सीपीयू और अन्य चिप्स के थर्मोडायनामिक्स को कैसे संभाला जाता है?

Question

मैंने सुना है कि ऐसी प्रणालियों की थर्मल दक्षता को डिजाइन करना बहुत मुश्किल है। मुझे यकीन नहीं है, हालांकि, और मुझे दिलचस्पी है।

एक ओर, मैं शर्त लगाता हूं कि गर्मी किसी तरह सिस्टम में कुल शक्ति का एक कार्य है। दूसरी ओर, जैसा कि अलग-अलग बिट्स फ़्लिप होते हैं, मैं कल्पना करता हूं कि गर्मी मरने के आसपास पलायन करती है।

मरने के आसपास गर्मी कैसे चलती है, और यह सीपीयू के शीतलन को कैसे प्रभावित करता है? क्या गर्मी की गति को समायोजित करने के लिए विशिष्ट क्षतिपूर्ति की जाती है?

Comments

सबसे पहले, Engineering.SE में आपका स्वागत है! जैसा कि आप स्वीकार करते हैं, यह एक बहुत गहरा विषय है, और यह उस विषय पर एक व्यापक प्रश्न है। मैं आपके सुझाव को इस क्षेत्र के अधिक विशिष्ट पहलू तक सीमित करने का सुझाव दूंगा, अन्यथा आपको संतोषजनक उत्तर नहीं मिल सकता है।

— ट्रेवर आर्चीबाल्ड

क्या आप एक संकीर्णता का सुझाव दे सकते हैं? मैं विषय में अच्छी तरह से वाकिफ नहीं हूँ

— baordog

खैर, थर्मो में हम आमतौर पर इस बात से चिंतित होते हैं कि सिस्टम (सीपीयू) कितनी गर्मी पैदा कर रहा है, उस गर्मी को सिस्टम से निकालने में कितनी शक्ति लगेगी, सीपीयू कूलिंग के लिए किस तरह की दक्षता विशिष्ट है, और क्या हो सकती है उस दक्षता में सुधार करने के लिए किया। उन सभी को एक साथ शायद थोड़ा अधिक है, लेकिन एक या दो जवाबदेह होंगे। आप यह भी पूछ सकते हैं कि सीपीयू के चारों ओर गर्मी कैसे चलती है क्योंकि इसका उपयोग अलग-अलग तरीके से किया जाता है, और शीतलन को कौन सी चुनौतियां मिलती हैं।

— ट्रेवर आर्चीबाल्ड

@TrevorArchibald: मेरा मानना ​​है कि एक महान स्टार्टअप एक ऐसा उत्तर होगा जो इन सभी कारकों की सतह को किसी एक में गहराई तक जाने के बजाय स्किम करता है; इसके किसी भी उप-विभाग के विस्तृत विश्लेषण के बजाय सामान्यीकृत समस्या का अवलोकन, कुछ अधिक सूचित दृष्टिकोण से अधिक केंद्रित प्रश्न पूछने के लिए एक प्रारंभिक बिंदु।

— एसएफ।

Answer 1

हीट सिंक डिज़ाइन के थर्मोडायनामिक्स के बारे में सभी बुनियादी मुद्दों को अच्छी तरह से यहाँ प्रस्तुत किया गया है (सुनिश्चित करें कि पृष्ठ के निचले भाग में सुंदर सीएफडी चित्र नहीं हैं)।

यहाँ प्रस्तुत नहीं है कंप्यूटर के मामले में बड़ा फ्लोफील्ड संरचना है। हाल के वर्षों में, 3+ गीगाहर्ट्ज पर सीपीयू की गति प्राप्त करने के लिए पुश के साथ, डिजाइनिंग (1) डक्टेड प्रशंसकों में और साथ ही (2) प्रवाह नलिकाओं को केसिंग में प्रवाहित करने में अधिक काम किया गया है जो मामले के अंदर और बाहर हवा को जल्दी से पारित करते हैं। ।

