Cyfroteka.pl

klikaj i czytaj online

Cyfro
Czytomierz
00256 004778 18972429 na godz. na dobę w sumie
Chłodzenie procesorów PC - książka
Chłodzenie procesorów PC - książka
Autor: Liczba stron: 208
Wydawca: Helion Język publikacji: polski
ISBN: 978-83-283-5091-5 Data wydania:
Lektor:
Kategoria: ebooki >> komputery i informatyka >> hardware >> rozbudowa i naprawa
Porównaj ceny (książka, ebook (-35%), audiobook).

Chłodzenie procesorów PC bez tajemnic

Komputery osobiste, stacje robocze i serwery zużywają w czasie pracy dużo energii elektrycznej, emitując przy tym sporo ciepła. Znaczna jego część jest wydzielana przez procesory, które są coraz szybciej taktowane i wyposażane w coraz większą liczbę rdzeni. Zbyt wysoka temperatura wewnątrz jednostek centralnych powoduje zmniejszenie stabilności pracy i szybsze zużycie podzespołów, a w konsekwencji pogorszenie wydajności i zwiększenie awaryjności. Dlatego tak istotne jest wprowadzanie technik efektywnego chłodzenia elementów elektronicznych i ciągłe poszukiwanie nowych rozwiązań w ramach badań w tym zakresie.

Książka jest przeznaczona dla osób zainteresowanych zgłębieniem aktualnej wiedzy na temat dostępnych technik chłodzenia procesorów komputerowych. Autor przedstawia teoretyczne podstawy zjawisk związanych z wymianą ciepła w elementach elektronicznych - prezentuje stosowane w tym zakresie modele i metody, szczegółowo opisuje badania nad chłodzeniem wykorzystującym powietrze, wodę i nanopłyny, a także omawia możliwości zwiększenia wydajności wymiany ciepła przy użyciu innych technik. To obowiązkowa pozycja dla każdego, kto zawodowo zajmuje się tą tematyką.

Znajdź podobne książki Ostatnio czytane w tej kategorii

Darmowy fragment publikacji:

Wszelkie prawa zastrzeżone. Nieautoryzowane rozpowszechnianie całości lub fragmentu niniejszej publikacji w jakiejkolwiek postaci jest zabronione. Wykonywanie kopii metodą kserograficzną, fotograficzną, a także kopiowanie książki na nośniku filmowym, magnetycznym lub innym powoduje naruszenie praw autorskich niniejszej publikacji. Wszystkie znaki występujące w tekście są zastrzeżonymi znakami firmowymi bądź towarowymi ich właścicieli. Autor oraz Wydawnictwo HELION dołożyli wszelkich starań, by zawarte w tej książce informacje były kompletne i rzetelne. Nie biorą jednak żadnej odpowiedzialności ani za ich wykorzystanie, ani za związane z tym ewentualne naruszenie praw patentowych lub autorskich. Autor oraz Wydawnictwo HELION nie ponoszą również żadnej odpowiedzialności za ewentualne szkody wynikłe z wykorzystania informacji zawartych w książce. Redaktor prowadzący: Barbara Lepionka Opiniodawca: prof. dr hab. inż. Andrzej Nowak, Politechnika Śląska Projekt okładki: Studio Gravite / Olsztyn Obarek, Pokoński, Pazdrijowski, Zaprucki Grafika na okładce została wykorzystana za zgodą Shutterstock.com Wydawnictwo HELION ul. Kościuszki 1c, 44-100 GLIWICE tel. 32 231 22 19, 32 230 98 63 e-mail: helion@helion.pl WWW: http://helion.pl (księgarnia internetowa, katalog książek) Drogi Czytelniku! Jeżeli chcesz ocenić tę książkę, zajrzyj pod adres http://helion.pl/user/opinie/chprpc Możesz tam wpisać swoje uwagi, spostrzeżenia, recenzję. ISBN: 978-83-283-5091-5 Copyright © Helion 2020 Printed in Poland. • Kup książkę • Poleć książkę • Oceń książkę • Księgarnia internetowa • Lubię to! » Nasza społeczność Spis treści Wstęp ............................................................................................... 7(cid:3) Rozdział 1. Historia a współczesność ..................................................................... 9(cid:3) Rozdział 2. Podstawy teoretyczne ...................................................................... 19(cid:3) 2.1. Model oporu konwekcyjnego ............................................................................ 19(cid:3) Model dwóch oporów: opór konwekcyjny i płynu ....................................... 21(cid:3) 2.2. 2.3. Metoda LMTD .................................................................................................... 23(cid:3) 2.4. Metoda efektywność-NTU ................................................................................ 24(cid:3) 2.5. Porównanie modeli efektywności wymiennika ciepła, oporu konwekcyjnego, dwóch oporów (dla stałego strumienia ciepła) i oporu całkowitego ............................................................................................ 