Hemen hemen her modern elektronik parçası, fark etsek de etmesek de ısı üretir. Bu ısıyı düzgün bir şekilde yönetmeden, elektronik sistemlerimiz kendilerini yok edecek ya da tersine, bilgisayar kapasitemizi ciddi şekilde sınırlayacağız.
Ortalama TECH NEWS okuyucusu elbette CPU ve GPU soğutmayı düşünecek, ancak RAM'in serin kalması için neden fanlara ihtiyacı yok? Bir mobil işlemcinin ve bir masaüstü işlemcinin performansı arasında, kalıplar oldukça benzer olmasına rağmen neden bu kadar büyük bir eşitsizlik var? Yeni nesil çiplerden elde edilen son performans kazanımları neden yavaşlamaya başladı?
Tüm bunların cevabı, ısı ve dijital bilgisayarların nano ölçekte nasıl çalıştığının fiziği ile ilgilidir. Bu makale temel ısı bilimine, elektronikte nasıl ve neden üretildiğine ve onu kontrol etmek için geliştirdiğimiz çeşitli yöntemlere değinecektir.
Burada ısınıyor: ısının temelleri
Lise fiziğini hatırlarsanız, ısı sadece dünyamızı oluşturan atomların ve moleküllerin rastgele hareketleridir. Bir molekül başka bir molekülden daha yüksek kinetik enerjiye sahipse, bunun daha sıcak olduğunu söyleriz. Bu ısı, ikisi dengeye ulaşıncaya kadar temas ederse bir nesneden diğerine aktarılabilir. Bu, sıcak nesnenin ısısının bir kısmını soğutucu nesneye transfer edeceği ve sonuçta ikisi arasındaki bir sıcaklık olacağı anlamına gelir.
Bu ısıyı transfer etmek için geçen süre, termal iletkenlik iki malzeme. Termal iletkenlik, bir malzemenin ısı iletme yeteneğinin ölçüsüdür. Strafor gibi bir izolatör, 0.03'lük nispeten düşük bir ısı iletkenliğine sahipken, bakır gibi bir iletken 400'lük yüksek bir termal iletkenliğe sahiptir. İki uçta, gerçek bir vakumun termal iletkenliği 0'dır ve elmas 2000'in üzerinde bilinen en yüksek termal iletkenliğe sahiptir. .
Hatırlanması gereken bir şey, ısının her zaman soğumasıdır, ancak "soğuk" diye bir şey yoktur. Eğer çevrelerinden daha az ısıya sahip iseler biz sadece "soğuk" olarak görüyoruz. İhtiyacımız olan bir diğer önemli tanım, bir nesnenin sıcaklık dalgalanmalarına karşı eylemsizliğini temsil eden termal kütledir. Aynı büyüklükteki fırınla, bir evde tek bir odayı ısıtmak, tüm evi ısıtmaktan çok daha kolaydır. Çünkü bir odanın termal kütlesi tüm bir evin termal kütlesinden çok daha azdır.
Tüm bu kavramları basit kaynar su örneğinde bir araya getirebiliriz. Sobayı açtığınızda, sıcak alev soğutma kabı ile temas edecektir. Tencereyi oluşturan malzeme iyi bir termal iletken olduğundan, ateşten gelen ısı kaynayana kadar suya aktarılacaktır.
Kaynama süresi ısıtma yöntemine, tencere malzemesine ve su miktarına bağlı olacaktır. Bir tencereyi küçük bir çakmakla kaynatmaya çalışırsanız, ocağın büyük ateşine kıyasla sonsuza kadar sürecektir. Bunun nedeni, sobanın Watt cinsinden ölçülen küçük çakmaktan çok daha yüksek bir termal verime sahip olmasıdır. Daha sonra, tencerenin daha yüksek bir ısı iletkenliği varsa, suyunuz daha hızlı kaynar, çünkü ısının daha fazlası suya aktarılacaktır. Eğer yeterince zengin olsaydın, bir elmas kap kutsal kâse olurdu. Son olarak, hepimiz küçük bir su kabının çok daha büyük bir su kabından daha hızlı kaybolacağını biliyoruz. Bunun nedeni, daha küçük tencere ile ısınacak daha az termal kütle olmasıdır.
