Refroidissement amélioré du microprocesseur. Schéma, description

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Amélioration du refroidissement des microprocesseurs. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique

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Récemment, la pratique des microprocesseurs "overclocking", c'est-à-dire leur fonctionnement à une fréquence d'horloge plus élevée que celle prescrite par le fabricant, s'est généralisée. Cela repose sur une grande réserve de capacités techniques des processeurs et souvent (si les puces de la carte mère le permettent) est pleinement justifié. De plus, un processeur rapide coûte beaucoup plus cher qu'un homologue lent. Cependant, l'un des principaux obstacles à l'augmentation de la fréquence d'horloge est la surchauffe inévitable du processeur, qui nécessite une meilleure évacuation de la chaleur de celui-ci.

Tout d'abord, voyons pourquoi la température du microprocesseur augmente avec une augmentation de la fréquence d'horloge et quels problèmes cela entraîne.

La puissance consommée par le processeur à partir de la source d'alimentation et dissipée sous forme de chaleur dans l'espace environnant se compose de deux composants : statique et dynamique. La partie statique de la puissance est consommée par des éléments logiques en position stable. Dans le cas général, cela dépend de l'état de l'élément (0 ou 1 logique), mais comme il y en a des millions dans le processeur, cela reste constant en moyenne.

La puissance dynamique est dépensée pour transférer un élément logique d'un état à un autre. À ce moment, les transistors formant l'élément s'ouvrent et se ferment, les capacités des jonctions et des circuits de connexion sont rechargées et d'autres processus se produisent qui entraînent une augmentation à court terme de la consommation d'énergie. On peut supposer qu'une certaine partie de l'énergie électrique est consommée à chaque commutation. Plus l'élément commute de fréquence, plus il consomme de telles portions par unité de temps et plus la puissance est dissipée.

Il faut dire que le rapport entre puissance dynamique et puissance statique pour des éléments logiques de types différents n'est pas le même. Par exemple, les éléments ECL (emitter-coupled logic) les plus rapides aujourd'hui n'ont pratiquement pas de composante dynamique et la puissance qu'ils consomment est presque indépendante de la fréquence. Les éléments de la structure CMOS, au contraire, ne consomment quasiment pas d'énergie en mode statique. Toute consommation électrique est dynamique et directement proportionnelle à la fréquence de découpage. D'autres types de logique occupent une position intermédiaire. Tout LSI, y compris un microprocesseur, contient de nombreux éléments, parfois de types différents, et la quantité d'énergie thermique libérée dépend toujours dans une certaine mesure de la fréquence de fonctionnement (horloge), augmentant avec son augmentation.

Comme on le sait, la surchauffe d'un système générateur de chaleur, c'est-à-dire la différence de température entre sa surface et l'environnement, est proportionnelle à la puissance dissipée. Les développeurs et les fabricants de microprocesseurs en tiennent compte comme l'un des facteurs qui déterminent la fréquence d'horloge maximale autorisée. Lorsque la fréquence d'horloge augmente, la température du microprocesseur augmente inévitablement. Même si nous négligeons la "brûlure" triviale - la panne complète du microcircuit, la surchauffe entraîne des conséquences très désagréables.

Lorsque la température augmente, les caractéristiques d'immunité au bruit des éléments logiques se détériorent. Cela est dû au fait que la résistance des transistors ouverts augmente et fermée - diminue. De ce fait, les niveaux de 1 et 0 logiques se rapprochent et le brouillage, dont l'amplitude à température normale était insuffisante pour commuter l'élément, devient dangereux. Il a été prouvé qu'il existe une certaine température critique, au-dessus de laquelle la probabilité de défaillance augmente fortement (par exemple, d'une valeur de l'ordre de 10-15 h-1 à 10-7 h-1), bien que l'élément continue travailler. Pour un processeur Pentium II contenant 7,5 millions de transistors, cela signifie que des pannes se produiront presque toutes les heures.

L'échec passe parfois inaperçu, gâchant, par exemple, un seul chiffre du résultat des calculs. Dans les cas les plus dangereux, cela amène l'ordinateur de contrôle à envoyer la mauvaise commande à l'objet géré. Lorsqu'un problème corrompt une commande de saut dans un programme exécutable, l'ordinateur se "bloque" généralement, exécutant une séquence de commandes absurde. Les blocages sont également associés à une panne thermique des éléments les plus chargés du processeur. Une telle panne est généralement réversible et, après refroidissement à l'état éteint, les performances de l'ordinateur sont restaurées.

D'après mon expérience (j'ai un AMD 5x86/133 overclocké à 160 MHz), je peux dire que si le ventilateur était accidentellement éteint, le processeur "se bloquerait" après avoir fonctionné pendant huit heures, mais après avoir allumé le ventilateur, tout est revenu à la normale . Des mesures (en appliquant un thermomètre conventionnel) ont montré que le processeur commençait à se bloquer à une température de surface supérieure à 41°, et à 40° il fonctionnait normalement.

