Gairebé totes les peces de l’electrònica moderna generen calor, tant si ho notem com si no. Sense gestionar adequadament aquesta calor, els nostres sistemes electrònics es destruiran a si mateixos o, al contrari, limitaran greument la nostra capacitat informàtica.

Per descomptat, el lector mitjà de TECH NEWS tindrà en compte el refredament de la CPU i la GPU, però per què la RAM no necessita ventiladors per mantenir-se frescos? Per què hi ha una disparitat tan gran entre el rendiment d’un processador mòbil i un processador d’escriptori, tot i que els patrons són força similars? Per què es comencen a alentir els guanys de rendiment recents dels xips de nova generació?

La resposta a tot això té a veure amb la calor i la física de com funcionen els ordinadors digitals a escala nanomètrica. Aquest article analitzarà la ciència bàsica de la calor, com i per què es produeix en electrònica i els diversos mètodes que hem desenvolupat per controlar-la.

Aquí fa calor: els fonaments bàsics de la calor

Si recordeu la física de l’institut, la calor és només els moviments aleatoris dels àtoms i les molècules que formen el nostre món. Si una molècula té una energia cinètica més alta que una altra molècula, diem que és més calenta. Aquesta calor es pot transmetre d’un objecte a un altre si els dos entren en contacte fins a arribar a l’equilibri. Això vol dir que l’objecte calent transferirà part de la seva calor a l’objecte més fresc, donant lloc a una temperatura entre els dos.




El temps necessari per transferir aquesta calor, conductivitat tèrmica dos materials. La conductivitat tèrmica és la mesura de la capacitat d’un material per conduir la calor. Un aïllant com el poliestirol té una conductivitat tèrmica relativament baixa de 0,03, mentre que un conductor com el coure té una conductivitat tèrmica elevada de 400. Als dos extrems, la conductivitat tèrmica d’un buit real és 0 i el diamant té la conductivitat tèrmica més alta coneguda de més de 2000. .




Una cosa que cal recordar és que la calor sempre es refreda, però no hi ha "fred". Només ho veiem com a "fred" si tenen menys calor que el seu entorn. Una altra definició important que necessitem és la massa tèrmica, que representa la inèrcia d’un objecte davant les fluctuacions de temperatura. Amb el forn de la mateixa mida, és molt més fàcil escalfar una sola habitació d’una casa que tota una casa. Com que la massa tèrmica d’una habitació és molt inferior a la massa tèrmica de tota una casa.




Podem reunir tots aquests conceptes en l’exemple simple d’aigua bullent. Quan enceneu l’estufa, la flama calenta entrarà en contacte amb l’olla de refrigeració. Com que el material que forma l’olla és un bon conductor tèrmic, la calor del foc es transmetrà a l’aigua fins que bulli.




El temps d'ebullició dependrà del mètode d'escalfament, del material de l'olla i de la quantitat d'aigua. Si intenteu bullir una olla amb un encenedor petit, durarà per sempre en comparació amb el gran foc de la cuina. Això es deu al fet que l’estufa té una eficiència tèrmica molt superior a l’encenedor petit mesurat en watts. Aleshores, si la paella té una conductivitat tèrmica més elevada, l’aigua bullirà més ràpidament perquè es transmetrà més part de la calor a l’aigua. Si fos prou ric, una olla de diamants seria el sant grial. Finalment, tots sabem que un bol d’aigua petit desapareixerà més ràpid que un bol d’aigua molt més gran. Això es deu al fet que hi ha menys massa tèrmica per escalfar amb l’olla més petita.

Quan acabeu de cuinar, podeu deixar que l'aigua es refredi naturalment. Quan això passa, la calor de l'aigua s'expulsa a l'habitació més freda. Com que la cambra té una massa tèrmica molt superior a la de l’olla, la temperatura no canvia molt.




Animadores d'arbres de calor en electrònica digital

Ara que ja sabem com funciona la calor i es mou entre objectes, parlem d’on prové en primer lloc. Tota l’electrònica digital està formada per milions i milers de milions de transistors. Per obtenir una visió més detallada de com funcionen, vegeu el capítol 3. El nostre treball en el disseny modern de CPU.

Bàsicament, els transistors són interruptors controlats elèctricament que s’obren i tanquen milers de milions de vegades per segon. Podem lligar un munt per crear les estructures d’un xip d’ordinador.

