Ликбез на тему особенностей температурного режима процессоров Интел в разгоне.

Читая форум, постоянно встречаю обвинения компании в использовании недоброкачественного термоинтерфейса, сначала пасты, а теперь еще и припоя. Все подобные заявления основаны на факте того, что процессоры конкурента обеспечивают лучшие температурные показатели, а также заблуждении, что это зависит только лишь от теплопроводности термоинтерфейса под крышкой. Полагаю, пришло время познакомить широкую публику с законом теплопроводности Фурье.

                             [Вт/(м·К) · (м2·К)/м = Вт/(м·К) · (м·К) = Вт]

Закон описывает распространение тепла в твердых телах, словами его можно выразить следующим образом: при прохождении теплового потока мощностью P через параллелепипед площадью S и толщиной L, разница температур на его гранях будет прямо пропорциональна толщине и обратно пропорциональна площади и коэффициенту теплопроводности. 

Применительно к вопросу с температурным режимом процессоров, параллелепипедом в нашем случае выступает слой пасты, припоя, либо ЖМ, призванный заполнить пустоту между кристаллом и медью крышки. Сами кристалл и крышку также можно считать параллелепипедами на пути тепла от ядер к кулеру. Какие же выводы можно сделать из закона Фурье?

1) Прежде всего то, что все проблемы с охлаждением процессоров упираются в падение температуры при прохождении каждого слоя: кремния, термоинтерфейса кристалла, крышки, термопасты на ней, далее тепло должно пройти через компоненты кулера, чтобы наконец-то передаться на ребра радиатора и рассеяться в окружающую среду. Поскольку радиатор не может быть холоднее окружающей среды, от избыточных оборотов вентилятора толку нет. Допустим в корпусе 40 градусов, общее падение температуры составляет 50 градусов - итого мы имеем 90 градусов на ядрах, как минимум.

2) Падение температуры на пути к крышке зависит не только от теплопроводности термоинтерфейса, но и от плотности теплового потока, то есть выделяемой мощности поделенной на площадь - P/S. У каждого процессора эта величина своя, зависит она от многих факторов: архитектурного дизайна, плотности размещения транзисторов, рабочих частот и напряжений, и конечно же от подаваемой нагрузки. Если у одного процессора плотность потока в два раза выше, чем у другого, то и температурный градиент будет в два раза больше - допустим не 10, а 20 градусов. Соответственно при замене термоинтерфейса другим, в два раза производительней, у одного процессора температура упадет на 5 градусов, а у другого - на 10.

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.

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.

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. Эта разница вкупе с формулой теплопроводности и объясняет, почему замена пасты или даже припоя под крышкой на ЖМ позволяет отыграть больше градусов на "синих" процессорах, и качество самого термоинтерфейса тут не причем.

Бонус тем, кто дочитал до конца. Эксперименты немецкого энтузиаста Der8auer со шлифовкой кристалла дали уникальную возможность точно вычислить плотность теплового потока для 9600K в разгоне до 5ГГц.

Теплопроводность кремния при 90 градусах составляет ~110 Вт/(м·K), согласно закона Фурье получаем следующие формулы: 

Подставляем числа: 110*5.5/0,0002=3025000 ватт на м^2 или 302,5 ватта на квадратный сантиметр. У Райзенов в предельном разгоне это значение намного меньше, что-то порядка 125 ватт на сантиметр, допуская, что тепло выделяется почти всем кристаллом равномерно.

Всем спасибо за внимание, прилагаю ссылки на сам закон Фурье и теплопроводность кремния:

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D0%BF%D0%BB%D0%BE%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C

http://thermalinfo.ru/Sets/img/2016/06/Teploprovodnost-teploemkost-ktr-kremniya.jpg