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:

Экраны влияют на детей неравномерно в разном возрасте 01.08.2026

Планшеты и смартфоны давно стали привычной частью повседневной жизни даже самых маленьких детей. Родители часто используют гаджеты, чтобы успокоить малыша или занять его на время, однако ученые все чаще задаются вопросом, как экранное время сказывается на развитии мозга и будущей способности к обучению. Новое исследование показывает, что значение имеет не только продолжительность просмотра, но и возраст, в котором ребенок проводит время перед экраном. Ученые наблюдали детей от рождения до 8 лет. Оказалось, что больше всего экраны влияют на мозг в два периода - в раннем младенческом возрасте и перед поступлением в школу. У детей, много времени проводивших перед экранами в эти возрастные точки, в 9 лет были несколько хуже успехи в обучении, а в 10,5 лет хуже работала рабочая память - способность удерживать и обрабатывать информацию здесь и сейчас. Исследователи из Франции и Сингапура проанализировали данные 502 детей и выделили два ключевых этапа. У младенцев мозг развивается очень ...>>

Умные жилеты, спасающие от жары 01.08.2026

Летняя жара в больших городах все чаще становится серьезным испытанием для людей, работающих на открытом воздухе. Мусорщики, строители и другие специалисты вынуждены проводить часы под палящим солнцем, рискуя перегревом. Китайские инженеры предложили практичное решение - специальные охлаждающие жилеты, которые помогают снизить ощущаемую температуру примерно на 10 градусов. Пока мир страдает от сильной жары, китайские инженеры разработали "умные" жилеты с климат-контролем. Жилеты с кондиционированием почти не отличаются от обычной рабочей одежды. Главное отличие - в системе охлаждения. В городе Нанкин в жилет вмонтированы два вентилятора, работающих от портативных аккумуляторов. Одного заряда хватает на 3-4 часа непрерывной работы. В Чанчжоу решили разместить в карманах охлаждающие элементы с материалом, который при нагревании переходит из твердого состояния в жидкое, активно поглощая тепло. Это поддерживает комфортную температуру в течение 2,5-4 часов. Такие жилеты выглядят почти ...>>

Летающие ветротурбины 3 МВт вышли в серию 31.07.2026

Традиционные ветряные электростанции зависят от силы и стабильности ветра у поверхности земли, где воздушные потоки часто бывают слабыми и порывистыми. На больших высотах ветер обычно сильнее и постояннее, поэтому инженеры уже давно рассматривают возможность подъема турбин в воздух. Китайская компания сделала важный шаг в этом направлении, перейдя от испытаний к мелкосерийному производству. Компания Beijing Linyi Yunchuan Energy Technology запустила мелкосерийное производство летающей ветротурбины S2000, а в провинции Чжэцзян возводят отдельный завод по производству материалов для оболочки аппарата. У компании уже есть предварительные договоренности с прибрежными городами и горными регионами, которые рассматривают возможность использования этой технологии для удовлетворения собственных энергетических потребностей. Прототип, который полгода назад только что поднялся в небо над Сычуанем, теперь превращается в целую отрасль. Идея S2000 проста: вместо того чтобы устанавливать ветряну ...>>

Случайная новость из Архива Искусственное северное сияние 01.09.2005 Еще 30 лет назад в рамках советско-французского эксперимента ученые вызывали искусственное полярное сияние над Архангельской областью, впрыскивая пучки электронов в ионосферу со специально запущенной на высоту 150-200 километров ракеты. А недавно американские ученые сумели повторить этот опыт, не забираясь ввысь. С территории Аляски в небо был направлен пучок радиоволн, и небо загорелось зеленым светом. Эксперимент поможет расшифровать до сих пор не очень понятную природу естественного полярного сияния. А некоторые энтузиасты надеются, что в будущем искусственное полярное сияние можно будет применить для ночного освещения городов и даже для светящейся рекламы в небе. Впрочем, для эксперимента понадобились генератор радиоволн мощностью один мегаватт и антенное поле площадью более гектара. Пожалуй, проще и дешевле освещать города традиционным способом.

Другие интересные новости:

▪ Крысы обнаруживают туберкулез

▪ Болезни выходного дня

▪ Двигатель на сухом льде

▪ Viber Out, альтернатива Skype

▪ Искусственные органические нейроны

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Палиндромы. Подборка статей

▪ статья Из искры возгорится пламя. Крылатое выражение

▪ статья При какой температуре вода имеет максимальную плотность? Подробный ответ

▪ статья Рабочий по сборке оптических средств. Типовая инструкция по охране труда

▪ статья Симисторный термостабилизатор. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Ключ на крючке. Секрет фокуса

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026