Pişirmeyi bitirdiğinizde, suyun doğal olarak soğumasını sağlayabilirsiniz. Bu olduğunda, sudan gelen ısı soğutucu odaya atılır. Oda pottan çok daha yüksek bir termal kütleye sahip olduğundan, sıcaklık çok fazla değişmez.
Dijital elektronikte ısı ağacı amigoları
Artık ısının nesneler arasında nasıl çalıştığını ve hareket ettiğini bildiğimize göre, ilk etapta nereden geldiği hakkında konuşalım. Tüm dijital elektronikler milyonlarca ve milyarlarca transistörden oluşur. Nasıl çalıştıklarına daha ayrıntılı bir bakış için, Bölüm 3'e bakın. modern CPU tasarımı üzerine çalışmamız.
Esasen, transistörler saniyede milyarlarca kez açılıp kapanan elektrik kontrollü anahtarlardır. Bir bilgisayar çipinin yapılarını oluşturmak için bir demet bağlayabiliriz.
Bu transistörler çalışırken, anahtarlama, kısa devre ve kaçak olarak bilinen üç kaynaktan gücü dağıtırlar. Anahtarlama ve kısa devre gücü, dinamik ısı kaynakları olarak bilinir, çünkü transistörlerin açılıp kapanmasından etkilenirler. Sızıntı gücü sabit olduğundan ve transistörün çalışmasından etkilenmediğinden statik olarak bilinir.
Bir NOT geçidi oluşturmak için birbirine bağlı iki transistör. NMOS (alt), açıkken akımın akmasına izin verir ve pMOS (üst), kapalı olduğunda akımın akmasına izin verir.
Anahtarlama gücü ile başlayacağız. Bir transistörü açmak veya kapatmak için, kapısını toprağa (mantık 0) veya Vdd (mantık 1) olarak ayarlamamız gerekir. Bu giriş kapısı çok az kapasitansa sahip olduğu için sadece bir anahtarı çevirmek kadar basit değildir. Bunu küçük bir şarj edilebilir pil olarak düşünebiliriz. Kapıyı etkinleştirmek için, pili belirli bir eşik seviyesinin üzerinde şarj etmeliyiz. Kapıyı tekrar kapatmaya hazır olduğumuzda, bu yükü toprağa dökmeliyiz. Bu kapılar mikroskopik olmasına rağmen, modern yongalarda milyarlarca var ve saniyede milyarlarca kez geçiş yapıyorlar.
Kapı yükü toprağa her atıldığında küçük bir miktar ısı oluşur. Anahtarlama gücünü bulmak için, aktivite faktörünü (herhangi bir döngüde anahtarlanan transistörlerin ortalama oranı), frekansı, kapı kapasitansını ve voltajın karesini çarpıyoruz.
Şimdi kısa devre gücüne bakalım. Modern dijital elektronik, Tamamlayıcı Metal Oksit Yarı İletkenler (CMOS) adı verilen bir teknik kullanır. Transistörler, akımın toprağa akması için asla doğrudan bir yol olmayacak şekilde düzenlenmiştir. Yukarıdaki bir NOT geçidi örneğinde, iki tamamlayıcı transistör vardır. En üstteki açık olduğunda, alt taraf kapalı ve tam tersi. Bu, çıkışın 0 veya 1'de olmasını ve girişin tersi olmasını sağlar. Ancak, transistörleri açıp kapadıkça, her iki transistörün de aynı anda iletken olduğu çok kısa bir süre vardır. Bir set kapanırken diğeri açıldığında, ikisi de orta noktaya ulaştıklarında hareket ederler. Bu kaçınılmazdır ve akımın doğrudan toprağa akması için geçici bir yol sağlar. Bunu Açık ve Kapalı durumları arasındaki transistörleri daha hızlı hale getirerek sınırlamaya çalışabiliriz, ancak tamamen ortadan kaldıramayız.
Bir çipin çalışma frekansı arttıkça, daha fazla durum değişikliği ve daha anlık kısa devre vardır. Bu bir çipin ısı çıkışını artırır. Kısa devre gücünü bulmak için kısa devre akımını, çalışma voltajını ve anahtarlama frekansını birlikte çoğaltırız.
