Bijna elk stukje moderne elektronica genereert warmte, of we dat nu merken of niet. Zonder deze hitte goed te beheersen, zullen onze elektronische systemen zichzelf vernietigen of, omgekeerd, onze rekencapaciteit ernstig beperken.

De gemiddelde TECH NEWS-lezer zal natuurlijk CPU- en GPU-koeling overwegen, maar waarom heeft RAM geen ventilatoren nodig om koel te blijven? Waarom is er zo'n groot verschil tussen de prestaties van een mobiele processor en een desktopprocessor, hoewel de patronen behoorlijk op elkaar lijken? Waarom beginnen de recente prestatieverbeteringen van nieuwe generatie chips te vertragen?

Het antwoord op dit alles heeft te maken met warmte en de fysica van hoe digitale computers op nanoschaal werken. Dit artikel gaat in op de basiswetenschap van warmte, hoe en waarom het in elektronica wordt geproduceerd en de verschillende methoden die we hebben ontwikkeld om het te beheersen.

Het wordt hier warm: de basisprincipes van warmte

Als je je de natuurkunde van de middelbare school herinnert, is warmte slechts de willekeurige bewegingen van de atomen en moleculen waaruit onze wereld bestaat. Als een molecuul een hogere kinetische energie heeft dan een ander molecuul, zeggen we dat het heter is. Deze warmte kan van het ene object naar het andere worden overgedragen als de twee met elkaar in contact komen totdat ze in evenwicht zijn. Dit betekent dat het hete object een deel van zijn warmte aan het koelere object zal afgeven, wat resulteert in een temperatuur tussen de twee.




De tijd die nodig is om deze warmte over te dragen, warmtegeleiding twee materialen. Thermische geleidbaarheid is de maatstaf voor het vermogen van een materiaal om warmte te geleiden. Een isolator zoals piepschuim heeft een relatief lage thermische geleidbaarheid van 0,03, terwijl een geleider zoals koper een hoge thermische geleidbaarheid heeft van 400. Aan de twee uitersten is de thermische geleidbaarheid van een echt vacuüm 0, en diamant heeft de hoogste bekende thermische geleidbaarheid van meer dan 2000. .




Een ding om te onthouden is dat de hitte altijd kouder wordt, maar er bestaat niet zoiets als "koud". We zien het alleen als "koud" als ze minder warmte hebben dan hun omgeving. Een andere belangrijke definitie die we nodig hebben, is thermische massa, die de traagheid van een object voor temperatuurschommelingen vertegenwoordigt. Met een oven van hetzelfde formaat is het veel gemakkelijker om een ​​enkele kamer in een huis te verwarmen dan een heel huis. Omdat de thermische massa van een kamer veel kleiner is dan de thermische massa van een heel huis.




We kunnen al deze concepten samenbrengen in het eenvoudige voorbeeld van kokend water. Als je het fornuis aanzet, komt de hete vlam in contact met de koelpot. Omdat het materiaal waaruit de pot is opgebouwd een goede warmtegeleider is, wordt de warmte van het vuur aan het water overgedragen totdat het kookt.




De kooktijd is afhankelijk van de verwarmingsmethode, het potmateriaal en de hoeveelheid water. Als je een pan probeert te koken met een kleine aansteker, gaat hij voor altijd mee in vergelijking met het grote vuur op het fornuis. Dit komt doordat de kachel een veel hoger thermisch rendement heeft dan de kleine aansteker gemeten in watt. Als de pan een hogere thermische geleidbaarheid heeft, zal uw water sneller koken omdat er meer warmte aan het water wordt overgedragen. Als je rijk genoeg was, zou een diamanten pot de heilige graal zijn. Ten slotte weten we allemaal dat een kleine waterbak sneller zal verdwijnen dan een veel grotere waterbak. Dit komt doordat er minder thermische massa is om op te warmen met de kleinere pot.