26(cid:3) Inne zalety stosowania metodologii wymienników ciepła ............................ 28(cid:3) 2.6.1. Efekt wypychania .................................................................................. 28(cid:3) 2.6.2. Określenie wpływu omijania (bypass) ................................................ 29(cid:3) Spadek ciśnienia i wymiana ciepła w radiatorach o wlocie powietrza prostopadłym od góry ........................................................................................ 38(cid:3) 2.6. 2.7. Rozdział 3. Badania odbioru ciepła wydzielanego przez procesor komputera PC za pomocą radiatora chłodzonego powietrzem .................................. 47 Opis instalacji i badania wstępne ...................................................................... 47(cid:3) 3.1. 3.2. Wpływ temperatury radiatora na pracę wentylatora ..................................... 51(cid:3) 3.3. Współczynnik wnikania ciepła ......................................................................... 51(cid:3) Rozdział 4. Badania chłodzenia wodnego ........................................................... 61 Budowa bloku wodnego Zalman ZM-WB3 Gold ......................................... 61(cid:3) Opis stanowiska laboratoryjnego ...................................................................... 64(cid:3) 4.2.1. Obliczanie bloku chłodzącego ............................................................. 65(cid:3) 4.1. 4.2. Poleć książkęKup książkę 4 Spis treści 4.3. Obliczenia dla danych eksperymentalnych ..................................................... 66(cid:3) 4.3.1. Przykład obliczeniowy .......................................................................... 67(cid:3) 4.4. Wyniki obliczeń .................................................................................................. 68(cid:3) Podsumowanie .................................................................................................... 75(cid:3) 4.5. Rozdział 5. Nanopłyny ...................................................................................... 77 Synteza nanopłynów .......................................................................................... 78(cid:3) 5.1. Gęstość nanopłynów .......................................................................................... 78(cid:3) 5.2. Dynamiczny współczynnik lepkości ................................................................ 80(cid:3) 5.3. 5.4. Współczynnik przewodzenia ciepła ................................................................. 80(cid:3) 5.4.1. Pomiar współczynnika przewodzenia ciepła nanopłynu z zastosowaniem metody Transient Hot Wire (THW) ................... 85(cid:3) 5.4.2. Budowa i zasada działania urządzenia pomiarowego ...................... 86 5.4.3. Pomiar i opracowanie wyników .......................................................... 88 6.3. 6.1. 6.2. Rozdział 6. Chłodzenie nanocieczą procesora komputera osobistego .................... 95 Pomiary ................................................................................................................ 95(cid:3) Numeryczna mechanika płynów (CFD) .......................................................... 97(cid:3) 6.2.1. Preprocesor ............................................................................................ 99(cid:3) 6.2.2. Solwer ...................................................................................................... 99(cid:3) 6.2.3. Postprocesor .......................................................................................... 100(cid:3) Opis bloku chłodzącego i modelowania za pomocą preprocesora Gambit ..... 100(cid:3) 6.3.2. Tworzenie siatki .................................................................................. 102(cid:3) Modelowanie CFD we Fluencie ...................................................................... 103(cid:3) 6.4.1. Woda jako medium chłodzące .......................................................... 103(cid:3) 6.4.2. Symulacje chłodzenia nanopłynem woda – CuO ........................... 108(cid:3) 6.4.3. Podsumowanie .................................................................................... 112(cid:3) Rozważania i obliczenia Korpysia .................................................................. 112(cid:3) 6.5.1. Model CFD ........................................................................................... 