Мы знаем, что практически все электронные устройства греются, но особенно греются процессоры. И вроде бы это обычное явление, к которому все привыкли. Но почему это происходит? Какие физические процессы за этим стоят и как этого избежать?

Поэтому сегодня мы ответим на фундаментальный вопрос: почему греются процессоры?

Разберем зачем нужен троттлинг? Узнаем, как нагрев мешает закону Мура? И определим можно ли охладить процессор ниже температуры команты?

Что такое тепло?

Для начала давайте освежим в памяти школьную программу по физике. Что вообще такое тепло?

Как вы знаете, мир состоит из атомов и молекул. А тепло — это энергия, которая выделяется или поглощается при столкновении этих молекул. Иными словами, чем быстрее движутся молекулы и чем быстрее они сталкиваются, тем больше тепла выделяется.

Хороший пример — трение. Когда мы быстро трем ладони друг от друга, мы чувствуем тепло, потому как мы в буквальном смысле разгоняем и сталкиваем частицы на поверхности кожи. По такому же принципу мы можем развести костер при помощи палочки. Или разжечь страстное пламя любви, тут тоже трение работает.

Но причем тут процессоры? Откуда тепло берётся там? А всё дело в электричестве. Смотрите.

Тепло и электричество

Сама природа электрического тока подразумевает нагрев. Ведь ток – это упорядоченное движение электронов по проводнику. А где есть движение неизбежно возникнет какое-никакое сопротивление.

Перемещаясь по проводнику электроны перепрыгивают, от молекулы к молекуле, что заставляет их сильнее колебаться, что и приводит к нагреву. И чем выше сопротивление внутри проводника, тем выше нагрев.

По науке этот процесс выражен в законе Джоуля-Ленца «Количество теплоты, выделяемое в единицу времени, пропорционально произведению квадрата силы тока на участке и сопротивлению проводника».

Q = I2Rt

• Q – тепло, которое выделяется в момент прохождения электрического тока по проводу,
• I – значение силы тока,
• R – сопротивление проводника,
• t – время, за которое электрический ток проходит через проводник.

С одной стороны, это свойство электричества нагревать всё и вся, в прямом смысле даёт нам тепло и свет. Всевозможные электрические обогреватели, плиты, чайники, лампы накаливания — все эти приборы используют во благо свойство электрической энергии преобразовываться в тепловую. Но вот в микроэлектронике, нам это сильно мешает. И больше всего от этот страдают центральные процессоры и другие сложные интегральные схемы.

А почему? Давайте разбираться.

Почему греются процессоры?

Итак, процессоры состоят из транзисторов — миниатюрных переключателей с электрическим управлением. Именно эти переключатели создают большие проблемы с нагревом. А виной тому сам принцип, по которому транзистор работает. Смотрите, состоит транзистор из трёх основных частей: исток, сток и затвор.

• Исток — это вход, сюда мы подаем ток.
• Сток — это выход, отсюда ток должен выходить.
• Затвор — это ворота, которые, собственно, либо пропускают ток от истока к стоку, либо не пропускают.

Собственно задача транзистора — переключаться? миллиарды раз в секунду открывать и закрывать ворота. Если ворота закрыты? ток дальше не течет и на выходе мы получаем логический 0, а если ворота открыты — логическую 1.

Но как мы можем открывать и закрывать ворота? Отличный вопрос!

Смотрите, затвор — это, по сути, маленький аккумулятор. Чтобы его открыть, нам нужно его нужно зарядить. Поэтому, что мы делаем? Мы подаем на него напряжение, затвор быстро заряжается и ворота открываются. В этом случае какого-то существенного выделения тепла не происходит, ведь ток свободно течет по цепи.

Но ведь нам нужно не только открывать ворота, но и закрывать их! А что бы их закрыть, нам нужно куда-то очень быстро сбросить заряд с затвора. Мы сбрасываем заряд на “землю”. И именно в этот момент — при каждом таком сбросе — выделяется небольшое количество тепла. А чем чаще мы будем открывать и закрывать эти ворота, тем больше тепла будет выделяться. Иными словами, чем выше тактовая частота процессора, тем больше он будет нагреваться и это совершенно неизбежно.

Именно поэтому, самый популярный способ бороться с перегревом процессора – троттлинг. Когда проц перегревается, это улавливают специальные датчики и система понижает тактовую частоты. Способ неприятный, зато действенный.