Bunların her ikisi de dinamik güç örnekleridir. Bunu azaltmak istiyorsak, en kolay yol sadece çipin frekansını azaltmaktır. Bu genellikle pratik değildir, çünkü çipin performansını yavaşlatır. Başka bir seçenek, çipin çalışma voltajını azaltmaktır. Modern CPU'lar 1V civarında çalışırken cipsler 5V ve üzerinde çalışırdı. Transistörleri daha düşük bir voltajda çalışacak şekilde tasarlayarak, dinamik güçle kaybedilen ısıyı azaltabiliriz. Dinamik güç, overclock yaparken CPU ve GPU'nuzun ısınmasının nedenidir. Çalışma frekansını ve genellikle voltajı da arttırıyorsunuz. Bunlar yükseldikçe, her döngüde daha fazla ısı üretilir.
Dijital elektronikte üretilen son ısı türü kaçak güçtür. Transistörleri tamamen açık veya kapalı olarak düşünmeyi seviyoruz, ancak gerçekte böyle çalışmazlar. Transistör iletken olmayan durumda olsa bile her zaman az miktarda akım akacaktır. Bu çok karmaşık bir formül ve etki sadece transistörleri küçültmeye devam ettikçe kötüleşiyor.
Küçüldüklerinde, elektronların kapalı olmasını istediğimizde akışını engelleyen daha az malzeme vardır. Bu, kaçak gücünün oranı her nesli artırmaya devam ettiğinden, yeni nesil yongaların performansını sınırlayan ana faktörlerden biridir. Fizik yasaları bizi köşeye sıkıştırdı ve hapisten çıkma kartlarımızın hepsini kullandık.
Bir soğuk hap al: cipsleri serin tutma
Elektronikte ısının nereden geldiğini biliyoruz, ama bununla ne yapabiliriz? Bundan kurtulmalıyız çünkü işler çok ısınırsa, transistörler parçalanmaya ve hasar görmeye başlayabilir. Termal azaltma, kendimiz yeterli soğutma sağlamazsak, bir çipin yerleşik soğutma yöntemidir. Dahili sıcaklık sensörleri biraz fazla kızartıyorsa, yonga üretilen ısı miktarını azaltmak için çalışma frekansını otomatik olarak düşürebilir. Bu olsa da olmasını istediğiniz bir şey değildir ve bir bilgisayar sisteminde istenmeyen ısı ile başa çıkmak için çok daha iyi yollar vardır.
Bazı yongaların aslında fantezi soğutma çözümlerine ihtiyacı yoktur. Anakartınızın etrafına bir bakın ve soğutucu olmadan onlarca küçük cips göreceksiniz. Nasıl aşırı ısınmazlar ve kendilerini yok etmezler? Bunun nedeni, ilk etapta muhtemelen çok fazla ısı üretmemeleri. Büyük etli CPU'lar ve GPU'lar yüzlerce Watt gücü dağıtabilirken, küçük bir ağ veya ses yongası yalnızca Watt'ın bir kısmını kullanabilir. Bu durumda, anakartın kendisi veya çipin dış ambalajı, çipi serin tutmak için yeterli bir soğutucu olabilir. Genellikle, 1 Watt'ın üzerine çıktığınızda, uygun termal yönetimi düşünmeniz gerekir.
Buradaki oyunun adı malzemeler arasındaki termal direnci olabildiğince düşük tutmak. Ortam havasına ulaşmak için bir çipten gelen ısı için en kısa yolu oluşturmak istiyoruz. Bu yüzden CPU ve GPU kalıpları üstte entegre ısı yayıcılar (IHS) ile birlikte gelir. İçindeki gerçek çip, paketin boyutundan çok daha küçüktür, ancak ısıyı daha geniş bir alana yayarak, daha verimli bir şekilde soğutabiliriz. Çip ile soğutucu arasında iyi bir termal bileşik kullanmak da önemlidir. Bu yüksek termal iletkenlik yolu olmadan, ısı IHS'den soğutucuya kolayca akamazdı.
İki ana soğutma şekli vardır: pasif ve aktif. Pasif soğutma, ortam hava akışı ile soğutulan çipe takılı basit bir soğutucudır. Malzeme, yüksek termal iletkenliğe ve yüksek yüzey alanına sahip bir şey olacaktır. Bu ısıyı çipten çevreleyen havaya aktarmasını sağlar.