114(cid:3) 6.5.2. Wyniki .................................................................................................. 116(cid:3) 6.5.3. Podsumowanie .................................................................................... 130(cid:3) 6.5. 6.4. 7.1. 7.2. Rozdział 7. Postępy w chłodzeniu procesorów ................................................... 133 Przewodzenie ..................................................................................................... 133(cid:3) Chłodzenie powietrzem ................................................................................... 135(cid:3) 7.2.1. Wentylatory ......................................................................................... 138(cid:3) 7.2.2. Osady na powierzchni wymiany ciepła ............................................ 138(cid:3) Poleć książkęKup książkę (cid:3) (cid:3) Spis treści 5 7.3. 7.2.3. Innowacje ............................................................................................. 140(cid:3) 7.2.4. Podsumowanie .................................................................................... 151(cid:3) Alternatywne metody chłodzenia procesorów PC ....................................... 153(cid:3) 7.3.1. Piezowentylatory ................................................................................. 153(cid:3) 7.3.2. Syntetyczne strumienie chłodzące .................................................... 153(cid:3) 7.3.3. Nanobłyskawice ................................................................................... 154(cid:3) 7.3.4. Chłodzenie cieczą ................................................................................ 154(cid:3) 7.3.5. Ciepłowody .......................................................................................... 156(cid:3) 7.3.6. Zimne płytki ......................................................................................... 157(cid:3) 7.3.7. Mikrokanały i minikanały .................................................................. 157(cid:3) 7.3.8. Chłodzenie elektrohydrodynamiczne i elektrozwilżanie ................. 161(cid:3) 7.3.9. Chłodzenie ciekłym metalem ............................................................ 162(cid:3) 7.3.10. Chłodzenie przez zanurzenie ............................................................. 164(cid:3) 7.3.11. Uderzenie strumienia cieczy .............................................................. 170(cid:3) 7.3.12. Chłodzenie aerozolem ........................................................................ 171(cid:3) 7.3.13. Chłodzenie w ciele stałym .................................................................. 173(cid:3) 7.3.14. Chłodzenie w supersieci i heterostrukturze .................................... 177(cid:3) 7.3.15. Chłodzenie termojonowe i termotunelowe ..................................... 178(cid:3) 7.3.16. Materiały bazujące na przemianie fazowej i akumulatory ciepła .... 179(cid:3) Chłodzenie ekstremalne ................................................................................... 181(cid:3) 7.4. 7.5. Wnioski dotyczące rozwoju chłodzenia procesorów ................................... 186(cid:3) 7.5.1. Podejście fenomenologiczne .............................................................. 186(cid:3) 7.5.2. Architektura systemu oparta na technikach zarządzania ciepłem .................................................................................................. 186(cid:3) 7.5.3. Monitorowanie obciążenia cieplnego ............................................... 187(cid:3) 7.5.4. Zrównoważony rozwój ....................................................................... 187(cid:3) 7.5.5. Potrzeba standaryzacji charakteryzacji opisu wydajności cieplnej hardware’u ............................................................................. 187(cid:3) Podsumowanie .................................................................................................. 188(cid:3) 7.6. Spis oznaczeń ................................................................................ 203 Skorowidz ..................................................................................... 