Kważi kull biċċa elettronika moderna tiġġenera s-sħana, kemm jekk nindunaw kif ukoll jekk le. Mingħajr ma nimmaniġġjaw sewwa din is-sħana, is-sistemi elettroniċi tagħna jeqirdu lilhom infushom jew, bil-maqlub, jillimitaw severament il-kapaċità tal-kompjuters tagħna.

Il-qarrej medju TECH NEWS naturalment se jikkunsidra t-tkessiħ tas-CPU u l-GPU, imma għaliex RAM m'għandux bżonn fannijiet biex jibqgħu friski? Għaliex hemm disparità daqshekk kbira bejn il-prestazzjoni ta 'proċessur mobbli u proċessur tad-desktop, għalkemm ix-xejriet huma pjuttost simili? Għaliex il-qligħ riċenti fil-prestazzjoni minn ċipep ta 'ġenerazzjoni ġdida beda jonqos?

It-tweġiba għal dan kollu għandha x'taqsam mas-sħana u l-fiżika ta 'kif jaħdmu l-kompjuters diġitali fin-nanoskala. Dan l-artikolu se jħares lejn ix-xjenza bażika tas-sħana, kif u għaliex hija prodotta fl-elettronika, u l-metodi varji li żviluppajna biex nikkontrollawha.

Hawn isaħħan: il-punti bażiċi tas-sħana

Jekk tiftakar il-fiżika tal-iskola sekondarja, is-sħana hija biss il-movimenti każwali tal-atomi u l-molekuli li jiffurmaw id-dinja tagħna. Jekk molekula għandha enerġija kinetika ogħla minn molekula oħra, ngħidu li hija iktar sħuna. Din is-sħana tista 'tiġi ttrasferita minn oġġett għal ieħor jekk it-tnejn jiġu f'kuntatt sakemm jilħqu l-ekwilibriju. Dan ifisser li l-oġġett jaħraq jittrasferixxi ftit mis-sħana tiegħu għall-oġġett li jkessaħ, u jirriżulta f'temperatura bejn it-tnejn.




Il-ħin meħud biex tittrasferixxi din is-sħana, konduttività termali żewġ materjali. Il-konduttività termali hija l-kejl tal-kapaċità ta 'materjal li jmexxi s-sħana. Iżolatur bħal Styrofoam għandu konduttività termali relattivament baxxa ta '0.03, filwaqt li konduttur bħar-ram għandu konduttività termali għolja ta' 400. Fiż-żewġ estremi, il-konduttività termali ta 'vakwu veru hija 0, u d-djamant għandu l-ogħla konduttività termali magħrufa ta' aktar minn 2000. .




Ħaġa waħda li tiftakar hija li s-sħana dejjem issir iktar kiesħa, imma m'hemm l-ebda "kesħa". Aħna narawh bħala "kiesaħ" biss jekk ikollhom inqas sħana mill-ambjent tagħhom. Definizzjoni oħra importanti li għandna bżonn hija l-massa termika, li tirrappreżenta l-inerzja ta 'oġġett għall-varjazzjonijiet fit-temperatura. Bl-istess forn tal-forn, huwa ħafna iktar faċli li ssaħħan kamra waħda f'dar milli dar sħiħa. Minħabba li l-massa termika ta 'kamra hija ħafna inqas mill-massa termika ta' dar sħiħa.




Nistgħu nġibu dawn il-kunċetti kollha flimkien fl-eżempju sempliċi tal-ilma jagħli. Meta tixgħel il-fuklar, il-fjamma sħuna tiġi f'kuntatt mal-pot li jkessaħ. Peress li l-materjal li jifforma l-borma huwa konduttur termiku tajjeb, is-sħana min-nar tiġi trasferita għall-ilma sakemm tagħli.




Il-ħin tat-togħlija jiddependi fuq il-metodu tat-tisħin, il-materjal tal-borma u l-ammont ta 'ilma. Jekk tipprova tgħalli borma b'lighter żgħir, din tibqa 'għal dejjem meta mqabbla man-nar kbir fuq il-fuklar. Dan minħabba li l-istufi għandu effiċjenza termali ħafna ogħla mill-lajter żgħir imkejjel f'Watts. Imbagħad, jekk it-taġen ikollu konduttività termali ogħla, l-ilma tiegħek jagħli aktar malajr għax iktar mis-sħana tiġi trasferita għall-ilma. Kieku kont sinjur biżżejjed, borma tad-djamanti tkun il-grail qaddis. Fl-aħħarnett, ilkoll nafu li skutella żgħira ta 'l-ilma tisparixxi aktar malajr minn skutella ta' l-ilma ħafna akbar. Dan għaliex hemm inqas massa termika biex tissaħħan bil-borma l-iżgħar.