Als u klaar bent met koken, kunt u het water op natuurlijke wijze laten afkoelen. Wanneer dit gebeurt, wordt de warmte van het water afgevoerd naar de koelere ruimte. Omdat de kamer een veel hogere thermische massa heeft dan de pot, verandert de temperatuur niet veel.




Verwarm boom cheerleaders in digitale elektronica

Nu we weten hoe warmte werkt en tussen objecten beweegt, laten we het eerst hebben over waar het vandaan komt. Alle digitale elektronica bestaat uit miljoenen en miljarden transistors. Zie hoofdstuk 3 voor meer informatie over hoe ze werken. Ons werk aan modern CPU-ontwerp.

In wezen zijn transistors elektrisch gestuurde schakelaars die miljarden keren per seconde openen en sluiten. We kunnen er een hoop samenbinden om de structuren van een computerchip te maken.

Wanneer deze transistors in bedrijf zijn, verdelen ze het vermogen van drie bronnen die bekend staan ​​als schakelen, kortsluiting en lekkage. Schakel- en kortsluitvermogen staan ​​bekend als dynamische warmtebronnen omdat ze worden beïnvloed door het openen en sluiten van transistors. Het staat bekend als statisch omdat het lekvermogen constant is en niet wordt beïnvloed door de werking van de transistor.




Twee transistors met elkaar verbonden om een ​​NOT-poort te vormen. NMOS (onder) laat stroom vloeien wanneer open, en pMOS (boven) laat stroom vloeien wanneer gesloten.

We beginnen met het schakelvermogen. Om een ​​transistor aan of uit te zetten, moeten we de poort op aarde (logica 0) of Vdd (logica 1) zetten. Deze toegangspoort is niet zo eenvoudig als alleen het omdraaien van een schakelaar, aangezien hij zeer weinig capaciteit heeft. We kunnen het zien als een kleine oplaadbare batterij. Om de deur te activeren, moeten we de batterij opladen boven een bepaald drempelniveau. Als we klaar zijn om de deur weer te sluiten, moeten we deze last in de grond gieten. Hoewel deze poorten microscopisch klein zijn, hebben moderne chips miljarden en passeren ze miljarden keren per seconde.

Elke keer dat de deurbelasting op de grond wordt gegooid, wordt er een kleine hoeveelheid warmte gegenereerd. Om het schakelvermogen te vinden, vermenigvuldigen we de activiteitsfactor (de gemiddelde verhouding van transistors die in een lus zijn geschakeld), frequentie, poortcapaciteit en het kwadraat van de spanning.

Laten we nu eens kijken naar het kortsluitvermogen. Moderne digitale elektronica maakt gebruik van een techniek die Complementary Metal Oxide Semiconductors (CMOS) wordt genoemd. Transistors zijn zo gerangschikt dat er nooit een direct pad is voor stroom naar de aarde. In het bovenstaande voorbeeld van een NOT-poort zijn er twee complementaire transistors. Als de bovenste open is, is de onderkant gesloten en vice versa. Dit zorgt ervoor dat de output op 0 of 1 staat en de input omgekeerd. Als we de transistors echter in- en uitschakelen, is er een zeer korte tijdsperiode dat beide transistors tegelijkertijd geleiden. Wanneer de ene set sluit en de andere opent, bewegen ze allebei wanneer ze het middelpunt bereiken. Dit is onvermijdelijk en biedt een tijdelijk pad voor stroom om rechtstreeks naar aarde te stromen. We kunnen dit proberen te beperken door transistors tussen de aan en uit-toestanden sneller te maken, maar we kunnen het niet volledig elimineren.

Hoe hoger de werkfrequentie van een chip, hoe meer toestandsveranderingen en meer onmiddellijke kortsluitingen. Dit verhoogt de warmteafgifte van een chip. We vermenigvuldigen de kortsluitstroom, bedrijfsspanning en schakelfrequentie samen om de kortsluitsterkte te vinden.

