Мы знаем, что все электронные устройства нагреваются, но особенно нагреваются процессоры. И вроде бы все к этому привыкли, но почему это происходит? Какие физические процессы стоят за этим и как этого избежать? Поэтому сегодня мы ответим на фундаментальный вопрос: почему процессоры нагреваются? Разберемся, зачем нужен термодроссель, узнаем, как нагрев влияет на закон Мура, и определим, можно ли охладить процессор ниже комнатной температуры. Вас приветствуют ваши друзья. Будет интересно. Поехали! Для начала вспомним школьную программу по физике. Что такое тепло? Как вы знаете, мир состоит из атомов и молекул. А тепло — это энергия, которая выделяется или поглощается при столкновении этих частиц. Иными словами, чем быстрее движутся молекулы и чем чаще они сталкиваются, тем больше тепла выделяется. Хорошим примером является трение: когда мы трём ладони друг о друга, мы чувствуем тепло, потому что разгоняем и сталкиваем частицы на поверхности кожи. По такому же принципу возникает тепло при трении палочек или когда разгорается пламя. Но что это имеет отношение к процессору и откуда в нем берется тепло? Все дело в электричестве. Смотрите, сама природа электричества предполагает сопротивление. Ведь это упорядоченное движение электронов по проводнику, и где есть движение, неизбежно возникает сопротивление. Проходя по проводнику, электроны перепрыгивают от молекулы к молекуле, что заставляет их сильнее колебаться, и это приводит к нагреву. И чем выше сопротивление внутри проводника, тем выше нагрев. В науке этот процесс выражен законом Джоуля-Ленца. Количество выделяемого тепла пропорционально произведению квадрата силы тока и сопротивления проводника R. С одной стороны, это свойство электричества, нагревать все вокруг, полезно. Оно буквально дает нам тепло и свет. Можно вспомнить различные электрические обогреватели, плиты, чайники и, конечно, лампы накаливания. Все эти устройства используют свойство электрической энергии превращаться в тепловую. Но в микроэлектронике это свойство становится проблемой. И больше всего от этого страдают центральные процессоры и другие сложные интегральные схемы. Но почему? Давайте разберемся. Итак, как мы знаем из наших предыдущих видео (вы можете посмотреть и подписаться, чтобы не пропустить), процессоры состоят из транзисторов, электронных переключателей с электрическим управлением. И именно эти переключатели создают проблемы с нагревом, и виной тому сам принцип их работы. Смотрите, транзистор состоит из трех основных частей: исток, сток и затвор. Исток — это вход, сюда подается ток. Сток — это выход, отсюда ток должен выходить. А затвор — это ворота, которые либо пропускают ток от истока к стоку, либо не пропускают. И в общем-то, задача транзисторов — переключать эти ворота. Миллиарды раз в секунду они открывают и закрывают их. Если ворота закрыты, ток не проходит. Мы получаем логическую "0". Но если они открыты, ток проходит, и мы получаем логическую "1". Но как мы можем открывать и закрывать ворота? Отличный вопрос. Смотрите, затвор по сути является маленьким аккумулятором. Чтобы его открыть, нам нужно немного зарядить. Поэтому мы подаем на него напряжение, затвор быстро заряжается, и ворота открываются. В этом случае не происходит существенного выделения тепла, так как ток свободно течет по цепи. Но нам нужно не только открывать, но и закрывать ворота. Для этого нам нужно быстро сбросить заряд затвора. Мы сбрасываем заряд на землю. И именно в этот момент при каждом сбросе выделяется небольшое количество тепла. И чем чаще мы будем открывать и закрывать ворота, тем больше тепла будет выделяться. Иными словами, с повышением тактовой частоты нагрев процессора увеличивается. Это очевидно и доказано. Именно поэтому самый популярный и очевидный способ борьбы с перегревом процессора — это термодроссель. Как он работает? Специальные датчики обнаруживают, когда процессор перегревается, и после этого понижают тактовую частоту, чтобы снизить нагрев. неприятный, зато действенный. Но есть и другой, более приятный способ. Вместо того, чтобы снизить частоту, можно снизить напряжение. В народе это называется "under-volting", кто делал, тот знает. Так вот, нагрев, вызванный переключением транзисторов, называется динамическим источником тепла, потому что он зависит от частоты переключений. И это еще не все, так как существует также статический источник