Улучшение охлаждения микропроцессоров. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Компьютеры

 Комментарии к статье

В последнее время получила широкое распространение практика "разгона" микропроцессоров, т. е. их эксплуатация на более высокой, чем предписано производителем, тактовой частоте. Основано это на большом запасе технических возможностей процессоров и часто (если микросхемы материнской платы позволяют) вполне себя оправдывает. Тем более, что быстрый процессор стоит гораздо дороже медленного аналога. Однако одно из главных препятствий на пути увеличения тактовой частоты - неизбежный перегрев процессора, что требует улучшения отвода от него тепла.

Прежде всего разберемся, почему с повышением тактовой частоты температура микропроцессора увеличивается и к каким неприятностям это приводит.

Мощность, потребляемая процессором от источника питания и рассеиваемая в виде тепла в окружающее пространство, состоит из двух компонент: статической и динамической. Статическую часть мощности потребляют логические элементы, находящиеся в устойчивом положении. В общем случае, она зависит от состояния элемента (логический 0 или 1), но так как в процессоре их миллионы, то в среднем остается постоянной.

Динамическая мощность расходуется на перевод логического элемента из одного состояния в другое. В это время открываются и закрываются образующие элемент транзисторы, перезаряжаются емкости переходов и соединительных цепей, происходят другие процессы, вызывающие кратковременное увеличение потребляемой мощности. Можно считать, что на каждое переключение расходуется определенная порция электрической энергии. Чем с большей частотой переключается элемент, тем больше таких порций он потребляет в единицу времени и тем больше рассеиваемая мощность.

Нужно сказать, что соотношение между динамической и статической мощностью у логических элементов разных типов неодинаково. Например, у самых быстродействующих на сегодня элементов ЭСЛ (эмиттерно-связанной логики) динамическая составляющая практически отсутствует и потребляемая ими мощность почти не зависит от частоты. Элементы структуры КМОП, напротив, почти не расходуют энергию в статическом режиме. Вся потребляемая мощность - динамическая и прямо пропорциональна частоте переключения. Другие типы логики занимают промежуточное положение. Любая БИС, в том числе микропроцессор, содержит множество элементов иногда разных типов, и количество выделяемой тепловой энергии всегда в той или иной степени зависит от рабочей (тактовой) частоты, возрастая с ее повышением.

Как известно, перегрев выделяющей тепло системы, т. е. разность температур ее поверхности и окружающей среды, пропорционален рассеиваемой мощности. Разработчики и изготовители микропроцессоров учитывают это как один из факторов, определяющих максимально-допустимую тактовую частоту. С повышением тактовой частоты температура микропроцессора неизбежно увеличится. Даже если пренебречь тривиальным "сгоранием" - полным отказом микросхемы, перегрев приводит к весьма неприятным последствиям.

С повышением температуры ухудшаются характеристики помехоустойчивости логических элементов. Это происходит из-за того, что сопротивление открытых транзисторов увеличивается, а закрытых - уменьшается. В результате сближаются уровни логических 1 и 0 и помеха, амплитуда которой при нормальной температуре была недостаточной для переключения элемента, становится опасной. Доказано, что имеется некоторая критическая температура, выше которой вероятность сбоя резко возрастает (например, с величины порядка 10-15ч-1 до 10-7 ч-1), хотя элемент продолжает работать. Для процессора Pentium II, содержащего 7,5 млн транзисторов, это означает, что сбои будут происходить почти каждый час.

Сбой иногда проходит незамеченным, испортив, например, всего одну цифру результата вычислений. В более опасных случаях он приводит к выдаче управляющим компьютером неправильной команды управляемому объекту. Когда сбой искажает в исполняемой программе команду перехода, компьютер обычно "зависает", исполняя бессмысленную последовательность команд. Зависания бывают связаны и с тепловым пробоем наиболее нагруженных элементов процессора. Такой пробой обычно обратим, и после охлаждения в выключенном состоянии работоспособность компьютера восстанавливается.

По своему опыту (у меня AMD 5x86/133, разогнанный до 160 МГц) могу сказать, что при случайном отключении вентилятора процессор "завис", проработав восемь часов, но после включения вентилятора все вернулось к норме. Измерения (прикладыванием обычного термометра) показали, что процессор начинал зависать при температуре поверхности выше 41°, а при 40° работал нормально.

Таким образом, перегрев микропроцессора приводит к увеличению интенсивности сбоев в его работе и даже к отказам. Все это необходимо хорошо представлять себе и учитывать, когда предпринимается попытка разогнать процессор до более высоких тактовых частот. Главный вывод состоит в том. что необходимо позаботиться об отводе увеличившегося количества тепла и охлаждении процессора до температуры ниже критической.

Для охлаждения используют теплоотводы - металлические пластины с достаточно большой поверхностью. К сожалению, эффективность теплоотвода не растет пропорционально его площади. Ее увеличивают, обдувая вентилятором поверхность теплоотвода. Нужно сказать, что большинство процессоров, применяемых в современных компьютерах, рассчитано на работу именно с обдуваемым теплоотводом (его называют "кулером" от слова cool - холодный), без которого их эксплуатировать запрещено. Так что речь может идти только о повышении эффективности этого устройства.

К счастью (или к сожалению), резерв есть. Из-за неровности поверхности стандартный теплоотвод прилегает к корпусу микропроцессора неплотно, между ними сохраняется слой воздуха, препятствующий теплопередаче. Тепловое сопротивление (так называется коэффициент пропорциональности между разностью температур на границах слоя и передаваемой тепловой мощностью, измеряется в градусах на ватт) слоя можно уменьшить, сделав его тоньше и заполнив веществом, хорошо проводящим тепло. Первое достигается шлифовкой контактирующих поверхностей, второе - смазыванием их специальной пастой.

Чтобы достичь цели, придется немного потрудиться. На ровную поверхность (лучше взять лист стекла) положите наждачную бумагу и. хорошо смочив ее машинным маслом и расправив, отшлифуйте поверхность теплоотвода. прилегающую к процессору. Делать это нужно без нажима круговыми движениями, постоянно добавляя масло и поворачивая деталь так. чтобы вся поверхность теплового контакта сошлифовывалась равномерно. Начинать нужно с грубой наждачной бумаги, постепенно переходя на более мелкую (вплоть до "нулевки"). Когда поверхность станет равномерно матово-зеркальной, шлифовку можно прекратить и заняться теплопроводящей пастой.

В продаже иногда встречается паста КПТ-8, но это бывает редко и далеко не везде. При ее отсутствии можно обойтись подручными средствами. Из всех жидкостей максимальной теплопроводностью обладает ртуть, но из-за ядовитости паров, электропроводности и высокой химической активности использовать ее не стоит. За ней следует вода (теплопроводность 0,648 Вт/м·рад.), но она электропроводна и быстро испаряется. Из невысыхающих жидкостей теплопроводность максимальна у глицерина (0,283 Вт/м·рад.). К тому же она растет с повышением температуры (у других жидкостей - уменьшается).

Возьмите немного глицерина и добавьте в него примерно в два раза больше по объему алюминиевой пудры. Хорошо перетрите и размешайте эту смесь, чтобы образовалась однородная вязкая паста серебристого цвета. Она должна липнуть и мазаться, но сохранять форму и не растекаться. Эта паста не проводит электрический ток. но все же следует избегать ее попадания на платы узлов компьютера и выводы микросхем. Кистью нанесите немного ласты на контактирующие поверхности процессора и теплоотвода. Некоторые стараются намазать побольше, наивно считая, что раз паста теплопроводящая. ее стоит нанести погуще. Как раз наоборот, чем меньше - тем лучше. Нужно, чтобы слой был как можно тоньше и равномерно покрывал обе поверхности, вытесняя воздух и заполняя все неровности.

Аккуратно установите теплоотвод на процессор и немного подвигайте его (притрите), чтобы вытеснить оставшиеся в зазоре воздух и излишки пасты. Не забудьте закрепить теплоотвод, а на нем вентилятор и подключить его. Теперь все готово. Для проверки "погоняйте" пару часов тест процессора в системе Troubleshooter, и если сбоев не обнаружится, можете спокойно работать.

Автор: И.Корзников, г.Екатеринбург

Смотрите другие статьи раздела Компьютеры.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Впервые преоодолена передача ВИЧ от матери к ребенку 02.01.2026

Проблема вертикальной передачи ВИЧ - от матери к ребенку - остается одной из ключевых задач глобальной медицины. Недавний отчет Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) демонстрирует историческое достижение: Бразилия впервые в своей истории полностью преодолела этот путь передачи вируса. Страна стала 19-й в мире и первой с населением более 100 миллионов человек, которая достигла такого результата. Достижения Бразилии основаны на комплексных медицинских программах, обеспечивающих своевременный доступ к диагностике и терапии для всех слоев населения. ВОЗ официально подтвердило, что уровень передачи ВИЧ от матери к ребенку снизился до менее двух процентов. Более 95% беременных женщин в стране получают регулярный скрининг на ВИЧ и необходимое лечение в рамках стандартного ведения беременности. Изначально программа тестировалась в крупных муниципалитетах и штатах с населением более 100 тысяч человек, а затем была масштабирована на всю страну. Такой подход позволил унифицировать ста ...>>

Нанослой германия увеличивает эффективность солнечных батарей на треть 02.01.2026

Разработка высокоэффективных солнечных батарей остается одной из ключевых задач современной энергетики. Недавнее исследование южнокорейских ученых позволило повысить производительность тонкопленочных солнечных элементов почти на 30%, что открывает новые перспективы для возобновляемых источников энергии, гибкой электроники и сенсорных устройств. Команда исследователей сосредоточилась на элементах на основе моносульфида олова (SnS) - нетоксичного и доступного материала, который идеально подходит для гибких солнечных панелей. До настоящего времени эффективность SnS-устройств оставалась низкой из-за проблем на границе контакта с металлическим электродом. В этой области возникали структурные дефекты, диффузия элементов и электрические потери, что существенно ограничивало возможности таких батарей. "Этот интерфейс был главным барьером для достижения высокой производительности", - отмечает профессор Джейонг Хо из Национального университета Чоннам. Для решения этих проблем ученые предлож ...>>

Электростатическое решение для борьбы с льдом и инеем 01.01.2026

Борьба с льдом и инеем на транспортных средствах и критически важных поверхностях зимой остается сложной и затратной задачей. Ученые из Virginia Tech разработали инновационную технологию, способную разрушать лед и иней без использования тепла или химических реагентов, что открывает новые возможности для безопасной и экологичной зимней эксплуатации транспорта. Исследователи обнаружили, что лед и иней образуют кристаллическую решетку с так называемыми ионными дефектами - заряженными участками, способными перемещаться под воздействием электрического поля. Эти дефекты являются ключом к управлению прочностью льда и его удалением с поверхностей. Когда на замерзшую поверхность подается положительный электрический заряд, отрицательные ионные дефекты притягиваются к источнику поля. Это вызывает разрушение кристаллической решетки льда, в результате чего часть льда буквально "отскакивает" от поверхности. Такой эффект позволяет удалять лед без применения внешнего тепла или химических средств ...>>

Случайная новость из Архива Воздух стал тяжелее, килограмм полегчал 15.07.2005 Килограммовая гиря на самом деле весит на 15 микрограммов меньше положенного. К такому выводу пришли специалисты Парижской палаты мер и весов, где хранится главный эталон килограмма. Дело в том, что в воздухе на каждый предмет действует архимедова выталкивающая сила, значение которой зависит от плотности воздуха. Между тем, когда эталон килограмма создавался, содержание в воздухе аргона было принято в 0,917 процента, а последние измерения дают 0,933 процента. Получается, что была неверно рассчитана плотность воздуха, от которой зависит архимедова сила. При особо точных взвешиваниях эту поправку следует учитывать. Вопрос о том, ошиблись ли физики в своих измерениях более ста лет назад или содержание аргона изменилось за это время, остается открытым.

Другие интересные новости:

▪ Вкус газировки

▪ Мировой океан стал глубже на 8 сантиметров

▪ Плащ-невидимка выравнивает магнитные поля

▪ Создается искусственная кровь

▪ Марсианский грунт пригоден для жизни

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Сборка кубика Рубика. Подборка статей

▪ статья Трое суток шагать, трое суток не спать ради нескольких строчек в газете. Крылатое выражение

▪ Как проходил подъем ФРГ в послевоенный период? Подробный ответ

▪ статья Бузина травяная. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Использование строительного фена при ремонте. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Фруктовые соки испытываем на сахар. Химический опыт

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026