Beide zijn voorbeelden van dynamische kracht. Als we dit willen verminderen, is de eenvoudigste manier om de frequentie van de chip te verlagen. Dit is vaak onpraktisch omdat het de prestaties van de chip vertraagt. Een andere mogelijkheid is om de bedrijfsspanning van de chip te verlagen. Moderne CPU's draaien rond 1V, terwijl chips op 5V en hoger draaien. Door transistors te ontwerpen die op een lagere spanning werken, kunnen we het warmteverlies door dynamisch vermogen verminderen. Dynamische kracht is de reden waarom je CPU en GPU warm worden tijdens het overklokken. Je verhoogt de werkfrequentie en meestal de spanning. Hoe hoger deze zijn, hoe meer warmte er in elke cyclus wordt gegenereerd.

Het laatste type warmte dat in digitale elektronica wordt gegenereerd, is zwerfvermogen. We beschouwen transistors graag als volledig open of gesloten, maar zo werken ze niet echt. Er zal altijd een kleine hoeveelheid stroom vloeien, zelfs als de transistor niet geleidend is. Dit is een zeer complexe formule en het effect wordt alleen maar erger naarmate we de transistors steeds kleiner maken.

Als we kleiner worden, is er minder materiaal dat de elektronenstroom blokkeert als we willen dat ze worden gesloten. Dit is een van de belangrijkste factoren die de prestaties van de volgende generatie chips beperken, aangezien het lekvermogen met elke generatie blijft toenemen. De wetten van de fysica hebben ons in het nauw gedreven en we hebben al onze ontsnappingskaarten gebruikt.

Neem een ​​koude pil: houd frietjes koel

We weten waar warmte vandaan komt in elektronica, maar wat kunnen we ermee doen? We moeten hiervan af, want als het te warm wordt, kunnen de transistors kapot gaan en beschadigd raken. Thermische throttling is de ingebouwde koelmethode van een chip als we zelf niet voor voldoende koeling zorgen. Als de interne temperatuursensoren iets te veel bruin worden, kan de chip automatisch de werkfrequentie verlagen om de hoeveelheid gegenereerde warmte te verminderen. Dit is echter niet iets dat u wilt laten gebeuren, en er zijn veel betere manieren om met ongewenste hitte in een computersysteem om te gaan.

Sommige chips hebben eigenlijk geen luxe koeloplossingen nodig. Kijk eens rond op je moederbord en je zult tientallen minuscule chipjes zien zonder de koeler. Hoe kunnen ze zichzelf niet oververhitten en vernietigen? Dit komt omdat ze in de eerste plaats waarschijnlijk niet veel warmte genereren. Grote beef-CPU's en GPU's kunnen honderden watt aan stroom dissiperen, terwijl een kleine netwerk- of audiochip maar een fractie van de watt kan gebruiken. In dit geval kan het moederbord zelf of de buitenverpakking van de chip voldoende koeler zijn om de chip koel te houden. Over het algemeen moet u, wanneer u boven de 1 watt gaat, een passend thermisch beheer overwegen.

De naam van het spel hier is om de thermische weerstand tussen materialen zo laag mogelijk te houden. We willen de kortste weg creëren voor de warmte van een chip om de omgevingslucht te bereiken. Daarom worden CPU- en GPU-mallen aan de bovenkant geleverd met geïntegreerde warmteverspreiders (IHS). De eigenlijke chip binnenin is veel kleiner dan de grootte van de verpakking, maar door de warmte over een groter gebied te verspreiden, kunnen we deze efficiënter koelen. Het is ook belangrijk om een ​​goede thermische verbinding te gebruiken tussen de chip en het koellichaam. Zonder dit pad met hoge thermische geleidbaarheid zou de warmte niet gemakkelijk van de IHS naar het koellichaam kunnen stromen.

