Fast jede moderne Elektronik erzeugt Wärme, ob wir es bemerken oder nicht. Ohne diese Wärme richtig zu verwalten, zerstören sich unsere elektronischen Systeme selbst oder schränken umgekehrt unsere Rechenkapazität stark ein.

Der durchschnittliche TECH NEWS-Leser wird natürlich die CPU- und GPU-Kühlung in Betracht ziehen, aber warum braucht RAM keine Lüfter, um kühl zu bleiben? Warum gibt es so große Unterschiede zwischen der Leistung eines mobilen Prozessors und eines Desktop-Prozessors, obwohl die Muster ziemlich ähnlich sind? Warum verlangsamen sich die jüngsten Leistungssteigerungen durch Chips der neuen Generation?

Die Antwort auf all dies hat mit Wärme und der Physik der Funktionsweise digitaler Computer im Nanobereich zu tun. Dieser Artikel befasst sich mit den Grundlagen der Wärme, wie und warum sie in der Elektronik hergestellt wird und den verschiedenen Methoden, die wir entwickelt haben, um sie zu steuern.

Hier wird es warm: die Grundlagen der Wärme

Wenn Sie sich an die Physik der High School erinnern, ist Wärme nur die zufällige Bewegung der Atome und Moleküle, aus denen unsere Welt besteht. Wenn ein Molekül eine höhere kinetische Energie als ein anderes Molekül hat, sagen wir, dass es heißer ist. Diese Wärme kann von einem Objekt auf ein anderes übertragen werden, wenn die beiden in Kontakt kommen, bis sie das Gleichgewicht erreichen. Dies bedeutet, dass das heiße Objekt einen Teil seiner Wärme auf das kühlere Objekt überträgt, was zu einer Temperatur zwischen beiden führt.




Die Zeit, die benötigt wird, um diese Wärme zu übertragen, Wärmeleitfähigkeit zwei Materialien. Die Wärmeleitfähigkeit ist das Maß für die Wärmeleitfähigkeit eines Materials. Ein Isolator wie Styropor hat eine relativ niedrige Wärmeleitfähigkeit von 0,03, während ein Leiter wie Kupfer eine hohe Wärmeleitfähigkeit von 400 hat. An den beiden Extremen beträgt die Wärmeleitfähigkeit eines echten Vakuums 0, und Diamant hat die höchste bekannte Wärmeleitfähigkeit von über 2000. .




Eine Sache, an die man sich erinnern sollte, ist, dass die Hitze immer kälter wird, aber es gibt keine "Kälte". Wir sehen es nur als "kalt" an, wenn sie weniger Wärme haben als ihre Umgebung. Eine weitere wichtige Definition ist die thermische Masse, die die Trägheit eines Objekts gegenüber Temperaturschwankungen darstellt. Mit dem Ofen gleicher Größe ist es viel einfacher, einen einzelnen Raum in einem Haus zu heizen als ein ganzes Haus. Weil die thermische Masse eines Raumes viel geringer ist als die thermische Masse eines ganzen Hauses.




Wir können all diese Konzepte im einfachen Beispiel für kochendes Wasser zusammenführen. Wenn Sie den Ofen einschalten, kommt die heiße Flamme mit dem Kühltopf in Kontakt. Da das Material, aus dem der Topf besteht, ein guter Wärmeleiter ist, wird die Wärme des Feuers auf das Wasser übertragen, bis es kocht.




Die Kochzeit hängt von der Heizmethode, dem Topfmaterial und der Wassermenge ab. Wenn Sie versuchen, einen Topf mit einem kleinen Feuerzeug zu kochen, hält er im Vergleich zum großen Feuer auf dem Herd ewig. Dies liegt daran, dass der Ofen einen viel höheren thermischen Wirkungsgrad aufweist als das in Watt gemessene kleine Feuerzeug. Wenn die Pfanne dann eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist, kocht Ihr Wasser schneller, da mehr Wärme auf das Wasser übertragen wird. Wenn Sie reich genug wären, wäre ein Diamanttopf der heilige Gral. Schließlich wissen wir alle, dass eine kleine Wasserschale schneller verschwindet als eine viel größere Wasserschale. Dies liegt daran, dass mit dem kleineren Topf weniger thermische Masse zum Aufheizen vorhanden ist.

