Lo stato dei sistemi di raffreddamento dei microprocessori

Sep 07, 2023

Matteo Cheung

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Questa revisione della letteratura è stata originariamente scritta nel dicembre 2017 da Matthew Cheung, per il corso di livello post-laurea ME 290R (Topics in Manufacturing — Nanoscale Manipulation of Materials) presso l'Università della California, Berkeley.

Storicamente, le dimensioni del die del microprocessore sono rimaste relativamente costanti. Sebbene le prestazioni siano aumentate grazie al maggior numero di transistor, i livelli di produzione di calore totale del pacchetto del microprocessore sono rimasti relativamente stabili. Pertanto, al fine di aumentare ulteriormente la densità computazionale oltre gli aumenti dovuti alla legge di Moore, i produttori di dispositivi di raffreddamento per microprocessori hanno spinto per rendere i dispositivi di raffreddamento più piccoli, tentando anche di integrare i sistemi di raffreddamento negli stessi die dei microprocessori. Questa recensione discute una breve storia del raffreddamento dei microprocessori e poi tocca l'efficacia delle tecnologie attuali.

Termini dell'indice: raffreddamento dell'elettronica, raffreddamento a getto d'urto, raffreddamento a liquido, raffreddamento microfluidico, microprocessori.

La legge di Moore afferma che il numero di transistor per unità di area su un circuito integrato (IC) raddoppia circa ogni 18 mesi. Tuttavia, a causa della natura esponenziale della crescita, è improbabile che continui per sempre. Infatti, man mano che i transistor diventano sempre più piccoli, sorgono problemi man mano che ci avviciniamo ai limiti atomici. Per tenere il passo con le crescenti richieste di maggiore densità computazionale, il calore diventa una preoccupazione sempre più grande.

La maggior parte dei componenti del computer dispone di una qualche forma di raffreddamento. Il calore viene prodotto a causa di alcune inefficienze in un circuito integrato. La resistenza elettrica contribuisce in larga misura alla produzione di calore. Sebbene i componenti dei computer abbiano fatto grandi passi avanti in termini di prestazioni ed efficienza, il raffreddamento è ancora necessario.

Durante il funzionamento di un computer, il calore può causare problemi. Ad esempio, se un processore è sottoposto a un carico di lavoro elevato e il sistema di raffreddamento non riesce a dissipare il calore in modo sufficientemente veloce, il processore potrebbe "underclockarsi" abbassando la frequenza nel tentativo di abbassare la temperatura del pacchetto del processore a una temperatura operativa sicura. Tuttavia, se la temperatura continua a salire, i processori moderni spegneranno completamente il sistema, nel tentativo di salvare l'hardware da temperature operative pericolose.

Per capire come viene generata la maggior parte del calore dai circuiti integrati, guardiamo i transistor. La potenza statica consumata, P_S, a causa della dispersione di corrente e della tensione di alimentazione, a causa della dispersione di corrente e della tensione di alimentazione è data dall'equazione:

dove V_CCè la tensione di alimentazione e I_CC è la corrente nel dispositivo. La potenza consumata durante il passaggio da uno stato logico all'altro è la potenza transitoria (dinamica), P_T, ed è dato dall'equazione:

dove C_pdè la capacità dinamica di dissipazione della potenza, V_CCè la tensione di alimentazione, f_Iè la frequenza del segnale di ingresso e N_SW è il numero di bit che cambiano. La potenza consumata a causa della carica della capacità di carico esterna, P_L, è dato dall'equazione:

dove Nè il numero di bit, C_L_nè la capacità di carico del bit n, f_O_nè la frequenza di uscita del bit ne V_CC è la tensione di alimentazione. Infine, il consumo energetico totale, P_Total, è una combinazione additiva di (1), (2) e (3):

dove P_Sè la potenza statica consumata, P_Tè la potenza transitoria consumata e P_Lè la capacità di carico esterno, tutti indicati sopra [1].

Sebbene una parte del consumo energetico totale venga utilizzata per lavori elettrici, il resto del consumo energetico totale viene convertito in calore. Il calore massimo progettato prodotto da un chip, con qualsiasi carico di lavoro, viene spesso indicato dai produttori di chip come potenza di progettazione termica (TDP). I progettisti hardware devono conoscere il TDP dei chip con cui lavoreranno perché devono sapere quanto calore deve dissipare i loro sistemi di raffreddamento.