Dlaczego procesory nie są chłodzone od dołu, a także od góry?

Bity tranzystorowe układu scalonego znajdują się w przybliżeniu pośrodku opakowania (plastikowego lub ceramicznego). Czasami się nagrzewają, a my je ochładzamy, umieszczając radiator po jednej stronie. Czasami po prostu nadmuchujemy je wentylatorem. Część tego ciepła rozchodzi się w górę, ale niektóre muszą również schodzić w dół w kierunku płytki drukowanej. Nie znam stosunku. Poniżej spód procesora Intel Core i7-7700K rozpraszający 91 W ciepła:

Istnieje wiele padów połączeniowych. Najwyraźniej działają one jak wiele mikro radiatorów, które przenoszą znaczną część ciepła do gniazda / płytki drukowanej. Rzeczywiście wiele elementów montowanych na powierzchni rozprasza ciepło przez (zaszyte) warstwy miedzi.

Jeśli więc chłodzenie jest ważne (jak w przypadku społeczności zajmującej się podkręcaniem procesorów), dlaczego procesory nie są chłodzone również spod płytki PCB, powiedzmy wentylatorem?

EDYTOWAĆ:

Chociaż poniższe komentarze są całkowicie negatywne, istnieją dwa nowe elementy. Po pierwsze, na Overclock znajduje się długi wątek sugerujący, że znaczna liczba stopni może zostać zdjęta z temperatury procesora za pomocą wentylatora na płycie tylnej. I po drugie, spróbowałem (co prawda tylko z Raspberry Pi). Górną część przykryłem szmatką, aby odizolować procesor Broadcom, jednocześnie chłodząc spód tylko wentylatorem 60 mm. Wentylator obniżył maksymalną temperaturę procesora z 82 stopni. do 49. Nieźle, więc myślę, że ten pomysł ma nogi ...

Nie są chłodzone od dołu, ponieważ mają szpilki na dole, a FR4 poniżej.

Możliwe, że nie chcesz otaczać sygnałów metalem, który drastycznie zmieni impedancję, więc metal na dole jest większym problemem. Jeśli zbudowałeś gniazdo z metalu, musiałoby to być mikroobróbka, która byłaby wielokrotnie droższa niż gniazdo formowane wtryskowo z tworzywa sztucznego. Te rzeczy uniemożliwiłyby zbudowanie gniazda procesora, które odprowadzałoby ciepło.

Możesz umieścić blok chłodzący na spodzie płyty, ale materiał na płytkę drukowaną (FR4) znacznie zmniejszy chłodzenie.

Chłodzenie nie jest ważne , jest kluczowe . Nowoczesny procesor może z łatwością wydobyć coś między 15 W a 200 W z matrycy o powierzchni kilku cm². Jeśli nie odprowadzasz tego ciepła, chip musi przestać działać, zwolnić lub: po prostu się spalić.

W ten sposób: gdzie stamtąd oddajesz ciepło? Powierzchnia chłodząca płyty głównej jest bardzo ograniczona w porównaniu z powierzchnią korpusu procesora. Zdolność przenoszenia ciepła warstw miedzi nie jest zła sama w sobie, ale w porównaniu z masywnym blokiem miedzi i aluminium (i często konwekcyjnymi rurami cieplnymi) jest znikoma.

Następnie: sama płyta główna często nie jest najfajniejszym miejscem, szczególnie w pobliżu procesora. Tam znajduje się cały łańcuch zasilania procesora. Ma to dobrą wydajność, ale przy obciążeniu kilkudziesięciu amperów i szybko zmieniających się scenariuszach obciążenia nic dziwnego, że te konwertery również się nagrzewają.

Jestem pewien, że w niestandardowych wersjach High Performance Computing i wojskowych znajdziesz wyspecjalizowane pakiety CPU, które zapewniają dostęp od spodu do części procesora, ale w procesorach głównego nurtu z gniazdami, to po prostu niemożliwe, aby było to zbyt korzystne mechanicznie ani termicznie.

Pamiętaj, że nie dotyczy to wszystkich procesorów. Jeśli wejdziesz do sektora osadzonego, często znajdziesz mniejsze procesory z radiatorem na środku. Wydaje się to niemożliwe w przypadku większych procesorów.

Jestem pewien, że Intel i AMD nie umieściłyby tych pasywów na spodzie swoich procesorów, gdyby mogli tego uniknąć. W rzeczywistości spójrz na to zdjęcie: zielona tablica, na którą patrzysz, nie jest kością, to nośnik płytki drukowanej, do którego jest podłączona; jest to cena technologiczna, którą płacisz za to, że możesz tanio masowo produkować wymienne procesory, a nie tylko przylutować do nich płyty główne z procesorami Kulka z mikroukładem - i nie możesz tego całkowicie, nawet teoretycznie, ponieważ ciepło z tego procesora jest tyle, że metalowa płaszczyzna rozpraszająca ciepło musi być do niej dopasowana ciśnieniowo, a można skutecznie zrobić to tylko mechanicznie, dzięki matrycy na jakimś podłożu.