тепла. И дело в том, что даже когда транзистор выключен, все равно происходит утечка электричества. Раньше это не было проблемой, но с уменьшением размеров транзисторов расстояние между стоком и истоком стало настолько маленьким, а затворы стали настолько тонкими, что электроны начали просачиваться. Даже если затвор закрыт, это называется утечкой тока. Она приводит не только к дополнительному энергопотреблению современных процессоров, но и к их дополнительному нагреву. Утечка тока — основная проблема, затрудняющая прогресс и нарушающая законы Мура. Окей, теперь понятно, почему процессор нагревается, но можем ли мы его как-то охладить? Конечно, можем, но есть хорошие и плохие новости. Согласно закону сохранения энергии, мы не можем просто так заставить тепло исчезнуть. Это плохая новость. Однако, мы можем переместить это тепло с помощью систем охлаждения. Они отводят тепло от процессора и рассеивают его на большей поверхности или в воздухе. Правда, многим мобильным процессорам с потреблением от одного до пяти ватт мощная система охлаждения вообще не нужна. Они могут эффективно рассеивать тепло просто через корпус устройства. Поэтому давайте поговорим о системах охлаждения для настольных процессоров. Что нам нужно? Чтобы эффективно отводить тепло, нам нужно создать некий беспрепятственный тепловой путь от кристалла до воздуха. Поэтому задача состоит в том, чтобы максимально использовать теплопроводные материалы для кристалла процессора. Для начала создается термосоединение с высокой теплопроводностью. Кристалл закрывается металлической крышкой, на которую наносится термопаста или жидкий металл. Затем этот "бутерброд" закрепляется сверху либо системой с тепловыми трубками, либо жидкостным охлаждением. В чем разница между этими двумя системами? В целом, они выполняют одну и ту же задачу — максимально передать тепло от чипа к теплопроводу или радиатору, который может быть дополнительно охлажден вентилятором. Просто в случае с жидкостным охлаждением по трубкам просто протекает вода или другая жидкость, которая переносит тепло от чипа к большому резервуару с водой. А в случае с тепловыми трубками охлаждение происходит за счет фазового перехода. Напомню, что внутри трубок также находится жидкость, но она там не просто течет. При нагревании она превращается в пар, проходит по тепловой трубке, пока не достигнет холодного конца. Там пар отдает тепло и конденсируется, то есть снова становится жидкостью, происходит фазовый переход. Затем под действием силы тяжести или капиллярного эффекта жидкость возвращается обратно в горячий конец. Обычно в больших корпусах, где есть много места и бюджет, используют жидкостное охлаждение, а в ноутбуках чаще ставят тепловые трубки, так как они очень компактны. Кстати, тепловые трубки чаще всего делают из меди, так как она имеет высокую теплопроводность — 400 Вт/(м·К). Но было бы еще эффективнее сделать трубки из алмазов, у которых теплопроводность составляет 2000 Вт/(м·К). Но самое интересное во всех этих ухищрениях заключается в том, что чипы внутри наших устройств все равно остаются горячими по сравнению с окружающей средой. 35 градусов для процессора после теста — это хороший результат. Но вот вопрос: существует ли система, которая позволяет охлаждать процессоры ниже температуры окружающей среды? И оказывается, такие системы существуют. Это называется термоэлектрическим охлаждением, также известным как эффект Пельтье. Принцип работы такой: есть две керамические пластины, между которыми находится полупроводник. Когда через одну сторону устройства протекает постоянный ток, тепло переносится на другую сторону. И это позволяет охлаждать холодной стороне. опуститься ниже температуры окружающей среды. Технология очень перспективная, но пока невероятно затратна, как и многие перспективные технологии. Впрочем, не исключено, что в будущем ее усовершенствуют и будут использовать более активно. Но главное, почему важно охлаждать чипы? И дело не только в расходе электроэнергии, что, конечно, тоже критично. Дело в том, о чем мы уже говорили: троттлинг — самый эффективный способ охлаждения процессоров, который снижает их производительность. И если мы сможем достичь способов снижения температуры без потери производительности, это будет еще одним шагом в увеличении мощности электроники без необходимости использования дополнительных нанометров и производств.