205 (cid:3) Poleć książkęKup książkę 6 Spis treści (cid:3) (cid:3) Poleć książkęKup książkę Wstęp Komputery osobiste, serwery lub stacje robocze zużywają do pracy znaczną ilość energii elektrycznej. Aktualnie standardem są zasilacze 500 W przeznaczone dla zestawów klasy PC (dla graczy nawet 850 W). Energia ta jest w dużej mierze rozpraszana pod postacią ciepła z takich elementów jak procesory (CPU) i karty graficzne, których jednostki obli- czeniowe (GPU) coraz częściej zbliżają się parametrami pracy do procesorów kompute- rów sprzed paru lat. Powoduje to wzrost temperatury tych elementów. Niestety, wysoka temperatura ma niekorzystny wpływ na sprzęt elektroniczny, gdyż powoduje niestabilną pracę, skraca żywotność na skutek usterek mechanicznych, elektronicznych i korozji oraz spowalnia szybkość obliczeń [1]. Może nawet w niekorzystnym przypadku dopro- wadzić do spalenia procesora. Dlatego też wraz z nowymi technologiami elektroniki użyt- kowej intensywnie rozwija się gałąź przemysłu zajmująca się jej chłodzeniem. Oferowane są różne metody odbioru ciepła, rozpoczynając od klasycznych rozwiązań opierających się wyłącznie na powietrzu, poprzez chłodzenie obiegami cieczy, a kończąc na rozwiąza- niach niestandardowych, takich jak chłodzenie za pomocą skroplonych gazów. Duży nacisk kładzie się na komfort użytkowania sprzętu. Komputery muszą działać cicho, jeżeli użyt- kownicy mają przy nich spędzić dużo czasu. W celu wyeliminowania hałasu stosuje się wolnoobrotowe wentylatory i rury cieplne (ciepłowody) bądź też likwiduje się źródło hałasu poprzez zastosowanie chłodzenia pasywnego czy obiegów cieczy. Obecnie używane procesory zużywają nawet do 290 W, a niektóre przewidywania sięgają aż 400 W w 2020 r. Przydatnym narzędziem do analizy odbioru ciepła w mini- czy mikrokanałach jest nume- ryczna mechanika płynów (CFD), która po walidacji doświadczalnej modeli pozwala na analizę wpływu różnych zmiennych na temperaturę procesora. Po wpisaniu do wyszukiwarki Google hasła „chłodzenie procesora” otrzymano około 368 000 wyników. Taki rezultat świadczy o ogromnym rynku różnego rodzaju przyrządów, artykułów i materiałów związanych z szeroko pojętym odbiorem ciepła z procesorów PC. Poleć książkęKup książkę 8 Wstęp Autor zajmuje się tym problemem od 2004 r., prowadząc prace dyplomowe magisterskie [2 – 8], uczestnicząc w badaniach własnych i statutowych oraz pisząc [9 – 14] i recenzując artykuły naukowe. Ciekawym doświadczeniem było promotorstwo pracy doktorskiej [15]. Wspomniane badania dotyczą zarówno chłodzenia powietrznego procesorów PC [2], jak i chłodzenia cieczą, w tym nanocieczą [3 – 8]. Niniejsza monografia jest podsumowaniem tych badań. Literatura [1] Shabany Y., Heat transfer. Thermal management of electronics, CRC Press, Boca Raton 2010. [2] Lemanowicz M., Analiza ciepła wydzielanego z procesora komputera klasy PC oraz jego odbioru za pomocą radiatora z wentylatorem, praca dyplomowa magisterska, Gliwice 2006. [3] Kowalik M., Analiza odbioru ciepła z procesora komputera klasy PC za pomocą bloku chłodzonego cieczą, praca dyplomowa magisterska, Gliwice 2007. [4] Janusz M., Analiza odbioru ciepła z procesora komputerowego za pomocą bloków chłodzonych wodą, praca dyplomowa magisterska, Gliwice 2008. [5] Gorczyca P., Badania chłodzenia procesorów PC przy pomocy nanocieczy, praca dyplomowa magisterska, Gliwice 2009. [6] Sieradzki P., Investigation of CPU nanoliquid cooling by the CFD method, praca dyplomowa magisterska, Gliwice 2009. [7] da Silva T.P., Nanoliquids use to PC/CPU cooling, praca dyplomowa magisterska, Gliwice 2010. [8] Sikora-Jasińska M., Chłodzenie procesorów PC za pomocą płynów, praca dyplomowa magisterska, Gliwice 2011. [9] Lemanowicz M., Wójcik J., Przegląd metod chłodzenia procesorów komputerowych, „Inż. Ap. Chem” 2006, nr 6, s. 10 – 15. [10] Tychże, Studies of Heat Transfer From PC Processor to the Air Cooled Heat Sink, „Chemical Process Engineering” 2007, No. 28, pp. 57 – 66. [11] Korpyś M., Al-Rashed M., Dzido G., Wójcik J., CPU Heat Sink Cooled by Nanofluids and Water: Experimental and Numerical Study, „Escape” 2013, No. 23, pp. 409 – 414, doi: 10.1016/B978-0-444-63234-0.50069-5. [12] Al-Rashed M., Dzido G., Korpyś M., Smołka J., Wójcik J., Investigation on the CPU Nanofluid Cooling, „Microelectronics Reliability” 2016, No. 63, pp. 159 – 165, doi: 10.1016/j.microrel. 