Verbesserte Kühlung des Mikroprozessors. Schema, Beschreibung

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Verbesserte Kühlung von Mikroprozessoren. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

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In letzter Zeit hat sich die Praxis des „Übertaktens“ von Mikroprozessoren, also ihres Betriebs mit einer höheren Taktfrequenz als vom Hersteller vorgeschrieben, durchgesetzt. Dies basiert auf einer großen Reserve an technischen Fähigkeiten von Prozessoren und ist oft (sofern die Motherboard-Chips dies zulassen) völlig gerechtfertigt. Zudem kostet ein schneller Prozessor deutlich mehr als ein langsames Pendant. Eines der Haupthindernisse für eine Erhöhung der Taktfrequenz ist jedoch die unvermeidliche Überhitzung des Prozessors, die eine bessere Wärmeabfuhr von ihm erfordert.

Lassen Sie uns zunächst herausfinden, warum die Temperatur des Mikroprozessors mit zunehmender Taktfrequenz ansteigt und zu welchen Problemen dies führt.

Die vom Prozessor aus der Stromquelle aufgenommene und in Form von Wärme an den umgebenden Raum abgegebene Leistung besteht aus zwei Komponenten: statisch und dynamisch. Der statische Teil der Leistung wird von Logikelementen verbraucht, die sich in einer stabilen Position befinden. Im Allgemeinen hängt es vom Zustand des Elements ab (logisch 0 oder 1), aber da es Millionen davon im Prozessor gibt, bleibt es im Durchschnitt konstant.

Für die Überführung eines Logikelements von einem Zustand in einen anderen wird dynamische Energie aufgewendet. Zu diesem Zeitpunkt öffnen und schließen sich die das Element bildenden Transistoren, die Kapazitäten der Übergänge und Verbindungskreise werden neu aufgeladen und es treten andere Prozesse auf, die zu einem kurzfristigen Anstieg des Stromverbrauchs führen. Es kann davon ausgegangen werden, dass für jede Schaltung ein gewisser Anteil an elektrischer Energie verbraucht wird. Je häufiger das Element schaltet, desto mehr solcher Anteile verbraucht es pro Zeiteinheit und desto mehr Leistung wird verbraucht.

Es muss gesagt werden, dass das Verhältnis zwischen dynamischer und statischer Leistung für logische Elemente unterschiedlichen Typs nicht gleich ist. Beispielsweise haben die schnellsten ECL-Elemente (Emitter-gekoppelte Logik) heute praktisch keine dynamische Komponente und der Stromverbrauch ist nahezu unabhängig von der Frequenz. Elemente der CMOS-Struktur hingegen verbrauchen im statischen Modus nahezu keine Energie. Der gesamte Stromverbrauch ist dynamisch und direkt proportional zur Schaltfrequenz. Andere Arten der Logik nehmen eine Zwischenstellung ein. Jeder LSI, einschließlich eines Mikroprozessors, enthält viele Elemente, manchmal unterschiedlicher Art, und die Menge der freigesetzten Wärmeenergie hängt immer in gewissem Maße von der Betriebsfrequenz (Taktfrequenz) ab und nimmt mit deren Erhöhung zu.

Bekanntermaßen ist die Überhitzung eines wärmeerzeugenden Systems, also der Temperaturunterschied zwischen seiner Oberfläche und der Umgebung, proportional zur Verlustleistung. Entwickler und Hersteller von Mikroprozessoren berücksichtigen dies als einen der Faktoren, die die maximal zulässige Taktfrequenz bestimmen. Mit zunehmender Taktfrequenz steigt zwangsläufig die Temperatur des Mikroprozessors. Auch wenn wir das triviale „Brennen“ vernachlässigen – den kompletten Ausfall der Mikroschaltung – führt eine Überhitzung zu sehr unangenehmen Folgen.

Mit steigender Temperatur verschlechtern sich die Störfestigkeitseigenschaften von Logikelementen. Dies liegt daran, dass der Widerstand offener Transistoren zunimmt und bei geschlossenen abnimmt. Dadurch nähern sich die Pegel der logischen 1 und 0 an und die Störung, deren Amplitude bei normaler Temperatur nicht ausreicht, um das Element zu schalten, wird gefährlich. Es ist erwiesen, dass es eine bestimmte kritische Temperatur gibt, ab der die Ausfallwahrscheinlichkeit stark ansteigt (z. B. von einem Wert in der Größenordnung von 10-15 h-1 auf 10-7 h-1), obwohl das Element weiterhin funktioniert. Bei einem Pentium-II-Prozessor mit 7,5 Millionen Transistoren bedeutet das, dass es fast jede Stunde zu Ausfällen kommt.

Manchmal bleibt ein Fehler unbemerkt und verfälscht beispielsweise nur eine Ziffer des Berechnungsergebnisses. In gefährlicheren Fällen führt es dazu, dass der Steuercomputer dem verwalteten Objekt den falschen Befehl erteilt. Wenn ein Fehler einen Sprungbefehl in einem ausführbaren Programm beschädigt, bleibt der Computer normalerweise hängen und führt eine unsinnige Befehlsfolge aus. Blockierungen sind auch mit einem thermischen Ausfall der am stärksten belasteten Elemente des Prozessors verbunden. Ein solcher Ausfall ist in der Regel reversibel und nach dem Abkühlen im ausgeschalteten Zustand ist die Leistung des Computers wiederhergestellt.