नलिका प्रशंसकों अधिक जोर का उत्पादन (या अधिक हवा ले जाते हैं) नियमित रूप से प्रशंसकों की तुलना में, क्योंकि वाहिनी कम टिप जो प्रशंसक के उच्चतम वेग बिंदु त्रिज्यात भाषी होने के चारों ओर रिसाव प्रवाह का कारण बनता है। (यह विमानों पर विंग सुझावों के लिए एक समान अवधारणा है)। तो, ब्लेड की नोक प्रशंसक पर जगह है जो हवा को सबसे तेज स्थानांतरित कर सकती है।

आवरण के भीतर प्रवाह नलिकाओं के बारे में , विचार यह है कि गर्मी सिंक पर प्रवाह को तेज करने के लिए एक नोजल के बर्नौली प्रभाव का उपयोग किया जाए ताकि यह गर्मी को जितनी तेजी से दूर कर सके। यह ओवरक्लॉकर्स के लिए विशेष रूप से लोकप्रिय हो गया है जो 4+ गीगाहर्ट्ज की गति तक पहुंचने की कोशिश कर रहा है (जैसे http://www.overclockers.com/ducts-the-cheap-cooling-solution/ )।

तेजी से और तेजी से सीपीयू का उत्पादन करने की इच्छा ने बेहतर शीतलन प्रणाली को डिजाइन करने की आवश्यकता को धक्का दिया है। तरल या नाइट्रोजन कूलिंग जैसे विषयों पर चर्चा नहीं की जाती है, लेकिन सीपीयू को और अधिक कुशलता से ठंडा करने की कोशिश करने के लिए वैकल्पिक तरीके भी हैं, विशेष रूप से 5 गीगाहर्ट्ज से ऊपर की गति पर ओवरक्लॉकिंग के लिए (उदाहरण के लिए देखें http://www.tomshardware.com/reviews/5- ghz-core-i7-980x-overclocking, 2665.html )।

अंत में, मैं आपको कुछ सोचने के लिए छोड़ देता हूं ... मैंने एक बार 10 गीगाहर्ट्ज पर चलने वाले सीपीयू द्वारा उत्पादित गर्मी को सूरज की गर्मी के बराबर सुना है। उस विषय पर यहाँ बहुत अच्छी चर्चा है: http://www.reddit.com/r/askscience/comments/ngv50/why_have_cpus_been_limited_in_frequency_to_raction ।

Answer 2

एक आधुनिक प्रोसेसर चिप के आसपास थर्मल सिस्टम वास्तव में जटिल है और एक प्रमुख डिज़ाइन फ़ोकस है। दोनों विद्युत और आर्थिक कारणों के लिए, एक प्रोसेसर को अलग-अलग ट्रांजिस्टर को छोटा और एक साथ बंद करना अच्छा है। हालांकि, गर्मी इन ट्रांजिस्टर से आती है। कुछ को हर समय केवल इसलिए अलग कर दिया जाता है क्योंकि वे वहां लागू शक्ति के साथ बैठते हैं। एक अन्य घटक केवल तब होता है जब वे राज्यों को स्विच करते हैं। प्रोसेसर के डिज़ाइन किए जाने पर इन दोनों को कुछ हद तक बंद किया जा सकता है।

प्रत्येक ट्रांजिस्टर बहुत अधिक शक्ति का प्रसार नहीं करता है, लेकिन लाखों और लाखों (शाब्दिक) एक छोटे से क्षेत्र में एक साथ crammed होते हैं। यदि यह गर्मी सक्रिय रूप से और आक्रामक रूप से नहीं हटाया गया तो आधुनिक प्रोसेसर 10 सेकंड के सेकंड में खुद को पकाएंगे। 50-100 W एक आधुनिक प्रोसेसर के लिए लाइन से बाहर नहीं है। अब विचार करें कि अधिकांश टांका लगाने वाले लोहा कम से कम चलता है, और एक ही सतह क्षेत्र के साथ धातु का एक हिस्सा गर्म करता है।

