemų be aušintuvo. Kaip jie neperkaitina ir nesunaikina savęs? Taip yra todėl, kad iš pradžių jie greičiausiai negamina daug šilumos. Dideli jautienos procesoriai ir GPU gali tiekti šimtus vatų energijos, o mažas tinklas ar garso lustas gali naudoti tik dalį vatų. Šiuo atveju pati pagrindinė plokštė arba išorinė lusto pakuotė gali būti pakankamas aušintuvas, kad lustas būtų vėsus. Paprastai, kai jūs einate virš 1 W, turite apsvarstyti tinkamą šilumos valdymą.

Žaidimo pavadinimas yra toks, kad šiluminė varža tarp medžiagų būtų kuo mažesnė. Mes norime sukurti trumpiausią kelią, kad šiluma iš lusto pasiektų aplinkos orą. Štai kodėl procesoriaus ir grafinio procesoriaus formos yra su integruotais šilumos skirstytuvais (IHS) viršuje. Tikroji viduje esanti mikroschema yra daug mažesnė nei pakuotės dydis, tačiau paskirstydami šilumą platesniame plote galime ją efektyviau atvėsinti. Taip pat svarbu naudoti gerą terminį junginį tarp lusto ir radiatoriaus. Be šio didelio šilumos laidumo kelio šiluma negalėtų lengvai tekėti iš IHS į radiatorių.

Yra dvi pagrindinės aušinimo formos: pasyvus ir aktyvus. Pasyvus aušinimas yra paprastas aušintuvas, pritvirtintas prie lusto, kuris aušinamas aplinkos oro srautu. Medžiaga bus kažkas, turintis didelį šilumos laidumą ir didelį paviršiaus plotą. Tai leidžia perduoti šilumą iš lusto į aplinkinį orą.

Įtampos reguliatoriai ir atminties mikroschemos paprastai išgyvena pasyvų aušinimą, nes jie nesukuria daug šilumos. Kadangi mobiliųjų telefonų procesoriai suprojektuoti taip, kad jų energija būtų labai maža, jie dažnai yra pasyviai aušinami. Kuo didesnis lusto našumas, tuo daugiau energijos jis pagamins ir reikės daugiau aušinimo skysčio. Todėl telefono procesoriai yra mažiau galingi nei darbalaukio klasės procesoriai. Nepakanka aušinimo, kad suspėtum.

Mobilaus telefono procesoriaus šiluminis vaizdas su pasyvia šilumos kriaukle

Kai pateksite į dešimtis vatų, tikriausiai pradėsite galvoti apie aktyvų aušinimą. Tam naudojamas ventiliatorius ar kitas būdas priversti orą per aušintuvą ir jis gali dirbti iki kelių šimtų vatų. Norėdami pasinaudoti tokiu gausiu aušinimu, turime užtikrinti, kad šiluma iš mikroschemos pasklistų po visą aušintuvo paviršių. Tai nebūtų labai naudinga, jei turėtume didelį radiatorių, tačiau jokiu būdu nebuvo galima paimti šilumos.

Veikia skysti aušinimo ir šilumos vamzdžiai. Abu atlieka užduotį kuo daugiau šilumos perduoti iš mikroschemos į aušintuvą ar radiatorių. Skysčio aušinimo agregate šiluma perduodama iš lusto į vandens bloką per šiluminį junginį, pasižymintį dideliu šilumos laidumu. Vandens blokas paprastai yra varis arba kita medžiaga, kuri gerai praleidžia šilumą. Skystis šildo ir kaupia šilumą, kol pasiekia radiatorių, kur jį galima pašildyti. Šilumos vamzdžiai yra labai įprasti mažesnėms sistemoms, tokioms kaip nešiojamieji kompiuteriai, kurie neatitinka skysčio aušinimo sistemos. Palyginti su pagrindiniu variniu vamzdžiu, šilumos vamzdžio nustatymas gali būti 10–100 kartų efektyvesnis, pašalinant šilumą iš lusto.

Šilumos vamzdis yra labai panašus į skysčio aušinimą, tačiau jis taip pat naudoja fazinį perėjimą, kad padidėtų šilumos perdavimas. Šilumos vamzdžių viduje yra skystis, kuris kaitinant virsta garais. Garai juda palei šilumos vamzdį, kol pasiekia šaltą galą ir vėl tampa skysčiu. Skystis grįžta į karštą galą gravitacijos arba kapiliarinis efektas. Šis garinamasis aušinimas yra ta pati priežastis, dėl kurios jaučiate šaltį palikdami dušą ar baseiną. Visais šiais atvejais skystis absorbuoja šilumą virdamas garais, o po to kondensuodamasis išskiria šilumą.