Er zijn twee hoofdvormen van koeling: passief en actief. Passieve koeling is een eenvoudige koeler die aan de chip is bevestigd en die wordt gekoeld door omgevingslucht. Het materiaal zal iets zijn met een hoge thermische geleidbaarheid en een groot oppervlak. Hierdoor kan het warmte van de chip naar de omringende lucht overbrengen.

Spanningsregelaars en geheugenchips kunnen passieve koeling doorgaans overleven, omdat ze niet veel warmte genereren. Omdat processors voor mobiele telefoons zijn ontworpen met een zeer laag stroomverbruik, worden ze vaak passief gekoeld. Hoe hoger de prestatie van een chip, hoe meer vermogen hij produceert en hoe meer koelvloeistof er nodig is. Daarom zijn telefoonprocessors minder krachtig dan processors van desktopklasse. Er is niet genoeg koeling om bij te blijven.

Thermisch beeld CPU van mobiele telefoon met passieve koellichaam

Als je eenmaal in de tientallen watt bent gestapt, ga je waarschijnlijk nadenken over actieve koeling. Dit maakt gebruik van een ventilator of een andere methode om lucht door de koeler te persen en kan tot enkele honderden watt aan. Om van zoveel koeling te profiteren, moeten we ervoor zorgen dat de warmte zich van de chip naar het hele oppervlak van de koeler verspreidt. Het zou niet erg handig zijn als we een groot koellichaam hadden, maar er was geen manier om de hitte op te nemen.

Vloeistofkoeling en warmtepijpen spelen een rol. Beiden doen de taak om zoveel mogelijk warmte van een chip naar de koeler of radiator over te brengen. In het vloeistofkoelsamenstel wordt warmte overgedragen van de chip naar het waterblok via een thermische verbinding met een hoge thermische geleidbaarheid. Waterblok is meestal koper of een ander materiaal dat warmte goed geleidt. De vloeistof warmt op en slaat de warmte op totdat deze de radiator bereikt waar deze kan worden verwarmd. Heatpipes zijn heel gebruikelijk voor kleinere systemen zoals laptops die niet passen in een opstelling met volledige vloeistofkoeling. In vergelijking met een standaard koperen buis, kan een heatpipe-opstelling 10-100x efficiënter zijn in het verwijderen van warmte van een chip.

Een warmtepijp lijkt sterk op vloeistofkoeling, maar gebruikt ook een faseovergang om de thermische overdracht te vergroten. Er zit een vloeistof in de warmtepijpen die bij verhitting in stoom verandert. De stoom beweegt langs de warmtepijp totdat deze het koude uiteinde bereikt en weer vloeibaar wordt. De vloeistof keert terug naar het hete einde via zwaartekracht of capillair effect. Deze verdampingskoeling is dezelfde reden waarom u het koud heeft wanneer u de douche of het zwembad verlaat. In al deze scenario's absorbeert de vloeistof de warmte tijdens het proces van dampvorming en geeft de warmte vervolgens af nadat deze is gecondenseerd.

Heatpipe-show - Zootalures: Wikipedia

Nu we de warmte van de chip kunnen onttrekken aan een warmtepijp of vloeistof, hoe kunnen we die warmte dan afvoeren naar de lucht? Hier spelen vinnen en radiatoren een rol. Een waterleiding of warmtepijp geeft een deel van zijn warmte af aan de omgevingslucht, maar niet te veel. Om dingen echt af te koelen, moeten we het oppervlak van de temperatuurgradiënt vergroten.

Dunne vinnen in het koellichaam of radiator verspreiden de warmte over een groot oppervlak, waardoor een ventilator efficiënt kan worden getransporteerd. Hoe fijner de vinnen, hoe meer oppervlakte er in een bepaalde maat past. Als het echter te dun is, is er niet genoeg contact met de warmtepijp om de warmte in de eerste plaats in de vinnen te krijgen. Dit is een zeer fijne balans, dus een grotere koeler kan in bepaalde scenario's slechter presteren dan een kleinere, meer geoptimaliseerde koeler. Op Steve Spelers Nexus Maak een geweldig diagram van hoe al deze werken in een typisch koelmiddel.