2016.06.016. [13] Korpyś M., Dzido G., Wójcik J., Experimental and CFD investigation of commercial PC heat sink performance using water and nanofluids, 14th Eu. Conf. of Mixing, Warszawa 2012, s. 229 – 234. [14] Tychże, CPU cooling using water and nanofluids, experimental and CFD investigation, NHT2012 Int. Conference, Wrocław 2012. [15] Korpyś M., Analiza wnikania ciepła w wybranych układach przy przepływie nanopłynu CuO — woda, praca doktorska, Gliwice 2016. Poleć książkęKup książkę Rozdział 1. Historia a współczesność Gordon E. Moore, współzałożyciel Intela, w 1965 r. przewidział, że ekonomicznie opty- malna liczba tranzystorów w układzie scalonym dostępnym w handlu co roku będzie się podwajać. Dokonał tego na podstawie obserwacji z lat 1962 – 1965, kiedy tendencja ta w przybliżeniu się utrzymywała. Miało to zaowocować liczbą tranzystorów równą 65 000 na czipie w 1975 r. Było to przewidywanie zgrubne [1], które zostało okrzyknięte prawem Moore’a (rysunek 1.1). Już wtedy Moore zauważył problem rozpraszania i odbioru cie- pła z układu scalonego. Wydawało mu się, że z uwagi na dwuwymiarowość i powierzch- niowość czipu oraz jego mniejsze rozmiary będzie możliwa szybsza praca dla tej samej gęstości mocy rozproszonej. (cid:3)(cid:3) RYSUNEK 1.1. Przybliżona liczba tranzystorów dla złożonych układów scalonych w zależności od roku wprowadzenia na rynek [1] Po dziesięciu latach i dokonaniu inspekcji dostępnych układów scalonych Moore doszedł do wniosku, że trend ten powinien się utrzymywać dalej [2] (rysunek 1.2), choć z uwagi na zmniejszającą się szybkość wynalazków odnoszących się do zwiększenia gęstości upa- kowania elementów podwojenie elementów na czipie może być ograniczone do dwóch lat (rysunek 1.3). Poleć książkęKup książkę 10 Chłodzenie procesorów PC RYSUNEK 1.2. Inspekcja prawa Moore’a w 1975 r. [2] (cid:3) (cid:3)(cid:3) (cid:3) RYSUNEK 1.3. Przewidywanie krzywej złożoności z granicą zwiększania gęstości upakowania elementów, wynikającą z barier technologicznych [2] Na sympozjum w 2003 r. [3] Moore przedstawił m.in. porównanie przewidywania z 1975 r. [2] z historycznymi danymi z rynku (rysunek 1.4). Do pewnego stopnia przybliżone dwuletnie podwojenie liczby tranzystorów przewidziane w 1975 r. [2] jest wynikiem kurczenia się rozmiarów obwodów drukowanych i układów scalonych oraz wzrostu rozmiaru kości. Szybsza prędkość wzrostu złożoności w porów- naniu do danych 1975 r. została uzyskana dzięki wpływowi dodatkowego czynnika — nowych struktur układów ścieśniających obszary marnowane do tej pory na krzemie. Ponieważ do 1975 r. było mało do ścieśnienia, prędkość postępu zmalała [3]. Rysunek 1.5 przedstawia maksymalne rozproszenie ciepła z procesorów [4] znanych do 1999 r. Z perspektywy czasu może on wywołać uzasadniony uśmiech na twarzy czytają- Poleć książkęKup książkę Rozdział 1. (cid:139) Historia a współczesność 11 RYSUNEK 1.4. Porównanie przewidywań z 1975 r. z danymi historycznymi [3] (cid:3) (cid:3) RYSUNEK 1.5. Maksymalna dyssypacja ciepła z procesorów [4] w zależności od technologii wykonania cego. Technologie do 0,8 (cid:80)m stosowały skalowanie przy stałej różnicy potencjałów, dla- tego moc rozpraszana dramatycznie rosła na skutek wzrostu liczby tranzystorów, choć moc zużywana przez jeden tranzystor była stała. Moc prądów zerowych (moc statyczna) dla technologii przed 0,18 (cid:80)m wynosiła poniżej 5 mocy całkowitej. Należy podkreślić, że rozproszenie ciepła zależy nie tylko od skali technologii, ale również od zastosowanej architektury i projektu obwodu. Artykuł [5] jest poświęcony rozważaniom na temat pojedynczego mikroprocesora wobec trendów w gęstości mocy oraz Thermal Design Power (TDP), czyli maksymalnej ilości wydzielanej mocy cieplnej, którą trzeba odebrać z procesora. W rozumieniu firmy Intel TDP to moc, którą procesor pobiera (i oddaje w postaci ciepła) przy obciążeniu realnymi aplikacjami. AMD zaczął podawać moc procesora uzyskiwaną w realnych warunkach, nazywając ją ACP (ang. Average CPU Power — średnia moc procesora) [6]. Poleć książkęKup książkę 12 Chłodzenie procesorów PC Rozważania te oparto na tendencjach wynikających z prawa Moore’a i teorii skalowania [5]. Omówiono moc aktywną. Równie istotna jest moc bierna, którą urządzenie zużywa w stanie gotowości do pracy. Całkowita moc rozpraszana podczas pracy (w stanie aktywnym) jest sumą składników dynamicznych i statycznych. Moc przełączeń, czyli moc rozpraszana dynamicznie, pocho- dzi z ładowania i rozładowywania pojemności ((cid:69)CU2f). Występuje ona, gdy w urządzeniu zachodzi przejście napięciowe zużywające moc. Współczynnik aktywności przełączeń ((cid:69)) zdefiniowano jako efektywną liczbę takich przejść. Zależy on od