О распределении тепла в процессорах и соответствующих тепловых потоках. Часть 2

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

В предыдущей части я сослался на статью (почти) голословно утверждая, что тепловые потоки от нагретых областей у Ryzen и Skylake одинаковы. Теперь давайте разберем цифры:

реклама

Zen: 44 мм2(16 мм - L3 $, 6 мм- L2 $)  на ядра остается ~ 22 кв. мм.

Skylake: 49 мм2(19.1 мм2  - L3 $, 4 мм2 - L2 $)  на ядра остается ~ 26 кв. мм. 

реклама

Вообще, ALU занимают ещё меньшую площадь - примерно половину от указанной, т.е. 11 и 13 кв. мм. (Это можно понять из изучения схематических изображений на том же Викичипе), но лучше не усложнять и допустить, что пропорции одинаковы у обоих кристаллов, т.к. функциональные блоки у них по сути одинаковы, за исключением векторных EU AVX -  у Райзена их банально меньше (что, возможно, является одной из причин разности площадей ядер). 

Вывод: площадь "горячих областей"  примерно одинакова у обоих кристаллов (в пересчёте на одно ядро). 

реклама


В ходе обсуждения части 1, k2viper и plcfan указали мне на недостаток в моих рассуждениях - я полагал, что слои металлизации в процессоре обращены к крышке процессора, но, как оказалось, эти слои ближе к печатной плате ЦПУ. Таким образом, между источниками тепла и припоем/термопастой имеется дополнительный слой (поврежденного) монокристалла кремния толщиной порядка 0,5 мм или около того. Сами слои металлизации имеют крайне малую толщину (см. видео)

реклама

[Выражаю благодарность вышеозначенным камрадам, хотя второй со мной не разговаривает, лол]

реклама



Теперь давайте поразмыслим над тепловыми потоками, исходящими от блоков процессора к теплораспределителю: их можно разбить на две компоненты - от горячих областей и от, условно, холодных областей. Холодные - это кэши с обвязкой. Их нагрев складывается из собственного тепловыделения и планарного теплопереноса в монокристалле от нагретых областей. По истечении определённого времени (при условии постоянной нагрузки) холодные области выходят на стационарный режим - планарный тепловой поток уравновешивается перпендикулярным потоком к крышке процессора.  


Учитывая тот факт, что тепло первоначально проходит через монокристалл (слои "мертвого", без каких-либо активных элементов, кремния) можно было бы подумать, что тепловой поток равномерно распределяется по площади кристалла, и все размышления приведенные автором, о тепловых источниках в виде АЛУ, не имеют практического смысла. Но на практике выводы не меняются.

Специально для этой части я построил простенькую модель в виде круглого источника тепла (для простоты):

Описание модели

Тепловыделение 37.5 Ватт на область ALU площадью 5.4 кв. мм (одно ядро). -->Тепловой поток = 7 МегаВатт на метр квадратный. Источник тепла в силу своей пренебрежимо малой толщины моделируется просто как тепловой поток.  В случае восьми ядер это бы соответствовало 300 ваттам тепловыделения, экстремальный случай. 

Область окружена мертвым кремнием площадью 120 кв. мм и толщиной 450 микрон (0,45 мм). 

Термоинтерфейс - индиевый припой (80 Вт/м-К), толщиной 1 мм. Толщина медной крышки 3 мм (385 Вт/м-К). Боковые грани термоизолированы (тепловой поток равен нулю). Верхняя грань - крышка процессора контактирует с подошвой кулера, допуская очень мощный кулер, зафиксирована температура 30С. Термосопротивлением интерфейса между припоем и крышкой, а также между кристаллом и припоем пренебрегаем - идеальный термический контакт.

Модель осесимметричная и стационарная - мы не заинтересованы в переходных процессах.

1) Расчёт для указанных параметров (максимальная температура 380 К = 107 С)

2) Теперь давайте уменьшим площадь монокристалла, участвующего в теплопереносе до 10 кв. мм (общая площадь = 5.4 кв.мм + 10 кв.мм ~16 кв. мм), просто физически убрав большую его часть. 

Пиковая температура подскочила на 2 градуса. Изотермы в целом показывают увеличение плотности теплового потока, но не сильно.

Отсюда вывод: основную роль в теплоотдаче играет лишь малая область вокруг АЛУ.  


3) Гипотетический случай - равномерное распределение источников тепла. Блоки АЛУ равномерно располагаются среди кэшей и прочей обвязки.

Получившийся тепловой поток = 300 кВт на метр квадратный. 

 

Температуры весьма невелики.


Вывод: собственный размер кристалла не играет большой роли на  масштабах - более 100 кв. мм. Главный фактор - плотность компоновки блоков АЛУ и динамическая мощность.


 Модель, конечно, упрощает ситуацию:

1. Соседние ядра и другие источники почти не учитываются (единственная их роль - это "термоизоляция" путем подавления планарного теплового потока);

2. Пренебрежение сопротивлением контакта ведёт к занижению температуры;

3. Ядро на деле квадратное, не круглое. 

4. Возможно, главное упрощение - кулер мощный - держит температуру подошвы 30С при комнатной в 20С.

Вообще конечно-элементное моделирование является интересным бенчмарком - из-за необходимости перемещать (большие) матрицы между процессором и оперативной памятью, может возникать боттлнек от ПСП памяти.  Например, у меня на работе, сложно заметить разницу между TR 1920X и 1950X с памятью 2933 MHz, но, в то же время эти два процессора размазывают по стенке 2700X с памятью 3200 MHz, обходя его в скорости на ~60 %. 

Ещё кэши свою роль играют - в Хазвелл повысили их ПСП на ~100%, в итоге он стал обходить  Ivy Bridge на ~30-40%.

#### Дополнительная ремарка - во всём анализе не учитывается расположение контроллера памяти, хотя он, говорят, стал потреблять много из-за возросших частот памяти. 

Для желающих могу выложить .mph файл. Также можно выполнить расчет с интересующими вас параметрами.

Для примера:

[Есть АПУ i5-4200M, под стресс-нагрузкой он дает 94 градуса у х86 и 40 градусов у GPU, при комнатной температуре в 25 градусов, площадь кристалла 187 кв. мм.]. Если учесть, что графика не используется, то нагрев происходит за счет планарного теплового потока. 



Спасибо за внимание.


P.S. Часть 1, неожиданно, получила очень тёплый приём. Спасибо!

P.P.S. В следующей части попытаюсь поспекулировать на тему AVX и неравномерности распределения температур среди ядер.

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: 4.6 из 5
голосов: 34

Комментарии Правила

Возможно вас заинтересует

Популярные новости

Сейчас обсуждают