Wenn Sie mit dem Kochen fertig sind, können Sie das Wasser auf natürliche Weise abkühlen lassen. In diesem Fall wird die Wärme aus dem Wasser in den Kühlraum abgegeben. Da die Kammer eine viel höhere thermische Masse als der Topf hat, ändert sich die Temperatur nicht wesentlich.




Heat Tree Cheerleader in der digitalen Elektronik

Nachdem wir nun wissen, wie Wärme funktioniert und sich zwischen Objekten bewegt, wollen wir zunächst darüber sprechen, woher sie kommt. Die gesamte digitale Elektronik besteht aus Millionen und Milliarden von Transistoren. Weitere Informationen zur Funktionsweise finden Sie in Kapitel 3. Unsere Arbeit am modernen CPU-Design.

Transistoren sind im Wesentlichen elektrisch gesteuerte Schalter, die Milliarden Mal pro Sekunde öffnen und schließen. Wir können eine Menge zusammenbinden, um die Strukturen eines Computerchips zu schaffen.

Wenn diese Transistoren in Betrieb sind, verteilen sie Strom aus drei Quellen, die als Schalten, Kurzschließen und Leckage bekannt sind. Schalt- und Kurzschlussleistung werden als dynamische Wärmequellen bezeichnet, da sie durch das Öffnen und Schließen von Transistoren beeinflusst werden. Es ist als statisch bekannt, da die Leckleistung konstant ist und durch den Betrieb des Transistors nicht beeinflusst wird.




Zwei Transistoren, die miteinander verbunden sind, um ein NICHT-Gatter zu bilden. NMOS (unten) lässt Strom fließen, wenn es geöffnet ist, und pMOS (oben) lässt Strom fließen, wenn es geschlossen ist.

Wir beginnen mit der Schaltleistung. Um einen Transistor ein- oder auszuschalten, müssen wir sein Gate auf Masse (logisch 0) oder Vdd (logisch 1) setzen. Dieses Eingangstor ist nicht so einfach wie das Drehen eines Schalters, da es nur eine sehr geringe Kapazität hat. Wir können es uns als einen kleinen Akku vorstellen. Um die Tür zu aktivieren, müssen wir den Akku über einem bestimmten Schwellenwert aufladen. Wenn wir bereit sind, die Tür wieder zu schließen, müssen wir diese Last auf den Boden werfen. Obwohl diese Tore mikroskopisch klein sind, haben moderne Chips Milliarden und passieren Milliarden Mal pro Sekunde.

Jedes Mal, wenn die Türlast auf den Boden geworfen wird, wird eine kleine Wärmemenge erzeugt. Um die Schaltleistung zu ermitteln, multiplizieren wir den Aktivitätsfaktor (das durchschnittliche Verhältnis der in einer Schleife geschalteten Transistoren), die Frequenz, die Gatekapazität und das Quadrat der Spannung.

Schauen wir uns jetzt die Kurzschlussleistung an. Moderne digitale Elektronik verwendet eine Technik namens Complementary Metal Oxide Semiconductors (CMOS). Transistoren sind so angeordnet, dass es niemals einen direkten Weg gibt, über den Strom zur Erde fließen kann. Im obigen Beispiel eines NICHT-Gatters gibt es zwei komplementäre Transistoren. Wenn der obere geöffnet ist, ist der untere geschlossen und umgekehrt. Dies stellt sicher, dass der Ausgang 0 oder 1 ist und der Eingang umgekehrt ist. Wenn wir jedoch die Transistoren ein- und ausschalten, gibt es eine sehr kurze Zeitspanne, in der beide Transistoren gleichzeitig leiten. Wenn ein Satz geschlossen und der andere geöffnet wird, bewegen sich beide, wenn sie den Mittelpunkt erreichen. Dies ist unvermeidlich und bietet einen temporären Pfad, über den Strom direkt zur Erde fließen kann. Wir können versuchen, dies zu begrenzen, indem wir Transistoren zwischen dem Ein- und dem Ausschaltzustand schneller machen, aber wir können es nicht vollständig beseitigen.

Je höher die Betriebsfrequenz eines Chips ist, desto mehr Zustandsänderungen und augenblicklichere Kurzschlüsse. Dies erhöht die Wärmeabgabe eines Chips. Um die Kurzschlussstärke zu ermitteln, multiplizieren wir Kurzschlussstrom, Betriebsspannung und Schaltfrequenz miteinander.