Quan aquests transistors funcionen, distribueixen energia de tres fonts conegudes com a commutació, curtcircuit i fuita. La potència de commutació i de curtcircuit es coneix com a fonts de calor dinàmiques perquè es veuen afectades per l’obertura i el tancament dels transistors. Es coneix com a estàtica, ja que la potència de fuita és constant i no es veu afectada pel funcionament del transistor.




Dos transistors units per formar una porta NO. NMOS (inferior) permet que el corrent flueixi quan està obert i pMOS (superior) que flueixi el corrent quan està tancat.

Començarem per la potència de commutació. Per activar o desactivar un transistor, hem d’establir la porta a terra (lògica 0) o Vdd (lògica 1). Aquesta porta d’entrada no és tan senzilla com girar un interruptor ja que té molt poca capacitat. Ho podem pensar com una petita bateria recarregable. Per activar la porta, hem de carregar la bateria per sobre d’un nivell de llindar determinat. Quan estiguem a punt per tancar la porta de nou, hem de tirar aquesta càrrega al terra. Tot i que aquestes portes són microscòpiques, les estelles modernes tenen milers de milions i passen milers de milions de vegades per segon.

Es genera una petita quantitat de calor cada vegada que es llença la càrrega de la porta a terra. Per trobar la potència de commutació, multiplicem el factor d’activitat (la relació mitjana de transistors commutats en qualsevol bucle), la freqüència, la capacitat de la porta i el quadrat de la tensió.

Vegem ara la potència del curtcircuit. L’electrònica digital moderna utilitza una tècnica anomenada semiconductors complementaris d’òxid de metall (CMOS). Els transistors estan disposats de manera que mai hi hagi un camí directe perquè el corrent flueixi cap a la terra. A l'exemple anterior d'una porta NOT, hi ha dos transistors complementaris. Quan la part superior està oberta, la part inferior es tanca i viceversa. Això garanteix que la sortida sigui 0 o 1 i que l’entrada sigui inversa. No obstant això, a mesura que encenem i apagem els transistors, hi ha un període de temps molt curt que els dos transistors estan realitzant alhora. Quan un conjunt es tanca i l’altre s’obre, tots dos es mouen quan arriben al punt mig. Això és inevitable i proporciona un camí temporal perquè el corrent flueixi directament a terra. Podem intentar limitar-ho fent que els transistors entre els estats Activat i Desactivat siguin més ràpids, però no el podem eliminar completament.

Com més alta és la freqüència de funcionament d’un xip, més canvis d’estat i més curtcircuits instantanis. Això augmenta la producció de calor d’un xip. Per trobar la força del curtcircuit, multiplicem el corrent de curtcircuit, la tensió de funcionament i la freqüència de commutació.

Tots dos són exemples de poder dinàmic. Si volem reduir això, la manera més senzilla és simplement reduir la freqüència del xip. Sovint això no és pràctic perquè alenteix el rendiment del xip. Una altra opció és reduir la tensió de funcionament del xip. Les CPU modernes funcionen al voltant d’1 V mentre que els xips funcionen a 5 V o més. Dissenyant transistors per funcionar a una tensió més baixa, podem reduir la calor perduda per la potència dinàmica. L’alimentació dinàmica és el motiu pel qual la CPU i la GPU s’escalfen en fer overclocking. Augmenteu la freqüència de funcionament i normalment la tensió. Com més alts són, més calor es genera a cada cicle.

L’últim tipus de calor generat a l’electrònica digital és la potència perduda. Ens agrada pensar que els transistors són totalment oberts o tancats, però en realitat no funcionen així. Sempre fluirà una petita quantitat de corrent fins i tot si el transistor es troba en un estat no conductor. Aquesta és una fórmula molt complexa i l’efecte només empitjora a mesura que anem reduint els transistors.

Quan ens fem més petits, hi ha menys material que bloqueja el flux d’electrons quan volem que es tanquin. Aquest és un dels principals factors que limita el rendiment dels xips de nova generació, ja que la taxa de potència de fuites continua augmentant amb cada generació. Les lleis de la física ens van arraconar i vam utilitzar totes les nostres cartes de ruptura.

