О распределении тепла в процессорах и соответствующих тепловых потоках. Часть 1

для раздела Блоги
Начислено вознаграждение
Этот материал написан посетителем сайта, и за него начислено вознаграждение.

После прочтения статьи за авторством coolio у меня возникли смешанные чувства: с одной стороны - хороший инженерный подход с количественными оценками, с другой стороны - неверные предпосылки, приведшие к неверным выводам. Статья в целом хорошая, т.к. обращается к важным вопросам.

реклама

Данная заметка не является самостоятельной, но опирается на предшествующую статью.


реклама

Итак, начнем с выводов из Закона Фурье:


реклама

3) Если мы хотим сравнить качество термоинтерфейса (в данном случае под качеством я подразумеваю теплопроводность и толщину слоя), полагаясь на результаты замены припоя\пасты на ЖМ, то обязательно следует взять в расчет также выделяемую мощность и площадь, с которой она выделялась, иначе выводы окажутся не верными.

Согласен.

реклама


4) Толщина слоя термоинтерфейса также важна, как и его теплопроводность. Уменьшение слоя в два раза равноценно увеличению теплопроводности на ту же величину. Именно поэтому ЖМ лидирует, несмотря на то, что проигрывает припою по составу - жидкая консистенция обеспечивает рекордно низкую толщину слоя.

реклама


В среднем неверно. Основными переносчиками тепла в твердых материалах являются фононы и электроны. Фононы - кванты колебаний решетки, испытывают рассеяние на дефектах в материале, на других фононах и на границе между материалами - одним словом любое нарушение решетки кристалла может вести к их рассеянию; они ответственны за существенную часть теплопроводности.  


На границе двух материалов, помимо термосопротивления самих материалов, возникает третье - термосопротивление интерфейса (границы между материалами). Оно обусловлено разностью решеток и разностью атомарных весов разных материалов (фононы должны "адаптироваться" к другой решетке), а также пустотами между "шершавыми" поверхностями двух материалов. Красивая картинка из интернета:

 Задача термоинтерфейса (термопасты) - заполнить данные пустоты и таким образом уменьшить термосопротивление интерфейса. Иначе было бы странно использовать материал с теплопроводностью на уровне ~ 10 Вт/м-К, между материалами с теплопроводностью на уровне 100 Вт/м-К (кремний и медь процессорной крышки). 


Таким образом, "преимущество состава" припоя над жидким металлом значения особого не имеет, те же яйца только в профиль. Определяется в основном структурой - количеством дефектов и плотностью прилегания к основным материалам.

Вернемся к реальным процессорам и сравним 2700x с 8700K. У первого площадь 210 mm^2, со вторым все интересней. Площадь кристалла составляет 150 mm^2, но посмотрите на его схему: 

Треть кристалла занимает видеоядро, которое обычно отключено и тепла не выделяет. В его рассеивании оно также не участвует, в чем можно убедиться, если посмотреть его температуру под стресс тестами - она ниже вычислительных ядер на десятки градусов. Следовательно площадь рассеивания всей мощности 8700K составляет всего лишь 100 mm^2 - в два раза ниже, чем у конкурента! Принимая, что выделяемая мощность в разгоне приблизительно равна, плотность теплового потока также больше в два раза для процессора Интел.

Неверно. Тепло выделяется неравномерно в процессоре - основным источником являются Арифметико-Логические устройства (ALU).  Кэш, декодеры и прочая обвязка выделяют не так много тепла, и определяющим фактором их нагрева является планарный теплоперенос от АЛУ (теплоперенос в плоскости кристалла процессора). Пример снимка приведён в этой статье. Если покопаться, можно посвежее найти снимки, но идея, думаю, понятна. 

При этом планарная теплопроводность достаточно затруднена - теплопроводность чистого кремния по литературным данным ~ (100 - 180) Вт/м-К. 

Но в нашем случае мы имеем обработанный кремний с полосками металла и деформированными областями на уровне десятков и сотен нанометров - одной из основных областей спектра фононов, участвующих в теплопереносе.  Как грубый пример, можно рассмотреть это (ссылка). Теплопроводность данного обработанного кремния, такая же как и у термопасты. В результате ~70-80% тепла уходят "вверх" - перпендикулярно плоскости кристалла - там термосопротивление существенно меньше.

Соответственно сравнивать нужно площади ALU, но не площади кристаллов - дополнительная площадь теплоотвода, конечно, свое слово скажет, но оно не так существенно

Можно сравнить эти площади для Райзена и Скайлека используя: https://en.wikichip.org/wiki/intel/microarchitectures/skylake_(client)

Front end тепла выделяет мало. Execution Unit это основная печка.

и

https://www.overclockers.ua/news/hardware/2017-02-08/119703/

Вывод: При равном тепловыделении тепловой поток в расчете на площадь тепловыделяющей части у этих процессоров (Skylake and Ryzen) плюс-минус одинаков.

Более подробный разбор будет во второй части.


Спасибо за внимание.




Подпишитесь на наш канал в Яндекс.Дзен или telegram-канал @overclockers_news - это удобные способы следить за новыми материалами на сайте. С картинками, расширенными описаниями и без рекламы.
Оценитe материал
рейтинг: 4.7 из 5
голосов: 53

Комментарии Правила

Возможно вас заинтересует

Популярные новости

Сейчас обсуждают