Но есть и более приятный вариант – для борьбы с перегревом мы можем уменьшить не частоту, а напряжение. В народе этот способ называется андервольтинг. Кто делал — знает.

Нагрев от переключения транзисторов называют динамическом источником тепла, потому как нагрев тут зависит от частоты переключений.

И это полбеды, ведь существует и статический, то есть постоянный источник тепла. Даже когда транзистор выключен, всё равно на исток подаётся ток. И раньше это не было проблемой. Но по мере уменьшения размеров транзисторов, расстояние между стоком и истоком стало настолько маленьким, а затворы стали настолько тонкими, что электроны стали просто просачиваться, даже если затвор закрыт. И это называется токами утечки. Они приводят не только к дополнительному энергопотреблению современных процессоров, но и к дополнительному нагреву. Токи утечки — основная проблема, сдерживающая прогресс и мешающая выполнению закона Мура.

Охлаждение

Теперь понятно почему процессоры греются? Но можем ли мы как-то их охладить? Конечно, можем! Но есть хорошая и плохая новость.

По закону сохранения энергии мы не можем взмахом волшебной палочки заставить тепло исчезнуть в никуда. Это плохая новость.

Зато, в результате теплообмена мы можем это тепло переместить. Собственно, этим и занимаются все существующие системы охлаждения. Они отводят тепло подальше от процессора и рассеивают на большой поверхности или в воздухе. Многим мобильным процессорам с потреблением 1-5 Вт мощная система охлаждения вообще не нужна. Они могут эффективно рассеивать тепло просто через корпус девайса.

Поэтому поговорим про охлаждение десктопных процессоров.

Чтобы быстро и эффективно отводить тепло нам нужно создать некий беспрепятственный тепловой коридор от кристалла до воздуха. Поэтому кристалл процессора обвешивается максимально теплопроводными материалам.

Для начала создается термосоединение с высокой теплопроводностью: кристалл закрывается металлической крышкой, а эту крышку смазывают термопастой или жидким металлом. А дальше этот бутерброд зажимают сверху либо системой из тепловых трубок, либо жидкостным охлаждением. В чем разница между этими системами?

В целом, они выполняют выполняют одну и ту же задачу – передать максимально возможное количества тепла от чипа к теплоотводу или радиатору, который может дополнительно обуваться кулером.

Просто в случае с жидкостным охлаждением — по трубам тупо течёт вода, которая переносит тепло от чипа большому резервуару с водой — водоблоку. А вот в случае тепловых трубок охлаждение переходит за счет фазового перехода.

Внутри трубок также находится жидкость, но она там не просто течет, а при нагревании превращается в пар, проходит по тепловой трубке, пока не достигнет холодного конца, там пар отдает тепло и конденсируется, то есть обратно становится жидкостью. И дальше, под под действием силы тяжести или капиллярного эффекта жидкость возвращается обратно в горячий конец.

Как правило в больших корпусах, где есть много места и много денег используют жидкостное охлаждение. А вот в ноутбуках юзают тепловые трубки, так как они очень компактны.
Кстати, тепловые трубки чаще всего делают из меди, поскольку она имеет высокую теплопроводность 400 Вт/м*К (Ватт на метр-Кельвин). Но эффективнее было бы делать трубки из алмазов, у которых теплопроводность свыше 2000 Вт/м*К.

Термоэлектростатическое охлаждение

Но есть ли системы, которые позволяют охладить сам процессор ниже температуры помещения? На самом деле есть. И это называется термоэлектрическое охлаждение, также известное как эффект Пельтье.

Принцип работы такой: есть две керамические пластины между которыми зажат полупроводник, когда через одну сторону устройства протекает постоянный ток, тепло передается на другую сторону. И это позволяет «холодной» стороне опуститься ниже температуры окружающей среды. Технология очень перспективная, но пока что невероятно энергозатратная, поэтому используется очень редко. Тем не менее, в будущем вполне возможно, что такие системы охлаждения будут применяться повсеместно.

Но на сегодня это всё. Спасибо за внимание.

Эксперты по игровой периферии, компания Razer создали совместимый с MagSafe охлаждающий вентилятор для iPhone 12 или 13. Но самое главное — тут есть RGB-подсветка.