Beide sind Beispiele für dynamische Kraft. Wenn wir dies reduzieren wollen, ist es am einfachsten, die Frequenz des Chips zu reduzieren. Dies ist oft unpraktisch, da es die Leistung des Chips verlangsamt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Betriebsspannung des Chips zu reduzieren. Moderne CPUs laufen mit etwa 1 V, während Chips mit 5 V und mehr betrieben werden. Durch die Entwicklung von Transistoren für den Betrieb bei einer niedrigeren Spannung können wir den Wärmeverlust durch dynamische Leistung reduzieren. Dynamische Leistung ist der Grund, warum Ihre CPU und GPU beim Übertakten heiß werden. Sie erhöhen die Betriebsfrequenz und normalerweise die Spannung. Je höher diese sind, desto mehr Wärme wird in jedem Zyklus erzeugt.

Die letzte Art von Wärme, die in der digitalen Elektronik erzeugt wird, ist Streuleistung. Wir stellen uns Transistoren gerne als vollständig offen oder geschlossen vor, aber sie funktionieren tatsächlich nicht so. Eine kleine Strommenge fließt immer, selbst wenn sich der Transistor in einem nicht leitenden Zustand befindet. Dies ist eine sehr komplexe Formel, und der Effekt verschlechtert sich nur, wenn wir die Transistoren weiter verkleinern.

Wenn wir kleiner werden, gibt es weniger Material, das den Elektronenfluss blockiert, wenn wir möchten, dass sie geschlossen werden. Dies ist einer der Hauptfaktoren, die die Leistung von Chips der nächsten Generation einschränken, da die Leckleistung mit jeder Generation weiter zunimmt. Die Gesetze der Physik haben uns in die Enge getrieben und wir haben alle unsere Breakout-Karten verwendet.

Nehmen Sie eine kalte Pille: Halten Sie die Chips kühl

Wir wissen, woher Wärme in der Elektronik kommt, aber was können wir damit machen? Wir müssen das loswerden, denn wenn es zu heiß wird, können die Transistoren ausfallen und beschädigt werden. Die thermische Drosselung ist die integrierte Kühlmethode eines Chips, wenn wir selbst keine ausreichende Kühlung bereitstellen. Wenn die internen Temperatursensoren etwas zu stark bräunen, kann der Chip die Betriebsfrequenz automatisch senken, um die erzeugte Wärmemenge zu verringern. Dies ist jedoch nicht das, was Sie möchten, und es gibt weitaus bessere Möglichkeiten, mit unerwünschter Hitze in einem Computersystem umzugehen.

Einige Chips benötigen eigentlich keine ausgefallenen Kühllösungen. Schauen Sie sich auf Ihrem Motherboard um und Sie werden Dutzende winziger Chips ohne Kühler sehen. Wie überhitzen und zerstören sie sich nicht? Dies liegt daran, dass sie wahrscheinlich überhaupt nicht viel Wärme erzeugen. Große Rindfleisch-CPUs und GPUs können Hunderte von Watt Leistung verbrauchen, während ein kleines Netzwerk oder ein Audio-Chip nur einen Bruchteil des Watt verbrauchen kann. In diesem Fall kann das Motherboard selbst oder die äußere Verpackung des Chips ein ausreichender Kühler sein, um den Chip kühl zu halten. Wenn Sie über 1 Watt hinausgehen, müssen Sie im Allgemeinen ein angemessenes Wärmemanagement in Betracht ziehen.

Hier geht es darum, den Wärmewiderstand zwischen den Materialien so gering wie möglich zu halten. Wir wollen den kürzesten Weg für die Wärme von einem Chip schaffen, um die Umgebungsluft zu erreichen. Aus diesem Grund sind CPU- und GPU-Formen oben mit integrierten Wärmeverteilern (IHS) ausgestattet. Der tatsächliche Chip im Inneren ist viel kleiner als die Größe des Gehäuses, aber indem wir die Wärme auf einen größeren Bereich verteilen, können wir sie effizienter kühlen. Es ist auch wichtig, eine gute Wärmeleitpaste zwischen dem Chip und dem Kühlkörper zu verwenden. Ohne diesen Pfad mit hoher Wärmeleitfähigkeit könnte die Wärme nicht leicht vom IHS zum Kühlkörper fließen.