topologii obwodu, stylu logiki oraz statystyki sygnałów wejściowych. Dlatego można uważać, że jest on miarą średniego prawdopodobieństwa możliwych wyjść. Oszacowanie takich współczynników dla dużych obwodów jest skomplikowane, bo sygnały wejściowe nie są stałe. Aktywność przełączeń jest jedną z głównych przyczyn większego zużycia mocy przez tranzystory logiczne, dla których współczynniki aktywności są bardzo duże w porównaniu do ich war- tości dla tranzystorów pamięci. Mniejszy udział w dynamicznym rozpraszaniu mocy ma prąd zwarcia (Iz), który przepływa chwilowo, gdy PMOS i NMOS w inwerterze przewo- dzą równocześnie podczas zmiany stanu. Rozpraszanie statyczne mocy następuje na skutek różnych prądów zerowych (I0) (prądów upływowych) pochodzących z ograniczeń technologicznych w tranzystorze. Całkowite rozproszenie mocy podczas stanu aktywnego pracy tranzystora może być wyra- żone następującym wzorem: (cid:19)(cid:3404)(cid:69)(cid:6)(cid:1847)(cid:2870)(cid:1858)(cid:3397)(cid:3)(cid:1835)(cid:3053)(cid:1847)(cid:3397)(cid:1835)(cid:2868)(cid:1847)(cid:3)(cid:3) (cid:11)(cid:20)(cid:17)(cid:20)(cid:12)(cid:3) Pierwsze dwa składniki po prawej stronie równania (1.1) to część dynamiczna, a ostatni to składnik statyczny. Moc przełączeń jest dominującą częścią rozproszenia energii w obwo- dach. Dla układu scalonego wartość uzyskaną ze wzoru (1.1) należy pomnożyć przez liczbę tranzystorów. Z uwagi na to, że rozmiary tranzystorów w czipie są różne, wzór ten daje tylko rząd wielkości. Zwykle rozmiary tranzystorów pamięci są znacznie mniejsze od tranzystorów logicznych, stąd też gęstość ich upakowania może być większa. Do lat osiemdziesiątych liczba tranzystorów w czipie podwajała się co roku, a później co 18 – 24 miesiące. Okres ten jest często nazywany pokoleniem technologicznym lub generacją. Cha- rakteryzuje go rozmiar minimalny (długość bramki), określany jako węzeł technologiczny. Zależy on od użytej litografii — w czasie pisania tej książki litografia 10 nm sprawiała Intelowi dużo problemów, opanowana była jednak technologia 14 nm, np. Core i9-9900K. Na rysunku 1.6 przedstawiono przewidywanie gęstości mocy przy następujących założe- niach: moc prądów zerowych wynosiła 30 mocy całkowitej, a moc prądów zwarcia 5 mocy przełączeń. Porównano tę prognozę z danymi ITRS 2004 (ang. International Tech- nology Roadmap for Semiconductors). Na podstawie dzisiejszych danych widać, że pro- gnoza ITRS była bliższa prawdy. Poleć książkęKup książkę Rozdział 1. (cid:139) Historia a współczesność 13 (cid:3) RYSUNEK 1.6. Porównanie średniej gęstości mocy otrzymanej na podstawie [1] oraz ITRS 2004 [5] Praca wielowątkowa procesorów [7] pozwala zwiększyć ich wydajność przy mniejszym napięciu i częstotliwości, co powoduje zmniejszenie wydzielanego ciepła i jego mniejszą gęstość. Na rysunku 1.7 przedstawiono aktualizację prawa Moore’a dokonaną w 2011 r. [8]. Dane do 2017 r. można znaleźć np. w [9]. Wielokrotnie ogłaszano, że prawo Moore’a przestaje obowiązywać, ale było to chyba przed- wczesne [10, 11]. W raporcie ITRS2.0 [12] przedstawiono hasło: „Moore’s Law is dead, long live Moore’s Law!” (co nawiązuje do powiedzenia „Umarł król, niech żyje król!”) i wyjaśniono, że każdorazowe ograniczenie postępu w jednej dziedzinie powodowało postęp w innej, dlatego też trend pozostaje aktualny. Jeśli chodzi o zużycie mocy, to [12] prze- widuje ograniczenie 10 W/cm2 np. dla ALU 32 bit (ang. Arithmetic Logic Unit). Poniżej (rysunek 1.8) zamieszczono przewidywania mocy rozpraszanej z procesora wyso- kiej wydajności [13]. Aktualnie sprzedawany [14] przez Intela procesor i9-7980XE posiada następujące para- metry: 22 MB pamięci podręcznej, 16 rdzeni, 32 wątki, 165,0 W Max TDP, zegar 2,80 GHz, 4,20 GHz maksymalnej częstotliwości podkręcania dozwolonej przez producenta dla zwy- kłych użytkowników. W celu porównania rzeczywistych wartości wydajności oraz TDP i temperatur procesorów przeprowadzono badania porównawcze [15]. Do testów użyto monitora Kill-A-Watt, programów wPrime (programu do obliczeń wielowątkowych pierwiastków kwadratowych metodą Newtona) oraz Aida64 (programu diagnostycznego i rejestrującego temperatury procesora). Wymiennik ciepła Noctua NH-U12S był zamontowany na procesorach, użyto również pasty Noctua NT-H1. Jak widać, całkowita moc obciążonego w powyższy sposób procesora i9-7980XE sięga 281 W, a gotowego do pracy 92,7 W (ok. 33 ) (rysunek 1.9). Poleć