Aus meiner Erfahrung (ich habe einen auf 5 MHz übertakteten AMD 86x133/160) kann ich sagen, dass bei versehentlichem Ausschalten des Lüfters der Prozessor nach acht Stunden Laufzeit „hängen blieb“, nach dem Einschalten des Lüfters aber alles wieder normal war. Messungen (mit einem herkömmlichen Thermometer) ergaben, dass der Prozessor bei einer Oberflächentemperatur über 41 °C zu hängen begann und bei 40 °C normal funktionierte.

Somit führt eine Überhitzung des Mikroprozessors zu einer Zunahme der Fehlerintensität in seinem Betrieb und sogar zu Ausfällen. All dies muss gut verstanden und berücksichtigt werden, wenn versucht wird, den Prozessor auf höhere Taktraten zu übertakten. Die wichtigste Schlussfolgerung ist dies. dass darauf geachtet werden muss, die erhöhte Wärmemenge abzuleiten und den Prozessor auf eine Temperatur unter dem kritischen Wert abzukühlen.

Zur Kühlung werden Kühlkörper eingesetzt – Metallplatten mit ausreichend großer Oberfläche. Leider steigt die Effizienz des Kühlkörpers nicht proportional zu seiner Fläche. Sie wird durch Anblasen der Kühlkörperoberfläche mit einem Ventilator erhöht. Es muss gesagt werden, dass die meisten Prozessoren, die in modernen Computern verwendet werden, für den Betrieb mit einem durchgebrannten Kühlkörper ausgelegt sind (er wird vom Wort cool – kalt als „Kühler“ bezeichnet), ohne den es verboten ist, sie zu betreiben. Wir können also nur über die Steigerung der Effizienz dieses Geräts sprechen.

Glücklicherweise (oder leider) gibt es eine Reserve. Aufgrund der Unebenheiten der Oberfläche haftet der Standardkühlkörper nicht fest am Mikroprozessorgehäuse, da sich zwischen ihnen eine Luftschicht befindet, die die Wärmeübertragung verhindert. Der Wärmewiderstand (der sogenannte Proportionalitätskoeffizient zwischen der Temperaturdifferenz an den Schichtgrenzen und der übertragenen Wärmeleistung, gemessen in Grad pro Watt) der Schicht kann verringert werden, indem man sie dünner macht und mit einer gut wärmeleitenden Substanz füllt. Das erste wird durch Schleifen der Kontaktflächen erreicht, das zweite durch Schmieren mit einer speziellen Paste.

Um das Ziel zu erreichen, muss man ein wenig arbeiten. Auf eine ebene Fläche (besser eine Glasscheibe nehmen) legen Sie Schleifpapier und. Befeuchten Sie es gut mit Maschinenöl und glätten Sie es. Schleifen Sie die Oberfläche des Kühlkörpers ab. neben dem Prozessor. Dies sollte ohne Druck in kreisenden Bewegungen erfolgen, dabei ständig Öl nachfüllen und das Teil so drehen. damit die gesamte Oberfläche des Thermokontaktes gleichmäßig geschliffen wird. Sie müssen mit grobem Schleifpapier beginnen und nach und nach zu einem feineren (bis zu „Null“) übergehen. Wenn die Oberfläche gleichmäßig matt-spiegelnd ist, kann mit dem Schleifen aufgehört und die Wärmeleitpaste aufgetragen werden.

KPT-8-Paste wird manchmal im Handel angeboten, aber das ist selten und nicht überall. In seiner Abwesenheit kann man mit improvisierten Mitteln auskommen. Quecksilber hat von allen Flüssigkeiten die höchste Wärmeleitfähigkeit, sollte jedoch aufgrund der Toxizität der Dämpfe, der elektrischen Leitfähigkeit und der hohen chemischen Aktivität nicht verwendet werden. Es folgt Wasser (Wärmeleitfähigkeit 0,648 W/m rad.), das jedoch elektrisch leitend ist und schnell verdunstet. Von den nicht trocknenden Flüssigkeiten ist die Wärmeleitfähigkeit für Glycerin am höchsten (0,283 W/m rad.). Darüber hinaus nimmt sie mit steigender Temperatur zu (bei anderen Flüssigkeiten nimmt sie ab).

Nehmen Sie etwas Glycerin und geben Sie etwa die doppelte Menge Aluminiumpulver hinzu. Mahlen und rühren Sie diese Mischung gut um, bis eine gleichmäßige, viskose, silbrige Paste entsteht. Es sollte kleben und verschmieren, aber seine Form behalten und sich nicht ausbreiten. Diese Paste leitet keinen Strom. Sie sollten es jedoch trotzdem vermeiden, es auf die Platinen von Computerknoten und Mikroschaltungsstiften zu bekommen. Tragen Sie mit einem Pinsel eine kleine Menge Lamellen auf die Kontaktflächen von Prozessor und Kühlkörper auf. Manche versuchen, mehr zu verteilen, weil sie naiverweise glauben, dass die Paste wärmeleitend ist. es sollte dicker aufgetragen werden. Im Gegenteil: Je kleiner, desto besser. Es ist notwendig, dass die Schicht so dünn wie möglich ist und beide Oberflächen gleichmäßig bedeckt, Luft verdrängt und alle Unregelmäßigkeiten ausfüllt.

Setzen Sie den Kühlkörper vorsichtig auf den Prozessor und bewegen (läppen) Sie ihn leicht, um verbleibende Luft und überschüssige Paste aus dem Spalt zu entfernen. Vergessen Sie nicht, den Kühlkörper und den Lüfter darauf zu befestigen und anzuschließen. Jetzt ist alles fertig. Um dies zu überprüfen, „fahren“ Sie ein paar Stunden lang einen Prozessortest im Troubleshooter-System, und wenn keine Fehler gefunden werden, können Sie beruhigt arbeiten.

Autor: I. Korznikov, Jekaterinburg

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