Preneu-vos una pastilla freda: mantingueu les xips fresques

Sabem d’on prové la calor de l’electrònica, però què en podem fer? Hem de desfer-nos-en perquè si les coses es posen massa calentes, els transistors poden començar a trencar-se i a deteriorar-se. La regulació tèrmica és el mètode de refrigeració incorporat d’un xip si no ens proporcionem una refrigeració adequada. Si els sensors de temperatura interns es tornen massa rossos, el xip pot baixar automàticament la freqüència de funcionament per reduir la quantitat de calor generada. No voleu que això passi, i hi ha maneres molt millors de fer front a la calor no desitjada en un sistema informàtic.

Alguns xips no necessiten solucions de refrigeració de luxe. Feu una ullada a la vostra placa base i veureu desenes de petits xips sense el refrigerador. Com no es sobreescalfen i es destrueixen? Això es deu al fet que probablement no generen molta calor. Les grans CPU i GPU de vedella poden dissipar centenars de watts de potència, mentre que una petita xarxa o xip d’àudio només pot utilitzar una fracció del watt. En aquest cas, la pròpia placa base o l’embalatge exterior del xip poden ser un refrigerador suficient per mantenir el xip fresc. En general, quan superi els 1 watts, haureu de considerar una gestió tèrmica adequada.

El nom del joc aquí és mantenir la resistència tèrmica entre materials el més baixa possible. Volem crear el camí més curt perquè la calor d’un xip arribi a l’aire ambiental. És per això que els motlles de CPU i GPU inclouen dissipadors de calor integrats (IHS) a la part superior. El xip real a l'interior és molt més petit que la mida del paquet, però, estenent la calor per una àrea més àmplia, podem refredar-lo de manera més eficient. També és important utilitzar un bon compost tèrmic entre el xip i el dissipador de calor. Sense aquest camí d’alta conductivitat tèrmica, la calor no podria fluir fàcilment des de la IHS fins al dissipador de calor.

Hi ha dues formes principals de refredament: passiu i actiu. El refredament passiu és un refrigerador senzill connectat al xip que es refreda pel flux d’aire ambiental. El material serà de gran conductivitat tèrmica i gran superfície. Això li permet transferir calor del xip a l’aire circumdant.

Els reguladors de tensió i els xips de memòria solen sobreviure al refredament passiu, ja que no generen molta calor. Com que els processadors de telèfons mòbils estan dissenyats per tenir una potència molt baixa, sovint es refreden passivament. Com més alt sigui el rendiment d’un xip, més energia produirà i caldrà més refrigerant. Per tant, els processadors de telèfon són menys potents que els processadors de classe d'escriptori. No hi ha prou refrigeració per mantenir-se al dia.

Imatge tèrmica de la CPU del telèfon mòbil amb dissipador de calor passiu

Un cop hagueu aconseguit desenes de watts, probablement començareu a pensar en el refredament actiu. S’utilitza un ventilador o un altre mètode per forçar l’aire a través del refrigerador i pot suportar fins a diversos centenars de watts. Per aprofitar aquest refredament tant, hem d’assegurar-nos que la calor s’escampi des del xip a tota la superfície del refrigerador. No seria molt útil si tinguéssim un dissipador de calor gran, però no hi hauria manera d’agafar la calor.

La refrigeració de líquids i les canonades de calor entren en joc. Tots dos fan la tasca de transferir el màxim de calor possible d’un xip al refrigerador o al radiador. En el conjunt de refrigeració líquida, la calor es transmet des del xip al bloc d’aigua mitjançant un compost tèrmic d’alta conductivitat tèrmica. El bloc d’aigua sol ser coure o un altre material que condueix bé la calor. El líquid s’escalfa i emmagatzema la calor fins que arriba al radiador on es pot escalfar. Les canonades de calor són molt habituals en sistemes més petits, com ara els portàtils, que no s’adapten a una configuració de refrigeració líquida completa. En comparació amb un tub de coure bàsic, la configuració d’un tub de calor pot ser 10-100 vegades més eficient en eliminar calor d’un xip.

Un tub de calor és molt similar al refredament de líquids, però també utilitza una transició de fase per augmentar la transferència tèrmica. Hi ha un líquid dins de les canonades de calor que es converteix en vapor quan s’escalfa. El vapor es mou al llarg de la canonada de calor fins que arriba al final fred i es torna a convertir en un líquid. El líquid torna a l’extrem calent per gravetat o efecte capil·lar. Aquest refredament evaporatiu és el mateix motiu pel qual us sentiu fred quan sortiu de la dutxa o de la piscina. En tots aquests escenaris, el líquid absorbeix la calor en el procés de convertir-se en vapor i després allibera la calor després de condensar-se.