Šilumos vamzdžių šou - „Zootalures“: Vikipedija

Dabar, kai galime išgauti šilumą iš mikroschemos į šilumos vamzdį ar skystį, kaip tą šilumą išleisti į orą? Čia pradeda veikti pelekai ir radiatoriai. Vandens vamzdis arba šilumos vamzdis dalį šilumos perduoda aplinkiniam orui, bet ne per daug. Norint tikrai atvėsinti dalykus, turime padidinti temperatūros gradiento plotą.

Ploni radiatoriai radiatoriuje arba radiatoriuje paskirsto šilumą dideliame paviršiaus plote, leidžiantį efektyviai perduoti ventiliatorių. Plonesni pelekai, tuo daugiau paviršiaus ploto gali tilpti į tam tikrą dydį. Tačiau jei jis yra per plonas, nepakaks kontakto su šilumos vamzdžiu, kad šiluma pirmiausia patektų į pelekus. Tai yra labai gera pusiausvyra, todėl didesnis aušintuvas tam tikrais atvejais gali veikti blogiau nei mažesnis, labiau optimizuotas aušintuvas. Ant Steve'o Žaidėjai „Nexus“ Padarykite puikią schemą, kaip visa tai veikia tipiniame šaltnešyje.

Šaldymo procesas - „Gamers Nexus“

Bet aš noriu atvėsti: eik į dugną!

Visi aušinimo būdai, su kuriais dirbame, tiesiog perduodame šilumą iš karšto lusto į aplinkinį orą. Tai reiškia, kad patalpa, kurioje yra lustas, niekada negali būti vėsesnė nei aplinkos temperatūra. Jei norime atvėsti iki žemesnės aplinkos temperatūros arba turime ką nors didelio, kas turi atvėsti, kaip ir visas duomenų centras, turime pridėti šiek tiek daugiau mokslo. Čia atsiranda aušintuvai ir termoelektriniai aušintuvai.

Termoelektrinis aušinimas, dar vadinamas „Peltier“ įtaisu, šiuo metu nėra labai populiarus, tačiau gali būti labai naudingas. Šie prietaisai vartodami elektrą perduoda šilumą iš vienos šilumos kriauklės pusės į kitą. Specialus termoelektrinė medžiaga Tai gali sukelti elektrinio potencialo ir temperatūros skirtumą. Kai iš vienos prietaiso pusės teka nuolatinė srovė, šiluma perduodama į kitą pusę. Tai užtikrina, kad „šalta“ pusė nukris žemiau aplinkos temperatūros. Šiuo metu šie prietaisai yra labai nišiniai, nes norint pasiekti didelį aušinimą, jiems reikia daug energijos. Tačiau tyrėjai siekia sukurti efektyvesnes versijas didesnėms rinkoms.

Kaip būsenos perėjimai perduoda šilumą, šilumai perduoti galima naudoti skysčio slėgį. Šitaip veikia šaldytuvai, oro kondicionieriai ir daugelis kitų aušinimo sistemų.

Specialus šaltnešis teka per uždarą kilpą, kur jis prasideda kaip garai, yra suspaustas, kondensuotas į skystį, išplėstas ir išgarinamas atgal iki garų būsenos. Šis ciklas kartoja ir perduoda šilumą procese. Kompresoriui reikia energijos, tačiau tokia sistema gali atvėsti iki aplinkos temperatūros. Duomenų centrai ir pastatai gali išlikti vėsūs net karščiausią vasaros dieną.

Standartinis šaldymo ciklas - Keenan Pepper: Vikipedija

Tokios sistemos elektronikoje paprastai yra antros. Pirmiausia įpilkite šilumą iš skiedros į kamerą, o po to išpilkite šilumą iš kameros per garų suspaudimo sistemą. Tačiau, jei reikia papildomų aušinimo funkcijų, ekstremalūs greitintuvai ir efektyvumo mėgėjai gali prijungti specialius aušintuvus prie savo procesorių. Laikini povandeniniai metodai taip pat galimi naudojant tokias medžiagas kaip skystas azotas ar sausas ledas.

Man šalta: apvyniokime

Aušinimas yra tai, ko reikalauja visa elektronika, tačiau jis gali būti įvairių formų. Žaidimo tikslas yra perkelti šilumą iš karšto lusto ar sistemos į šaltesnę aplinką. Jokiu būdu negalima atsikratyti karščio, todėl persikėlimas kur nors, ką visi galime padaryti, nebus problema.

Visa skaitmeninė elektronika gamina šilumą dėl to, kaip veikia jų vidiniai tranzistoriai. Jei negalime atsikratyti šios šilumos, puslaidininkių medžiaga pradės blogėti ir mikroschema gali būti pažeista. Šiluma yra visų elektronikos dizainerių priešas ir yra vienas iš svarbiausių veiksnių, turinčių įtakos veiklos gerinimui. Mes negalime padidinti procesorių ir GPU didesnių, nes nėra gero būdo ką nors galingo atvėsinti. Jūs tiesiog negalite gauti šilumos.

Tikimės, kad dabar labiau įvertinsite mokslą, susijusį su elektronikos palaikymu.