Es gibt zwei Hauptformen der Kühlung: passive und aktive. Passive Kühlung ist ein einfacher Kühler, der am Chip angebracht ist und durch den Umgebungsluftstrom gekühlt wird. Das Material wird etwas mit hoher Wärmeleitfähigkeit und großer Oberfläche sein. Dadurch kann Wärme vom Chip an die Umgebungsluft übertragen werden.

Spannungsregler und Speicherchips können die passive Kühlung normalerweise überstehen, da sie nicht viel Wärme erzeugen. Da Mobiltelefonprozessoren auf sehr geringen Stromverbrauch ausgelegt sind, werden sie häufig passiv gekühlt. Je höher die Leistung eines Chips ist, desto mehr Strom wird erzeugt und es wird mehr Kühlmittel benötigt. Daher sind Telefonprozessoren weniger leistungsfähig als Desktop-Prozessoren. Es gibt nicht genug Kühlung, um Schritt zu halten.

Handy-CPU-Wärmebild mit passivem Kühlkörper

Sobald Sie einige zehn Watt erreicht haben, werden Sie wahrscheinlich über eine aktive Kühlung nachdenken. Dies verwendet einen Lüfter oder eine andere Methode, um Luft durch den Kühler zu drücken und kann bis zu mehreren hundert Watt verarbeiten. Um so viel Kühlung nutzen zu können, müssen wir sicherstellen, dass sich die Wärme vom Chip auf die gesamte Oberfläche des Kühlers ausbreitet. Es wäre nicht sehr nützlich, wenn wir einen großen Kühlkörper hätten, aber es gab keine Möglichkeit, die Wärme aufzunehmen.

Flüssigkeitskühlung und Heatpipes kommen ins Spiel. Beide haben die Aufgabe, so viel Wärme wie möglich von einem Chip auf den Kühler oder Kühler zu übertragen. In der Flüssigkeitskühlanordnung wird Wärme über eine Wärmeleitpaste mit hoher Wärmeleitfähigkeit vom Chip auf den Wasserblock übertragen. Wasserblock ist normalerweise Kupfer oder ein anderes Material, das Wärme gut leitet. Die Flüssigkeit erwärmt sich und speichert die Wärme, bis sie den Kühler erreicht, wo sie erwärmt werden kann. Heatpipes sind sehr häufig bei kleineren Systemen wie Laptops, die nicht für eine vollständige Flüssigkeitskühlung geeignet sind. Im Vergleich zu einem einfachen Kupferrohr kann ein Heatpipe-Setup 10-100-mal effizienter sein, um Wärme von einem Chip abzuleiten.

Ein Wärmerohr ist der Flüssigkeitskühlung sehr ähnlich, verwendet jedoch auch einen Phasenübergang, um die Wärmeübertragung zu erhöhen. In den Wärmerohren befindet sich eine Flüssigkeit, die sich beim Erhitzen in Dampf verwandelt. Der Dampf bewegt sich entlang des Wärmerohrs bis zum kalten Ende und wird wieder flüssig. Die Flüssigkeit kehrt über die Schwerkraft oder zum heißen Ende zurück Kapillareffekt. Diese Verdunstungskühlung ist der gleiche Grund, warum Sie sich beim Verlassen der Dusche oder des Pools kalt fühlen. In all diesen Szenarien nimmt die Flüssigkeit die Wärme auf, während sie sich in Dampf verwandelt, und gibt sie nach ihrer Kondensation wieder ab.

Heatpipe Show - Zootalures: Wikipedia

Wie können wir diese Wärme an die Luft abgeben, nachdem wir sie dem Chip und einem Wärmerohr oder einer Flüssigkeit entziehen können? Hier kommen Flossen und Heizkörper ins Spiel. Ein Wasser- oder Wärmerohr überträgt einen Teil seiner Wärme an die Umgebungsluft, jedoch nicht zu viel. Um die Dinge wirklich abzukühlen, müssen wir die Oberfläche des Temperaturgradienten vergrößern.

Dünne Rippen im Kühlkörper oder Kühler verteilen die Wärme auf eine große Oberfläche, sodass ein Lüfter effizient gefördert werden kann. Je feiner die Lamellen sind, desto mehr Oberfläche kann in eine bestimmte Größe passen. Wenn es jedoch zu dünn ist, besteht nicht genügend Kontakt mit dem Wärmerohr, um die Wärme überhaupt in die Rippen zu leiten. Dies ist eine sehr feine Balance, sodass ein größerer Kühler in bestimmten Szenarien möglicherweise schlechter abschneidet als ein kleinerer, optimierterer Kühler. Auf Steve Spieler Nexus Machen Sie ein großartiges Diagramm, wie all dies in einem typischen Kältemittel funktioniert.