Новый гаджет представляет собой охлаждающий вентилятор с семью лопастями, который крепится к iPhone с помощью MagSafe и питается от кабеля USB-C, подавая свежий воздух на заднюю стенку смартфона. На внешней стороне кулера находится сетчатое окно, под которым располагаются двенадцать RGB-светодиодов, которыми можно управлять и настраивать, как и любым другим продуктом серии Razer Chroma, через Bluetooth. А если у вас нет iOS-устройств, но вы все равно хотите поднять свои игровые сессии на новый уровень, не волнуйтесь, потому что Razer также выпустила версию кулера с универсальным зажимом.

Razer Phone Cooler Chroma уже доступен на сайте компании по цене 60 долларов США.

На улице жаркий денек, вы на своем ноутбуке решили немного поиграть, запустили игру и уже через полчасика игры на вашем ноуте можно поджарить яичницу, а руки вспотели как после тренировки в спортзале. Знакомая ситуация?

Но кто в этом виноват? Процессор и видеокарта, которые греются как будто только что устроили забег по всем кругам ада или охлаждение, которое скорее разбудит ваших соседей шумом кулеров, чем охладит что-то в компьютере. И что? Неужели охлаждение — это тупик, в который и упрется вся индустрия?

https://youtu.be/BKXd5Jm8AuU

Сегодня попробуем в этом разобраться, а также расскажем вам как совсем скоро это уже изменится и, возможно, мы с вами сможем забыть о перегреве, троттлинге, а ладошки будут потеть только от напряженной катки в «контру».

Проблема охлаждения

Любые вычислительные устройства греются. И проблема их охлаждения — это одна из основных проблем современных компьютеров.

Замечали, что каждый производитель, на каждой презентации, будь то ноутбук или телефон хвастается, что он придумал новую систему охлаждения которая на 5% более эффективна чем раньше?

А что собственно улучшают: придумывают новые вентиляторы, радиаторы, или, более эффективную, водянку или испарительную камеру.

Проблема в том, что есть процессор, который в результате своей работы выделяет тепло и этого тепла много, очень много. Те же Intel Core i9 могут разогревать разогреваться до 95 градусов и это с работающей системой охлаждения.

ARM-процессоры конечно греются меньше в связи с другой архитектурой, но все равно проблема ощутима: смартфоны в жаркий день очень любят попросить их засунуть в холодильник! А что уж говорить о серверах, где проблема охлаждения чуть ли не самая острая.

Давайте посмотрим на датацентр Google в Финляндии! Они построили огромную систему теплообмена, которая работает на отдаче тепла от серверов — морской воде, которая забирается напрямую из холодного Финского Залива! При этом, чтобы уменьшить влияние на окружающую среду, они вынуждены дополнительно разбавлять горячую воду снова перед возвратом ее в море.

При этом Google даже приспособил искусственный интеллект для решения проблем охлаждения. Он разрабатывает более эффективные воздушные потоки, и расположение серверных стоек.

Процессоры и охлаждение

Вы понимаете — охлаждение это огромная головная боль. Если устройство нормально не охлаждается, то тратится огромное количество электроэнергии и уменьшается производительность чипов.

Любые процессоры изначально соприкасаются с охлаждающей системой только через термопасту. А она в свою очередь передает тепло дальше в систему охлаждения. Чтобы улучшить теплообмен производители идут на хитрости, например, делают поверхность чипа очень шершавой, чтобы увеличить площадь поверхности и соответственно улучшить отдачу тепла от процессора к системе охлаждения.

На самом деле, иногда, создается ощущение, что производители чипов и производители систем охлаждения живут порознь и вместе они как-то плохо взаимодействуют.

И основная проблема не в том, что они не знают, что делают, а в том, что они постоянно пытаются улучшить изначально не самую эффективную систему.

Ведь тепло в самом микропроцессоре, в термопасте, да и в медном блоке охлаждения передается только за счет внутренней теплопередачи материала, а это, мягко говоря, не самый быстрый и эффективный процесс.

И вот ученые подумали, а что если добавить каналы охлаждения прямо в процессор? Возможно ли это?

Микроканалы охлаждения

И вот в 2020 году ученые из Политехнической школы в Лозанне, что в Швейцарии, опубликовали статью в очень престижном журнале Nature.