Ainsi, une surchauffe du microprocesseur entraîne une augmentation de l'intensité des pannes de son fonctionnement et même des pannes. Tout cela doit être bien compris et pris en compte lorsqu'on tente d'overclocker le processeur à des vitesses d'horloge plus élevées. La principale conclusion est que. qu'il est nécessaire de prendre soin d'éliminer la quantité accrue de chaleur et de refroidir le processeur à une température inférieure à la température critique.

Pour le refroidissement, des dissipateurs de chaleur sont utilisés - des plaques métalliques avec une surface suffisamment grande. Malheureusement, l'efficacité du dissipateur thermique n'augmente pas proportionnellement à sa surface. Il est augmenté en soufflant la surface du dissipateur thermique avec un ventilateur. Il faut dire que la plupart des processeurs utilisés dans les ordinateurs modernes sont conçus pour fonctionner avec un dissipateur thermique soufflé (on l'appelle un "refroidisseur" du mot cool - froid), sans lequel il est interdit de les faire fonctionner. On ne peut donc parler que d'augmenter l'efficacité de cet appareil.

Heureusement (ou malheureusement), il y a une réserve. En raison de l'irrégularité de la surface, le dissipateur thermique standard n'adhère pas étroitement au boîtier du microprocesseur, il y a une couche d'air entre eux qui empêche le transfert de chaleur. La résistance thermique (le soi-disant coefficient de proportionnalité entre la différence de température aux limites de la couche et la puissance thermique transmise, mesurée en degrés par watt) de la couche peut être réduite en la rendant plus mince et en la remplissant d'une substance qui conduit bien chauffer. Le premier est obtenu en meulant les surfaces en contact, le second - en les lubrifiant avec une pâte spéciale.

Pour atteindre l'objectif, il faut travailler un peu. Sur une surface plane (il vaut mieux prendre une feuille de verre), posez du papier de verre et. humidifiez-le bien avec de l'huile de machine et redressez-le, poncez la surface du dissipateur thermique. à côté du processeur. Cela doit être fait sans pression dans un mouvement circulaire, en ajoutant constamment de l'huile et en tournant la pièce comme ceci. afin que toute la surface du contact thermique soit meulée uniformément. Vous devez commencer avec du papier de verre grossier, en passant progressivement à un papier plus fin (jusqu'à "zéro"). Lorsque la surface devient uniformément mate-miroir, le meulage peut être arrêté et la pâte thermoconductrice peut être traitée.

La pâte KPT-8 se trouve parfois en vente, mais c'est rare et loin de partout. En son absence, vous pouvez vous débrouiller avec des moyens improvisés. De tous les liquides, le mercure a la conductivité thermique la plus élevée, mais en raison de la toxicité des vapeurs, de la conductivité électrique et de l'activité chimique élevée, il ne doit pas être utilisé. Elle est suivie par de l'eau (conductivité thermique 0,648 W/m rad.), mais elle est électriquement conductrice et s'évapore rapidement. Parmi les liquides non asséchants, la conductivité thermique est maximale pour la glycérine (0,283 W/m rad.). De plus, il augmente avec l'augmentation de la température (pour les autres liquides, il diminue).

Prenez de la glycérine et ajoutez-y environ deux fois le volume de poudre d'aluminium. Broyez et remuez bien ce mélange pour former une pâte argentée uniforme et visqueuse. Il doit coller et maculer, mais garder sa forme et ne pas se répandre. Cette pâte ne conduit pas l'électricité. mais vous devez toujours éviter de le mettre sur les cartes des nœuds d'ordinateur et des broches de microcircuit. À l'aide d'un pinceau, appliquez une petite quantité d'ailettes sur les surfaces de contact du processeur et du dissipateur thermique. Certains essaient d'étaler davantage, croyant naïvement que la pâte est conductrice de chaleur. il doit être appliqué plus épais. Au contraire, plus c'est petit, mieux c'est. Il est nécessaire que la couche soit aussi fine que possible et recouvre uniformément les deux surfaces, déplaçant l'air et remplissant toutes les irrégularités.

Placez délicatement le dissipateur thermique sur le processeur et déplacez-le légèrement pour expulser l'air restant et l'excès de pâte dans l'espace. N'oubliez pas de fixer le dissipateur de chaleur, ainsi que le ventilateur et de le connecter. Maintenant tout est prêt. Pour vérifier, "conduisez" un test de processeur dans le système de dépannage pendant quelques heures, et si aucune panne n'est détectée, vous pouvez travailler calmement.

Auteur : I. Korznikov, Iekaterinbourg

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