Odpowiedź, która nie została jeszcze udzielona, ​​wynika z ich budowy. Procesory używane w komputerach i laptopach nie są (przynajmniej o ile mi wiadomo) pełnymi układami typu flip-chip. Mają po prostu zbyt wiele połączeń, aby można było łatwo przerzucić chip na prostym procesie PCB stosowanym na płytach głównych. Mam tu na myśli prostotę w porównaniu z procesami potrzebnymi do aplikacji RF / fal milimetrowych lub procesem, który pozwala na gęstości, w których naprawdę można rozwinąć ponad 1000 pinów na kilku milimetrach kwadratowych.

Z tego powodu matryce procesora są zawsze odwracane na układ pośredniczący. Jest to często ceramika i wykonana z wielu warstw. Oto przykład z wikipedii. Widzisz 5 oddzielnych matryc na tym pakiecie, oprócz dużej ilości małych pasywów wokół krawędzi (z tego, co mogę powiedzieć, to w rzeczywistości jeszcze bardziej złożony stos, z silikonowym układem pośredniczącym do łączenia różnych matryc i następnie nakłada się go na ceramiczną przekładkę).

Dlaczego to wszystko ma znaczenie? Sugerujesz, że musisz być w stanie skutecznie przenosić ciepło przez piny procesora. Jednak tak nie jest z powodu tego pośrednika. To nie jest jak duże urządzenie zasilające, w którym duży metalowy bit jest faktycznie podłączony do krzemu - między nimi jest wiele rzeczy.

W rezultacie przewodność cieplna od matrycy do pinów jest wciąż niska - więc nawet gdybyś znalazł jakiś bardzo sprytny sposób na pozbycie się ciepła z tych pinów, nie zobaczyłbyś żadnej poprawy, ponieważ nadal będziesz miał do czynienia o rząd wielkości większy opór cieplny w porównaniu do metalowego rozpraszacza ciepła, który ma bezpośredni kontakt z górną częścią krzemu.

Jeśli wybierzesz procesory używane w telefonach lub urządzeniach wbudowanych, które są „dolnym radiatorem”, sprawy wyglądają inaczej. Tutaj nie używają podejścia typu flip-chip. W środku BGA będą miały metalowe miejsce, do którego matryca jest przymocowana termicznie (zwykle jest to również szlifowane). Następnie używają drutów łączących, aby połączyć wszystkie piny, wciąż używając formy interposer z metalem pośrodku (lub środkowy metal to tylko wiązka przelotek, aby uzyskać niską przewodność cieplną). Oznacza to, że między centralną podkładką chłodzącą a stykami BGA jest o wiele mniej materiału, co pozwala na znacznie wydajniejszy transfer ciepła.

Część tego ciepła rozchodzi się w górę, ale niektóre muszą również schodzić w dół w kierunku płytki drukowanej. Nie znam stosunku.

To prawda, ciepło rozchodzi się we wszystkich kierunkach. Niestety szybkość propagacji (znana także jako odporność termiczna) jest bardzo różna.

Procesor musi być w jakiś sposób połączony z urządzeniami peryferyjnymi / pamięcią, więc ma do tego 1000 - 2000 pinów. Dlatego należy zapewnić ścieżkę elektryczną (wentylator), która odbywa się za pomocą technologii płytek drukowanych. Niestety, nawet jeśli zostanie zaimpregnowany wiązką drutów / warstw miedzi, cała płytka PCB nie przewodzi ciepła zbyt dobrze. Jest to jednak nieuniknione - potrzebujesz połączeń.

Wczesne procesory (i386-i486) były chłodzone głównie ścieżką PCB, na początku lat 90-tych procesory komputerowe nie miały radiatora na górze. Wiele układów scalonych z tradycyjnym mocowaniem wiązanym drutem (układ krzemowy na spodzie, podkładki połączone drutami od górnych podkładek do ramy prowadzącej) może mieć ślimak termiczny na dole, ponieważ jest to ścieżka najmniejszego oporu cieplnego.

Następnie opracowano technologię pakowania typu flip-chip, dzięki czemu matryca znajduje się na górze opakowania, do góry nogami, a wszystkie połączenia elektryczne są wykonywane za pomocą przewodzących prądem guzków na dole. Ścieżka najmniejszego oporu wiedzie teraz przez szczyt procesorów. W tym miejscu wykorzystuje się wszystkie dodatkowe sztuczki, aby rozprowadzić ciepło ze stosunkowo małej matrycy (1 m2 / m2) na większy radiator itp.

Na szczęście zespoły projektantów procesorów obejmują znaczące działy inżynierskie, które przeprowadzają modelowanie termiczne matrycy procesora i całego opakowania. Początkowe dane pochodziły z projektu cyfrowego, a następnie drogie solwery 3-D dają ogólny obraz rozkładu ciepła i strumieni. Modelowanie oczywiście obejmuje modele termiczne gniazd / pinów procesorów i płyt głównych. Proponuję zaufać im dzięki dostarczonym rozwiązaniom, znają swoją działalność. Najwyraźniej jakieś dodatkowe chłodzenie od spodu PCB po prostu nie jest warte dodatkowego wysiłku.