Koeler proces - Gamers Nexus

Maar ik wil afkoelen: tot op de bodem!

Alle koelmethoden waarmee we werken, door simpelweg warmte van een hete chip naar de omgevingslucht over te brengen. Dit betekent dat de ruimte waarin de chip zich bevindt nooit koeler kan zijn dan de omgevingstemperatuur. Als we willen afkoelen tot lagere omgevingstemperaturen of als we iets groots willen hebben dat moet afkoelen, zoals het hele datacenter, dan moeten we wat meer wetenschap toevoegen. Dit is waar koelers en thermo-elektrische koelers in het spel komen.

Thermo-elektrische koeling, ook wel bekend als een Peltier-apparaat, is op dit moment niet erg populair, maar het kan zeer nuttig zijn. Deze apparaten dragen warmte over van de ene kant van een koellichaam naar de andere door elektriciteit te verbruiken. Een speciale thermo-elektrisch materiaal Het kan een verschil in elektrisch potentieel en temperatuur veroorzaken. Wanneer een gelijkstroom van de ene kant van het apparaat vloeit, wordt warmte overgedragen naar de andere kant. Hierdoor kan de "koude" zijde onder de omgevingstemperatuur dalen. Momenteel zijn deze apparaten erg niche omdat ze veel energie nodig hebben om aanzienlijke koeling te bereiken. Onderzoekers werken echter aan efficiëntere versies voor grotere markten.

Net zoals toestandsovergangen warmte overdragen, kan het veranderen van de druk van een vloeistof worden gebruikt om warmte over te dragen. Koelkasten, airconditioners en vele andere koelsystemen werken op deze manier.

Een speciaal koudemiddel stroomt door een gesloten kringloop waar het begint als een damp, wordt gecomprimeerd, gecondenseerd tot een vloeistof, geëxpandeerd en weer verdampt tot een damptoestand. Deze cyclus herhaalt en draagt ​​warmte over in het proces. De compressor heeft energie nodig, maar zo'n systeem kan afkoelen tot omgevingstemperatuur. Datacenters en gebouwen kunnen zelfs op de heetste zomerdag koel blijven.

Standaard koelcyclus - Keenan Pepper: Wikipedia

Dergelijke systemen zijn over het algemeen de tweede in elektronica. Eerst giet je de warmte van de chip in de kamer en giet je vervolgens de warmte uit de kamer via een dampcompressiesysteem. Extreme overklokkers en liefhebbers van prestaties kunnen echter speciale koelers op hun CPU's aansluiten als ze extra koelprestaties nodig hebben. Tijdelijke onderkoelmethoden zijn ook mogelijk met verbruiksartikelen zoals vloeibare stikstof of droogijs.

Ik heb het koud: laten we inpakken

Koeling is iets dat alle elektronica nodig heeft, maar het kan vele vormen aannemen. Het doel van het spel is om de warmte van de hete chip of het systeem naar een koudere omgeving te verplaatsen. Er is geen manier om van de hitte af te komen, dus ergens naartoe gaan waar we alleen kunnen verhuizen is oké.

Alle digitale elektronica genereert warmte vanwege de manier waarop hun interne transistors werken. Als we deze warmte niet kwijt kunnen, begint het halfgeleidermateriaal te verslechteren en kan de chip beschadigd raken. Warmte is de vijand van alle elektronica-ontwerpers en is een van de belangrijkste factoren die de prestatieverbetering beïnvloeden. We kunnen CPU's en GPU's niet groter maken omdat er geen goede manier is om iets krachtigs te koelen. Je kunt de warmte er gewoon niet uit krijgen.

Hopelijk zul je nu meer waarderen voor alle wetenschap die nodig is om je elektronica koel te houden.