Они задались вопросом: А можно ли как-то встроить очень маленькие каналы для жидкостного охлаждения прямо в чип, в процессе его производства? Ответ — да. Они это сделали. И не просто в процессор!

Они использовали преобразователь электрической энергии, который изначально сильно горячее, чем обычный процессор. И в нем они вытравили маленькие каналы.

Вы ведь помните что такое травление, если нет, то посмотрите наш классный недавний ролик про травление и осаждение.

Насколько же маленькие каналы они создали? Всего 20 микрометров толщиной, что в 2-3 раза тоньше человеческого волоса! И это дало просто взрывной результат!

Они вытравили эти каналы на обратной стороне чипа из Нитрида Галлия, который и занимался преобразованием тока. Эти микроканалы работают как некий объем с огромной площадью поверхности, через которую прокачивали жидкость, это и делает теплоотвод невероятно эффективным.

В результате чип работал всего при 60 градусах Цельсия, когда его обычная температура работы около 250 градусов без каналов! Только вдумайтесь в разницу температуры.

По факту их система охлаждения смогла отводить 1700 Ватт тепла на квадратный сантиметр используя всего 0,5 Ватта мощности насоса, которые уходили на откачку!

Например, процессоры Intel 10 поколения выделяют около 150 Ватт тепла, что сильно меньше того, на что способна эта система охлаждения.

Так что такие показатели, в теории, позволят работать современным процессорам просто при комнатной температуре, при этом сильно снижая энергопотребление на систему охлаждения. Получается, что и о троттлинге можно забыть!

Будущее

Но тут вы можете заметить, что это очередная научная работа! Она наверняка ни к чему не приведет или это случится очень нескоро. Производители чипов не будут перестраивать свои производства под новые типы процессоров. Но это совсем не так!

Суть в том, что для внедрения технологии у производителей уже все есть. Ведь для создания подобных микроканалов опять же надо использовать нашу святую троицу — фотолитографию, травление и осаждение!

В процессе производства просто надо добавить несколько дополнительных шагов!

Конечно — это сделает чипы дороже, но вспомните, что с приходом Экстремальной УФ-литографии общее число шагов сильно сократилось, из-за большего разрешения самой технологии! Так что есть вероятность, что сильно на цену это не повлияет, а эффективность охлаждения и, соответственно, производительность вырастут значительно! И мы бы не были бы собой если бы не рассказали вам о том, что эта технология уже совсем за углом.

Ведь TSMC, буквально недавно анонсировали что они протестировали три типа микроканалов и добились теплоотдачи в 2 КВт на площади 500 квадратных миллиметров и понижение температуры работы чипа на целых 63 градуса.

Конечно тут есть несколько вопросов — во-первых, это только тесты, а во-вторых не очень понятна надежность, ведь от любого удара такой микроканал может дать трещину и все внутри вашего ноутбука зальет охлаждающей жидкостью. Но в любом случае — это уже шаг вперед, ведь это уже тесты непосредственно от чипмейкера, а не просто от ученых!

И тут стоит еще вспомнить о том, что производители активно создают 3D-транзисторы, процессоры на основе технологии Nanosheets, которые позволят сильно увеличить плотность транзисторов на чипе, а значит и увеличить производительность. А в сочетании с новой системой охлаждения это будет просто огромный скачок вперед.

Выводы

Очень интересно посмотреть, когда эта технология появится на рынке и кто первый попробует ее реализовать!

Только представьте — новый чип от AMD с трехкратным увеличением количества транзисторов, который при этом совсем не греется! Звучит как фантастиска, но судя по всему это уже совсем рядом.

Мы же ждем подобного не только в наших гаджетах. Главными победителями тут конечно же станут датацентры по всему миру, которые смогут в разы увеличить свою энергоэффективность, а значит повысится и их скорость работы! В общем, перспективы отличные, осталось дождаться реализации.

Похоже, сотрудники мобильного подразделения Sony умеют держать язык за зубами — до анонса флагманской линейки остаются считанные недели, а информация практически отсутствует. Нет даже достоверного рендера. Впрочем, дизайн Xperia Z5, Z5 Plus и Z5 Compact не должен кардинально отличаться от предшественников.

Cтало известно, что новинка может получить систему водяного охлаждения для решения проблем с перегревом.
(далее…)