समाधान छोटे मरने पर एक बड़ी गर्मी सिंक को जकड़ने के लिए इस्तेमाल किया जाता है। वास्तव में, हीट सिंक प्रोसेसर के समग्र डिजाइन का एक अभिन्न अंग था। पैकेज को मरने से लेकर बाहर तक गर्मी की शक्ति का संचालन करने में सक्षम होना होता है, जहां क्लैंप-ऑन हीट सिंक इसे आगे संचालित कर सकता है और अंततः इसे बहती हवा में प्रसारित कर सकता है।

यह अब बहुत अच्छा नहीं है क्योंकि इन प्रोसेसर का पावर घनत्व अधिक हो गया है। उच्च अंत प्रोसेसर में अब या तो कुछ सक्रिय शीतलन या एक चरण परिवर्तन प्रणाली शामिल होती है, जो गर्मी से मरने तक चलती है जो एल्यूमीनियम या तांबे के माध्यम से सादे पुराने चालन की तुलना में अधिक कुशलता से पंखों को गर्म करती है।

कुछ मामलों में पेल्टियर कूलर कार्यरत हैं। ये सक्रिय रूप से गर्मी को मरने से कहीं और पंप करते हैं जहां हवा के प्रवाह को युगल करना आसान होता है। यह समस्याओं के अपने सेट के साथ आता है। पेलिएटर्स बल्कि अकुशल कूलर हैं, इसलिए इससे छुटकारा पाने के लिए कुल बिजली की जरूरत होती है, जो मरने से पहले फैलने की क्षमता से काफी बड़ी होती है। हालांकि, सक्रिय पम्पिंग कार्रवाई मदद कर सकती है, भले ही विकिरण पंख अंततः बहुत गर्म हो। यह काम करता है क्योंकि विकिरण वाले पंखों के एल्यूमीनियम या तांबे अर्धचालक मरने की तुलना में बहुत अधिक तापमान खड़े कर सकते हैं। सिलिकॉन लगभग 150 ° C पर अर्धचालक की तरह काम करना बंद कर देता है, और वास्तविक सर्किट को नीचे कुछ ऑपरेटिंग मार्जिन की आवश्यकता होती है। हालांकि, हीट सिंक पंख बहुत अधिक तापमान को आसानी से संभाल सकते हैं। एक सक्रिय ताप पंप इस अंतर का उपयोग करता है।

अतीत में बहते तरल नाइट्रोजन के साथ प्रोसेसर को ठंडा किया गया है। यह आज की तकनीक के साथ साधारण डेस्कटॉप पीसी के लिए आर्थिक अर्थ नहीं बनाता है, लेकिन गर्मी प्रबंधन कंप्यूटर की शुरुआत से ही कंप्यूटर डिजाइन का एक महत्वपूर्ण हिस्सा रहा है। यहां तक ​​कि 1950 के दशक में भी, उन सभी वैक्यूम ट्यूबों को एक-दूसरे को पिघलाने से रखने से कुछ ऐसा होता था, जिसे ध्यान से समझना पड़ता था।

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पेल्टियर मॉड्यूल का प्राथमिक लाभ तापमान प्रवणता से आता है: किसी वस्तु (24C के परिवेशी तापमान) में 300C से 200C से 100C से 40C तक ठंडा करना बहुत आसान और तेज़ होता है क्योंकि बिजली अपव्यय वस्तु और तापमान के बीच तापमान अंतर के समानुपाती होता है परिवेश। इस तरह, भले ही फैलने के लिए अधिक गर्मी हो, लेकिन यह बहुत आसान है क्योंकि सीपीयू की तुलना में हीट सिंक काफी अधिक तापमान पर चलता है।

— एसएफ।