Voltaj regülatörleri ve bellek yongaları, çok fazla ısı üretmedikleri için tipik olarak pasif soğutmayla kurtulabilirler. Cep telefonu işlemcileri çok düşük güç olacak şekilde tasarlandıkları için genellikle pasif olarak soğutulur. Bir çipin performansı ne kadar yüksek olursa, o kadar fazla güç üretecek ve daha fazla soğutucu gerekecektir. Bu nedenle telefon işlemcileri masaüstü sınıfı işlemcilerden daha az güçlüdür. Ayak uydurmak için yeterli soğutma yok.
Pasif soğutma plakalı bir cep telefonu CPU termal görüntüsü
Onlarca Watt'a girdikten sonra, muhtemelen aktif soğutmayı düşünmeye başlayacaksınız. Bu, havayı soğutucu boyunca zorlamak için bir fan veya başka bir yöntem kullanır ve birkaç yüz Watt'a kadar işleyebilir. Bu kadar soğutmadan yararlanmak için ısının çipten soğutucunun tüm yüzeyine yayılmasını sağlamalıyız. Büyük bir soğutucuya sahip olsaydık çok yararlı olmazdı, ancak ısıyı almanın bir yolu yoktu.
Sıvı soğutma ve ısı boruları devreye giriyor. İkisi de bir çipten soğutucuya veya radyatöre mümkün olduğunca fazla ısı aktarma görevini yerine getiriyor. Sıvı soğutma düzeneğinde ısı, çipten su bloğuna yüksek termal iletkenliğe sahip termal bir bileşik aracılığıyla aktarılır. Su bloğu genellikle bakır veya ısıyı iyi ileten başka bir malzemedir. Sıvı ısınır ve ısıtılabileceği radyatöre ulaşana kadar ısıyı depolar. Tam sıvı soğutma kurulumuna uymayan dizüstü bilgisayarlar gibi daha küçük sistemler için ısı boruları çok yaygındır. Temel bir bakır boru ile karşılaştırıldığında, bir ısı borusu kurulumu ısıyı bir çipten uzaklaştırmada 10-100x daha verimli olabilir.
Bir ısı borusu sıvı soğutmaya çok benzer, fakat aynı zamanda termal aktarımı artırmak için bir faz geçişi kullanır. Isı borularının içinde ısıtıldığında buhara dönüşen bir sıvı vardır. Buhar, soğuk uca ulaşıncaya kadar ısı borusu boyunca hareket eder ve tekrar bir sıvı haline gelir. Sıvı yerçekimi yoluyla sıcak uca geri döner veya kılcal etki. Bu evaporatif soğutma, duştan veya havuzdan çıkarken soğuk hissetmenizle aynı nedendir. Tüm bu senaryolarda, sıvı bir buhara dönüşme sürecinde ısıyı emer ve sonra yoğunlaştıktan sonra ısıyı serbest bırakır.
Isı borusu gösterisi - Zootalures: Wikipedia
Şimdi ısıyı çipten ve bir ısı borusuna veya sıvıya çıkarabildiğimize göre, bu ısıyı havaya nasıl boşaltırız? Yüzgeçler ve radyatörler burada devreye girer. Bir su borusu veya ısı borusu ısısının bir kısmını çevreleyen havaya transfer eder, ama çok fazla değil. Bir şeyleri gerçekten soğutmak için sıcaklık gradyanının yüzey alanını artırmamız gerekiyor.
Soğutucu veya radyatördeki ince kanatçıklar, ısıyı geniş bir yüzey alanına yayar ve bu da bir fanın verimli bir şekilde taşınmasını sağlar. Yüzgeçler ne kadar ince olursa, belirli bir boyuta daha fazla yüzey alanı sığabilir. Bununla birlikte, çok inceyse, ilk etapta ısıyı kanatçıklara almak için ısı borusu ile yeterli temas olmaz. Bu çok ince bir dengedir, bu nedenle belirli senaryolarda daha büyük bir soğutucu daha küçük, daha optimize edilmiş bir soğutucudan daha kötü performans gösterebilir. Steve üzerinde Oyuncular Nexus bunların hepsinin tipik bir soğutucuda nasıl çalıştığına dair harika bir diyagram hazırlayın.