książkęKup książkę 14 Chłodzenie procesorów PC RYSUNEK 1.7. Wzrost liczby tranzystorów w procesorach w latach 1971 – 2011 [8] (cid:3) (cid:3) RYSUNEK 1.8. Przewidywania mocy rozpraszanej z procesora wysokiej wydajności [13] Poleć książkęKup książkę Rozdział 1. (cid:139) Historia a współczesność 15 (cid:3) RYSUNEK 1.9. Porównanie mocy zużywanej przez procesory gotowe do pracy oraz w pełni obciążone [15] W celu porównania danych testowych z teoretycznym wzorem (1.1) wykonano oblicze- nia pomijając dwa ostatnie składniki. Wiedząc, że przy taktowaniu 2,8 GHz TDP wynosi 165W, to dla 4,2 GHz otrzymuje się TPD = 247,5 W, widać tu niedoszacowanie wyno- szące ok. 13,5 . Natomiast temperatura pracy jest rzędu (rysunek 1.10) 63oC. Interesujące jest porówna- nie zużywanych mocy przez różne procesory i ich temperatury pracy — oczywiście ich wydajności są w pewnym stopniu zależne od tych parametrów, ale również od architek- tury czipów. Poleć książkęKup książkę 16 Chłodzenie procesorów PC (cid:3) RYSUNEK 1.10. Temperatury pracy procesorów dostępnych na rynku [15] Analizując powyższe dane (rysunek 1.9), widać, że TDP utrzymuje się na poziomie prze- widzianym przez ITRS [12, 13], a procesory wielordzeniowe i pracujące wielowątkowo na razie nie mają alternatywy. Natomiast radiatory (np. wspomniany wyżej Noctua NH-U12S) są chętnie stosowane do chłodzenia procesorów nawet przez wymagających użytkowni- ków (graczy). Literatura(cid:3) [1] Moore G.E., Cramming more components onto integrated circuits, „Electronics” 1965, April 19, Vol. 38, No 8, pp. 114 – 117. [2] Tegoż, Progress In Digital Integrated Electronics, Technical Digest, International Electron Devices Meeting, IEEE, 1975, pp. 11 – 13. [3] Tegoż, No Exponential is Forever: But “Forever” Can Be Delayed!, ISSCC 2003, 2003 IEEE International Solid-State Circuits Conference, Session 1, Plenary 1.1. [4] Borkar S., Design challenges of technology scaling, „IEEE Micro” 1999, No 4, Vol. 19, pp. 23 – 29. [5] Krishnan S., Garimella S.V., Chrysler G.M., Mahajan R.V., Towards a Thermal Moore’s Law, „IEEE Trans. on Adv. Packaging” 2007, No. 3, Vol. 30, pp. 462 – 474. [6] Thermal Design Power, https://pl.wikipedia.org/wiki/Thermal_Design_Power [dostęp: 11 lipca 2018]. [7] Parkhurst J., Darringer J., Grundmann B., From Single Core to Multi-Core: Preparing for a new exponential, 2006 IEEE/ACM International Conference on Computer Aided Design, pp. 67 – 72. [8] Wgsimon (praca własna), CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index. php?curid=15193542 [dostęp: 28 czerwca 2018]. Poleć książkęKup książkę Rozdział 1. (cid:139) Historia a współczesność 17 [9] Transistor count, https://en.wikipedia.org/wiki/Transistor_count [dostęp: 24 lipca 2018]. [10] Prawo Moore’a, https://pl.wikipedia.org/wiki/Prawo_Moore E2 80 99a [dostęp: 28 czerwca 2018]. [11] Bójko M., Prawo Moore’a. Jak wygląda postęp?, http://wyborcza.pl/1,145452,20082383,prawo- moore-a-jak-wyglada-postep.html?disableRedirects=true [dostęp: 28 czerwca 2018]. [12] International Technology Roadmap for Semiconductors 2.0, 2015 Edition, https://www. semiconductors.org/wp-content/uploads/2018/06/0_2015-ITRS-2.0-Executive-Report-1.pdf [dostęp: 28 czerwca 2018]. [13] Shabany Y., Heat transfer. Thermal management of electronics, CRC Press, Boca Raton 2010. [14] Intel Core i9-7960X Processor, https://www.intel.com/content/www/us/en/products/ processors/core/x-series/i9-7960x.html [dostęp: 6 lipca 2018]. [15] Intel 8th Gen Core CPUs, https://lanoc.org/review/cpus/7656-intel-8th-gen-core-cpus-coffee- lake?showall= start=4 [dostęp: 7 lipca 2018]. (cid:3) Poleć książkęKup książkę 18 Chłodzenie procesorów PC Poleć książkęKup książkę Skorowidz A ACP, Average CPU Power, 11 aerozol, 171 akumulatory ciepła, 179 algorytm obliczeń ciśnienia, 114 ALU, Arithmetic Logic Unit, 13 architektura systemu, 186 B badania chłodzenie powietrzem, 47 wodne, 61 opracowanie wyników, 88 pomiary, 88, 95 blok chłodzący wodny, 61 symulacja pracy, 100 błędy pomiarów, 113 bypass, 29 C całkowite rozproszenie mocy, 12 CFD, Computational Fluids Dynamics, 97, 114, 130 CHA, chemical heat accumulator, 179 chemiczne akumulatory ciepła, CHA, 179 chłodzenie aerozolem, 171, 172 cieczą, 154 ciekłym metalem, 162, 164 ekstremalne, 181 elektrohydrodynamiczne, 161 mikrokanałowe, 160 nanocieczą, 95 nanopłynem, 108 powietrzem, 47, 135 procesorów, 133 procesorów PC, 153 przez wrzenie pęcherzykowe, 