DODATEK: Oto bryłowy model układu FBGA, który może dać pomysł, powiedzmy, modelowi termicznemu Intel LGA2011.

Podczas gdy wielowarstwowa płytka drukowana z przelotkami termicznymi i 25% zawartości miedzi może mieć nieco dobrą wydajność termiczną, nowoczesny / praktyczny system LGA2011 ma jeden ważny element, gniazdo. Gniazdo ma iglicowe styki sprężynowe pod każdą podkładką. Jest całkiem oczywiste, że całkowita masa styku metalu w gnieździe jest znacznie mniejsza niż masywna miedziana ślimak na górze procesora. Powiedziałbym, że to nie więcej niż 1/100 obszaru ślimaka, prawdopodobnie znacznie mniej. Dlatego musi być oczywiste, że opór cieplny gniazda LGA2011 wynosi co najmniej 100X górnego kierunku, lub nie może spaść więcej niż 1% ciepła. Wydaje mi się, że z tego powodu przewodniki termiczne Intela całkowicie ignorują dolną ścieżkę termiczną, o czym nie wspomniano.

W awionice chłodzenie ocenia się dla wszystkich możliwych ścieżek, w tym za pośrednictwem płytki drukowanej.

Mikroprocesor głównego nurtu w laptopie / komputerze stacjonarnym zwykle wykorzystuje połączenie chłodzenia przewodzącego (radiatora) i konwekcyjnego (zwykle wymuszonego powietrza). Ponieważ mieszanina tych dwóch elementów oddala większość ciepła, mechanizm chłodzący za pośrednictwem płytki drukowanej jest czasem ignorowany, ale nadal występuje.

Jeśli sprzęt znajduje się w bezciśnieniowej komorze awionicznej, chłodzenie konwekcyjne raczej traci znaczenie (gęstość powietrza jest bardzo niska, co oznacza, że ​​na dużej wysokości nie ma wystarczającej liczby cząsteczek, aby rozproszyć ciepło). Z tego powodu chłodzenie przewodzące jest bardzo szeroko stosowane, ponieważ jest to jedyna naprawdę skuteczna metoda chłodzenia w tym scenariuszu.

Aby było to skuteczne, w płytce drukowanej zastosowano wiele płaszczyzn jako rozpraszaczy ciepła.

Tam, gdzie stosowane są radiatory (nie jest to preferowane rozwiązanie, ale czasami nieuniknione), ścieżka jest nadal chłodzona przewodnictwem przez drabiny cieplne do zimnej ściany (jest to termin względny - zimna ściana może mieć 70 ° C lub więcej).

Czasami stosuje się powietrze wymuszone, ale w komorze ciśnieniowej przymocowanej do zimnej płyty.

W tym scenariuszu wykorzystywane jest chłodzenie wszystkimi ścieżkami; przewodzenie z obu stron, FR-4 może nie być szczególnie przewodzące ciepło, ale płaszczyzny miedzi są.

W odpowiedzi na to pytanie podjąłem dość szczegółową dyskusję termiczną .

Rzeczywista odpowiedź to podstawowa inżynieria. Dużo łatwiej jest zoptymalizować system, jeśli można go podzielić na podsystemy, które można niezależnie zoptymalizować.

Optymalizując jedną stronę pod kątem łączności, a drugą stronę do usuwania ciepła. Uproszczono problem, nakładając co najwyżej karę 2: 1 na każdy problem. Oczywiście, jeśli miałeś znacznie więcej ciepła niż połączenia lub więcej połączeń niż ciepło, ten wybór powinien zostać ponownie rozpatrzony, ale najwyraźniej tak nie jest.

Nie oznacza to, że nie jest możliwe usunięcie ciepła od spodu lub umieszczenie połączeń na górze, ale jakim kosztem? Jakie jeszcze kompromisy muszą być poczynione?

Moduły procesorów chłodzone cieczą, choć powracają, były dość powszechne 30 lat temu. Gdy komputery mainframe miały „koperty” procesora, które były całkowicie zanurzone w cieczy, a zatem usuwały ciepło ze wszystkich stron zamkniętych układów scalonych. Wyraźnie przedstawia to wadę projektowania połączeń, debugowania, przeróbek i rodzajów płynów, które można zastosować. Jest to wiele dodatkowych ograniczeń dla obu podsystemów. Fakt, że dokonano takiego wyboru, wskazuje, że głównym ograniczeniem było usuwanie ciepła.

Nowoczesne superkomputery chłodzone cieczą mają wysoce zoptymalizowane mikroukłady wodne na wierzchu płytki. Podczas gdy wszystkie połączenia są na spodzie. Każdy podsystem jest niezależny od drugiego, co znacznie optymalizuje cały projekt.

W zastosowaniach, w których strona przeciwna do połączeń jest zajęta w inny sposób, np. Diody LED, lasery, łącza optyczne, porty RF itp., Spód jest główną ścieżką usuwania ciepła. Na ogół stosuje się specjalistyczne podłoża o wysokiej przewodności cieplnej.