Soğutucu işlemi - Gamers Nexus
Ama soğumak istiyorum: alt ortama çıkmak!
Sıcak bir çipten çevreleyen havaya ısının basitçe aktarılmasıyla çalıştığımız tüm soğutma yöntemleri. Bu, çipin içinde bulunduğu odanın ortam sıcaklığından asla daha soğuk olamayacağı anlamına gelir. Alt ortam sıcaklıklarına kadar soğutmak veya tüm veri merkezi gibi soğuması gereken büyük bir şeye sahip olmak istiyorsak, biraz daha bilim eklememiz gerekir. Soğutucuların ve termoelektrik soğutucuların devreye girdiği yer burasıdır.
Peltier cihazı olarak da bilinen termoelektrik soğutma şu anda çok popüler değildir, ancak çok yararlı olma potansiyeline sahiptir. Bu cihazlar, elektrik tüketimiyle ısıyı bir soğutma plakasının bir tarafından diğer tarafına aktarır. Özel bir termoelektrik malzeme elektrik potansiyeli ile sıcaklık farkı yaratabilir. Bir DC akımı cihazın bir tarafından aktığında, ısı diğer tarafa aktarılır. Bu, "soğuk" tarafın ortam sıcaklığının altına düşmesini sağlar. Şu anda bu cihazlar çok nişler çünkü önemli bir soğutma elde etmek için çok fazla enerji gerektiriyorlar. Ancak, araştırmacılar daha büyük pazarlar için daha verimli versiyonlar oluşturmak için çalışıyorlar.
Tıpkı durum geçişlerinin ısıyı aktarması gibi, bir sıvının basıncını değiştirmek de ısıyı aktarmak için kullanılabilir. Buzdolapları, klimalar ve diğer birçok soğutma sistemi bu şekilde çalışır.
Özel bir soğutucu, bir buhar olarak başladığı, sıkıştırıldığı, bir sıvı halinde yoğunlaştırıldığı, genişlediği ve tekrar bir buhar haline buharlaştırıldığı kapalı bir döngüden akar. Bu döngü işlemdeki ısıyı tekrarlar ve aktarır. Kompresör enerji gerektirir, ancak böyle bir sistem ortam sıcaklığına kadar soğuyabilir. Veri merkezleri ve binalar, yazın en sıcak gününde bile serin kalabilirler.
Standart soğutma çevrimi - Keenan Pepper: Wikipedia
Bu tür sistemler elektronik konusunda genellikle ikinci sıradadır. İlk olarak çipten odaya ısıyı dökecek ve daha sonra bir buhar sıkıştırma sistemi aracılığıyla ısıyı odadan dışarıya dökeceksiniz. Ancak, aşırı hız aşırtmacılar ve performans meraklıları, ekstra soğutma performansına ihtiyaç duymaları halinde CPU'larına özel soğutucular bağlayabilir. Sıvı azot veya kuru buz gibi sarf malzemeleri ile geçici aşırı soğutma yöntemleri de mümkündür.
Ben üşüyorum: hadi saralım
Soğutma, tüm elektroniklerin gerektirdiği bir şeydir, ancak birçok şekil alabilir. Oyunun amacı ısıyı sıcak yonga veya sistemden daha soğuk bir ortama taşımaktır. Sıcaktan kurtulmanın hiçbir yolu yok, bu yüzden tek yapabileceğimiz bir yere taşınması sorun olmayacak.
Tüm dijital elektronikler, iç transistörlerinin çalışma şekli nedeniyle ısı üretir. Bu ısıdan kurtulamazsak, yarı iletken malzeme bozulmaya başlar ve çip hasar görebilir. Isı, tüm elektronik tasarımcıların düşmanıdır ve performans artışını etkileyen en önemli faktörlerden biridir. CPU'ları ve GPU'ları daha büyük yapamayız çünkü güçlü bir şeyi soğutmanın iyi bir yolu yoktur. Sadece ısıyı dışarı çıkaramazsın.
Umarım şimdi elektroniklerinizi serin tutmak için olan tüm bilim için daha fazla takdir edersiniz.