Espectacle de tubs de calor - Zootalures: Wikipedia

Ara que podem extreure la calor del xip cap a una canonada o líquid de calor, com descarreguem aquesta calor a l’aire? Aquí apareixen aletes i radiadors. Una canonada d’aigua o de calor transmet part de la seva calor a l’aire circumdant, però no massa. Per refredar molt les coses, hem d’augmentar la superfície del gradient de temperatura.

Les aletes fines del dissipador de calor o del radiador estenen la calor per una àrea gran, cosa que permet transportar un ventilador de manera eficient. Com més fines són les aletes, més superfície pot cabre en una mida determinada. No obstant això, si és massa prima, no hi haurà prou contacte amb la canonada de calor per introduir la calor a les aletes en primer lloc. Es tracta d’un balanç molt fi, de manera que un refrigerador més gran pot tenir un rendiment pitjor que un refrigerador més petit i optimitzat en determinats escenaris. A Steve Jugadors Nexus Feu un bon diagrama de com funcionen tots aquests en un refrigerant típic.

Procés de refrigeració: Nexus per a jugadors

Però vull refrescar-me: arribar al fons!

Tots els mètodes de refrigeració amb què treballem simplement transfereixen calor d’un xip calent a l’aire circumdant. Això significa que l'habitació on es troba el xip mai pot ser més freda que la temperatura ambient. Si volem refredar-nos a temperatures ambientals més baixes o tenir alguna cosa gran que s’hagi de refredar com tot el centre de dades, hem d’afegir una mica més de ciència. Aquí és on entren en joc els refrigeradors termoelèctrics.

El refredament termoelèctric, també conegut com a dispositiu Peltier, no és molt popular en aquest moment, però pot ser molt útil. Aquests dispositius transfereixen calor d’un costat a l’altre d’un dissipador de calor consumint electricitat. Un especial material termoelèctric Pot crear una diferència de potencial elèctric i temperatura. Quan un corrent de CC flueix d’un costat del dispositiu, la calor es transfereix a l’altre costat. Això permet que el costat "fred" baixi per sota de la temperatura ambient. Actualment, aquests dispositius són molt nínxols perquè requereixen molta energia per aconseguir un refredament important. No obstant això, els investigadors estan treballant per crear versions més eficients per a mercats més grans.

De la mateixa manera que les transicions d'estat transfereixen calor, canviar la pressió d'un fluid es pot utilitzar per transferir calor. Les neveres, els condicionadors d’aire i molts altres sistemes de refrigeració funcionen d’aquesta manera.

Un refrigerant especial flueix a través d’un bucle tancat on comença com un vapor, es comprimeix, es condensa en un líquid, s’expandeix i s’evapora de nou a un estat de vapor. Aquest cicle es repeteix i transfereix calor durant el procés. El compressor requereix energia, però aquest sistema es pot refredar fins a la temperatura ambient. Els centres de dades i els edificis poden mantenir-se fresc fins i tot el dia més calorós de l’estiu.

Cicle de refrigeració estàndard - Keenan Pepper: Wikipedia

Aquests sistemes són generalment segons en l'electrònica. Primer abocareu la calor del xip a la cambra i, a continuació, aboqueu la calor fora de la cambra mitjançant un sistema de compressió de vapor. No obstant això, els overclockers extrems i els entusiastes del rendiment poden connectar refrigeradors dedicats a les seves CPU si necessiten un rendiment de refrigeració addicional. També es poden fer mètodes temporals de refredament amb consumibles com el nitrogen líquid o el gel sec.

Tinc fred: emboliquem-nos

La refrigeració és una cosa que tota l'electrònica requereix, però pot adoptar moltes formes. L’objectiu del joc és moure la calor del xip o sistema calent a un entorn més fred. No hi ha manera de desfer-se de la calor, així que moure’s a un lloc que només podem fer està bé.

Tota l’electrònica digital genera calor a causa del funcionament dels seus transistors interns. Si no podem desfer-nos d'aquesta calor, el material semiconductor començarà a deteriorar-se i el xip es pot danyar. La calor és l’enemic de tots els dissenyadors d’electrònica i és un dels factors més importants que afecten la millora del rendiment. No podem fer que les CPU i les GPU siguin més grans perquè no hi ha una bona manera de refredar quelcom potent. Simplement no es pot treure la calor.

Esperem que ara aprecieu més tota la ciència que cal per mantenir la vostra electrònica fresca.