165 termojonowe, 178 termotunelowe, 178 w ciele stałym, 173 w heterostrukturze, 177 w supersieci, 177 wodne, 61 zanurzeniowego serwera, 167 ciekły azot, 185 metal, 162 ciepłowody, 156 COP, coefficient-of-performance, 176 E efekt wypychania, 28 efektywna różnica temperatur, 143 efektywność, 26 żebra, 34 elektrozwilżanie, 161 G generator wirów wzdłużnych, 152 gęstość nanopłynów, 78 glikol etylenowy, 73 Poleć książkęKup książkę 206 Skorowidz K konfiguracja radiatora, 33 konwekcja naturalna, 134 wymuszona, 134 kryterium jakości ZT, 174 krzywe spadku ciśnienia, 37 kurz, 140 L liczba Nusselta, 127, 128 Reynoldsa, Re, 32, 35 tranzystorów, 14 żeber, 35, 36 LMpTD, Logarithmic Mean Temperature Difference, 19, 23 M materiały bazujące na przemianie fazowej, 179 medium chłodzące, 103 metoda CFD, 19 efektywność-NTU, 24 LMTD, 23 Transient Hot Wire, 85 Micro ATX, 182 mikrokanały, 157 Mini ITX, 183 minikanały, 157 moce chłodzące, 178 model CFD, 114, 130 dwuskładnikowy, 21 oporu konwekcyjnego, 19 modele efektywności wymiennika ciepła, 27 moduł Peltiera, 175 monitorowanie obciążenia cieplnego, 187 Moore Gordon E., 9 mostek Wheatstone’a, 87 N nanobłyskawice, 154 nanocząstki CuO, 77 nanopłyn woda — CuO, 108, 118 nanopłyny, 77 gęstość, 78 synteza, 78 współczynnik przewodzenia ciepła, 85 NTU, number of transfer units, 19, 25 numeryczna mechanika płynów, CFD, 97 O objętość radiatorów, 137 obliczanie bloku chłodzącego, 65 obliczenia Korpysia, 112 obraz TEM, 77 omijanie radiatora, 29 geometria, 30 opór cieplny całkowity, 22, 26, 27 podstawy, 123 radiatora, 19, 35 radiatora z bypassem, 37 żeber, 123 konwekcyjny, 19, 21, 27 płynu, 21 osad, 138 P PCM, phase change materials, 179 pętla chłodząca, 163 pianki metalowe, 151 węglowe, 152 piezowentylatory, 153 podkręcanie procesorów, 185 pomiar temperatury, 48 Poleć książkęKup książkę Skorowidz 207 poprawa wymiany ciepła, 147 mniejsze zużyciu materiału, 147 przecięcia poprzeczne radiatora, 149 spadek ciśnienia, 149 postprocesor, 100 powierzchnia wymiany, 151 prawo Moore’a, 9 preprocesor, 99 Gambit, 100 prędkość przepływu powietrza, 52, 56, 59 procesory chłodzenie, 133 moc rozpraszana, 14 zużywana, 15 temperatury pracy, 16 profil prędkości, 118, 119, 120 temperatury, 22, 105, 111, 117 przemiana fazowa, 179 przepływ laminarny, 32 wody chłodzącej, 104 R radiator, 28 chłodzony powietrzem, 47 efekt wypychania, 28 firmy Intel, 48 konfiguracja, 33 liczba żeber, 34–36 o żebrach porowatych, 141 objętość, 137 opór cieplny, 35, 37 prostopadły wlot powietrza, 39 spadek ciśnienia, 33, 38, 40, 42 temperatura, 51 wymiana ciepła, 38 z bypassem, 29, 37 z okresowym sprężaniem, 152 z wentylatorem, 38 rozkład temperatur, 121 wymiennika ciepła, 129 rozpraszacz ciepła ACT, 159 S schemat bloku wodnego, 63 ideowy mostka Wheatstone’a, 87 siatki numerycznej, 115 wymiennika ciepła, 114 siatka, 102 SIMPLE, 114 solwer, 99 spadek ciśnienia, 38 AP, 31 na radiatorze, 40, 42 sprawność żebra, 36 standaryzacja, 187 symulacja CFD, 127, 128 chłodzenia, 108 dla nanopłynu, 110 syntetyczne strumienie chłodzące, 153 synteza nanopłynów, 78 Ś średnia gęstość mocy, 13 logarytmiczna różnica temperatur, LMTD, 23 moc procesora, ACP, 11 T taktowanie procesora, 53, 55 technologia termoelektryczna, 174 temperatura procesora, 16, 117, 121–125 radiatora, 51 tworzenie siatki, 102 U(cid:3) uderzenie strumienia cieczy, 170 urządzenia pomiarowe, 86 Poleć książkęKup książkę 208 Skorowidz W wentylator, 51, 52, 138 a temperatura radiatora, 51 pierwszy zakres pracy, 55 prędkość przepływu powietrza, 52 zmiana wydajności, 139 wlot powietrza, 39 woda, 103 destylowana, 72 współczynnik dynamiczny lepkości, 32, 80 pozorny oporu przepływu, 32 przewodzenia ciepła, 80, 85, 90 wnikania ciepła, 36, 51, 134 wydajności chłodzenia, 178 COP, 176 (cid:3) (cid:3) (cid:3) wymiennik ciepła, 19, 23, 38 całkowity opór cieplny, 124 efekt wypychania, 28 modele efektywności, 26, 27 osady, 138 rozkład temperatur, 121, 129 Zalman, 112, 114 zwiększanie powierzchni, 140 Z zarządzanie ciepłem, 186 zimne płytki, 157 zmiany wydajności wentylatora, 139 Ż żebra, 143 gęste, 152 przepływ ciepła, 66 Poleć książkęKup książkę
Pobierz darmowy fragment (pdf)

Gdzie kupić całą publikację:

Chłodzenie procesorów PC
Autor:

Opinie na temat publikacji:


Inne popularne pozycje z tej kategorii:


Czytaj również:


Prowadzisz stronę lub blog? Wstaw link do fragmentu tej książki i współpracuj z Cyfroteką: