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:

Расставание действительно может причинять физическую боль 16.09.2026

Разрыв отношений с близким человеком способно вызывать настолько сильные переживания, что привычное выражение "разбитое сердце" иногда воспринимается почти буквально. Человек может испытывать тревогу, тоску и эмоциональное напряжение, сопровождающиеся вполне реальными телесными ощущениями. Исследования работы мозга показывают, что такая связь между эмоциональными и физическими страданиями может иметь вполне определенную нейробиологическую основу. Эксперимент, позволивший изучить этот вопрос, провела команда психолога Итана Кросса из Мичиганского университета. В исследовании участвовали 40 человек, недавно переживших расставание по инициативе партнера. Все добровольцы продолжали остро реагировать на произошедшее, что позволило исследователям изучить мозговую активность в период наиболее сильных переживаний. Во время эксперимента участников помещали в аппарат магнитно-резонансной томографии. Испытуемым поочередно показывали фотографию бывшего партнера и подвергали предплечье воздей ...>>

Научно доказана невозможность создания нейтринного лазера 16.09.2026

Лазер давно перестал быть исключительно лабораторной технологией: сегодня он используется в связи, медицине, промышленности и научных исследованиях. Поэтому физики периодически предлагают необычные варианты устройств, способных работать по аналогичным принципам, но с другими типами частиц. В 2025 году появилась идея создать лазер, формирующий направленный поток нейтрино. Однако последующий теоретический анализ показал, что привлекательная на первый взгляд концепция сталкивается не просто с техническими трудностями, а с фундаментальными законами квантовой физики. Первоначальную концепцию предложили профессор Массачусетского технологического института (MIT) Джо Формаджио (Joe Formaggio) и Бен Джонс (Ben Jones) из Техасского университета в Арлингтоне. Согласно их замыслу, облако радиоактивных атомов следовало охладить до сверхнизких температур порядка нанокельвинов - миллиардных долей кельвина. В таких условиях атомы могли бы сформировать Бозе - Эйнштейновский конденсат, особое квантов ...>>

Индекс нижнего белья раскрыл состояние швейцарских почв 15.09.2026

Почва кажется обычной частью окружающего нас ландшафта, однако под ее поверхностью существует сложная экосистема, от состояния которой напрямую зависит жизнь человека. Миллиарды микроорганизмов, черви, грибы и другие обитатели почвы перерабатывают органические вещества и участвуют в круговороте питательных элементов. Чтобы привлечь внимание общества к этой мало заметной проблеме, исследователи из Цюрихского университета придумали весьма необычный эксперимент: они закопали более 2000 пар хлопкового нижнего белья в садах, на лугах, полях и газонах по всей Швейцарии. Проект получил название "Доказательство в виде нижнего белья" и представлял собой не массовую шутку, а научный эксперимент, позволяющий наглядно оценить биологическую активность почвы. Исследователи помещали хлопковые изделия в землю, а примерно через два месяца извлекали их и сравнивали степень разрушения ткани. Некоторые образцы за это время практически исчезали, оставляя лишь отдельные фрагменты швов, тогда как на други ...>>

Случайная новость из Архива Водородный жилой комплекс 18.07.2024 В Ульсане, Южная Корея, был открыт уникальный жилой комплекс Yuldong-With-U, который стал первым в мире полностью работающим на водородных топливных элементах. Состоящий из 437 квартир, комплекс обеспечивает все необходимые тепло и электроэнергией благодаря инновационным технологиям. В июне текущего года Yuldong-With-U сумел произвести 840 МВт-ч электроэнергии. Три водородных топливных элемента, размещенных на крыше комплекса, обеспечивали производство 1,31 МВт электроэнергии с использованием 51 кг водорода в час. Этого достаточно для поддержания энергетических нужд четырех средних домохозяйств в течение месяца. Одновременно производится и тепло, которое аккумулируется в тепловом аккумуляторе емкостью 40 тонн. Нагретая вода достигает температуры до 70 °C и распределяется по системе труб, обеспечивая эффективное использование всей выработанной энергии для отопления домов. Ключевым элементом этой инновации является тепловая электростанция Yuldong, расположенная всего в 200 метрах от комплекса. Она использует водород в качестве вторичного продукта, поступающего через 10-километровый трубопровод от близлежащих предприятий. Такой метод производства энергии считается наиболее экономически эффективным по сравнению с альтернативными технологиями. Власти Южной Кореи планируют внести изменения в законодательство об электроэнергетическом бизнесе, чтобы жители могли иметь прямой доступ к экономически эффективной электроэнергии. В настоящее время энергия, производимая комплексом на водородных топливных элементах, продается Корейской электроэнергетической корпорации из-за регуляторных ограничений. Открытие Yuldong-With-U представляет собой значимый шаг в направлении устойчивого развития и использования альтернативных источников энергии в жилищном строительстве. Этот проект демонстрирует потенциал водородных технологий для уменьшения углеродного следа и повышения энергетической независимости городских общин.

Другие интересные новости:

▪ Полярные сияния сигнализируют об опасности для критической инфраструктуры Земли

▪ Германия отказывается от автомобилей с ДВС

▪ Опасность связи 5G для здоровья пчел

▪ Конденсаторы для автомобилей с гибридным запуском

▪ Коллективное туннелирование электронов

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Параметры, аналоги, маркировка радиодеталей. Подборка статей

▪ статья Лейкопластырь. История изобретения и производства

▪ статья Насколько широко в Средневековье использовались пытки железной девой? Подробный ответ

▪ статья Карлсбадские пещеры. Чудо природы

▪ статья Средства для удаления мозолей. Простые рецепты и советы

▪ статья Охлаждение испарением. Физический эксперимент

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026