Chiller-Prozess - Gamers Nexus

Aber ich möchte mich abkühlen: auf den Grund gehen!

Alle Kühlmethoden, mit denen wir arbeiten, übertragen einfach Wärme von einem heißen Chip an die Umgebungsluft. Dies bedeutet, dass der Raum, in dem sich der Chip befindet, niemals kühler als die Umgebungstemperatur sein kann. Wenn wir uns auf niedrigere Umgebungstemperaturen abkühlen möchten oder etwas Großes haben möchten, das sich wie das gesamte Rechenzentrum abkühlen muss, müssen wir etwas mehr Wissenschaft hinzufügen. Hier kommen Kühler und thermoelektrische Kühler ins Spiel.

Die thermoelektrische Kühlung, auch als Peltier-Gerät bekannt, ist derzeit nicht sehr beliebt, kann jedoch sehr nützlich sein. Diese Geräte übertragen Wärme von einer Seite eines Kühlkörpers auf die andere, indem sie Strom verbrauchen. Ein besonderes thermoelektrisches Material Dies kann zu einem Unterschied im elektrischen Potential und in der Temperatur führen. Wenn ein Gleichstrom von einer Seite des Geräts fließt, wird Wärme auf die andere Seite übertragen. Dadurch kann die "kalte" Seite unter die Umgebungstemperatur fallen. Derzeit sind diese Geräte eine Nische, da sie viel Energie benötigen, um eine signifikante Kühlung zu erreichen. Forscher arbeiten jedoch daran, effizientere Versionen für größere Märkte zu erstellen.

So wie Zustandsübergänge Wärme übertragen, kann die Änderung des Drucks eines Fluids zur Wärmeübertragung verwendet werden. Kühlschränke, Klimaanlagen und viele andere Kühlsysteme funktionieren auf diese Weise.

Ein spezielles Kältemittel fließt durch einen geschlossenen Kreislauf, wo es als Dampf beginnt, komprimiert, zu einer Flüssigkeit kondensiert, expandiert und wieder in einen Dampfzustand verdampft wird. Dieser Zyklus wiederholt und überträgt dabei Wärme. Der Kompressor benötigt Energie, aber ein solches System kann auf Umgebungstemperatur abkühlen. Rechenzentren und Gebäude können auch an den heißesten Sommertagen kühl bleiben.

Standardkühlkreislauf - Keenan Pepper: Wikipedia

Solche Systeme sind in der Elektronik im Allgemeinen an zweiter Stelle. Zuerst gießen Sie die Wärme vom Chip in die Kammer und dann die Wärme durch ein Dampfkompressionssystem aus der Kammer. Extreme Overclocker und Performance-Enthusiasten können jedoch dedizierte Kühler an ihre CPUs anschließen, wenn sie zusätzliche Kühlleistung benötigen. Temporäre Unterkühlungsmethoden sind auch bei Verbrauchsmaterialien wie flüssigem Stickstoff oder Trockeneis möglich.

Mir ist kalt: lass uns wickeln

Die Kühlung ist etwas, was die gesamte Elektronik benötigt, kann jedoch viele Formen annehmen. Das Ziel des Spiels ist es, die Wärme vom heißen Chip oder System in eine kältere Umgebung zu bringen. Es gibt keine Möglichkeit, die Hitze loszuwerden, also ist es in Ordnung, irgendwohin zu ziehen, wo wir nur können.

Die gesamte digitale Elektronik erzeugt aufgrund der Funktionsweise ihrer internen Transistoren Wärme. Wenn wir diese Wärme nicht abführen können, beginnt sich das Halbleitermaterial zu verschlechtern und der Chip kann beschädigt werden. Wärme ist der Feind aller Elektronikdesigner und einer der wichtigsten Faktoren für die Leistungsverbesserung. Wir können CPUs und GPUs nicht größer machen, weil es keinen guten Weg gibt, etwas Mächtiges zu kühlen. Man kann die Hitze einfach nicht rausholen.

Hoffentlich werden Sie jetzt mehr für all die Wissenschaft zu schätzen wissen, die nötig ist, um Ihre Elektronik kühl zu halten.