Meta tispiċċa ssajjar, tista 'tħalli l-ilma jiksaħ b'mod naturali. Meta jiġri dan, is-sħana mill-ilma titkeċċa fil-kamra li tkessaħ. Minħabba li l-kamra għandha massa termika ħafna ogħla mill-borma, it-temperatura ma tinbidilx ħafna.




Saħħan il-cheerleaders tas-siġar fl-elettronika diġitali

Issa li nafu kif is-sħana taħdem u tiċċaqlaq bejn l-oġġetti, ejja nitkellmu dwar minn fejn ġejja fl-ewwel lok. L-elettronika diġitali kollha hija magħmula minn miljuni u biljuni ta 'transisters. Għal ħarsa aktar dettaljata dwar kif jaħdmu, ara l-Kapitolu 3. Ix-xogħol tagħna fuq id-disinn modern tas-CPU.

Essenzjalment, transisters huma swiċċijiet ikkontrollati bl-elettriku li jiftħu u jagħlqu biljuni ta 'drabi kull sekonda. Nistgħu norbtu mazz biex noħolqu l-istrutturi ta 'ċippa tal-kompjuter.

Meta dawn it-transisters ikunu qed joperaw, iqassmu l-enerġija minn tliet sorsi magħrufa bħala swiċċjar, short circuit, u tnixxija. L-iswiċċjar u l-enerġija ta 'short-circuit huma magħrufa bħala sorsi dinamiċi tas-sħana minħabba li huma affettwati mill-ftuħ u l-għeluq tat-transisters. Huwa magħruf bħala statiku peress li l-qawwa tat-tnixxija hija kostanti u mhix affettwata mill-operazzjoni tat-transistor.




Żewġ transisters marbuta flimkien biex jiffurmaw gate NOT. NMOS (fil-qiegħ) jippermetti l-fluss tal-kurrent meta miftuħ, u pMOS (fil-parti ta ’fuq) jippermetti l-fluss tal-kurrent meta jkun magħluq.

Nibdew bil-qawwa tal-iswiċċjar. Biex tixgħel jew tintefa transistor, għandna nissettjaw il-bieb tiegħu għall-art (loġika 0) jew Vdd (loġika 1). Din il-grada tad-dħul mhix sempliċi daqs li ddawwar swiċċ sempliċement għax ftit li xejn għandha kapaċitanza. Nistgħu naħsbuha bħala batterija żgħira rikarikabbli. Biex nattivaw il-bieb, irridu niċċarġjaw il-batterija 'l fuq minn ċertu livell limitu. Meta nkunu lesti li nagħlqu l-bieb mill-ġdid, irridu narmu dan il-piż fuq l-art. Għalkemm dawn ix-xtiebi huma mikroskopiċi, laqx moderni għandhom biljuni u jgħaddu biljuni ta 'drabi kull sekonda.

Ammont żgħir ta 'sħana jiġi ġġenerat kull darba li t-tagħbija tal-bieb tintefa' fl-art. Biex issib il-qawwa tal-iswiċċjar, aħna nimmultiplikaw il-fattur tal-attività (il-proporzjon medju tat-transisters mibdula fi kwalunkwe linja waħda), il-frekwenza, il-kapaċitanza tal-bieb, u l-kwadru tal-vultaġġ.

Ejja nħarsu lejn il-qawwa taċ-ċirkwit qasir issa. L-elettronika diġitali moderna tuża teknika msejħa Semiconductors Complementary Metal Oxide (CMOS). It-transisters huma rranġati sabiex qatt ma jkun hemm triq diretta għall-kurrent li jiċċirkola lejn l-art. Fl-eżempju ta 'hawn fuq ta' gate NOT, hemm żewġ transisters komplementari. Meta l-parti ta 'fuq tkun miftuħa, il-qiegħ ikun magħluq u viċi versa. Dan jiżgura li l-output ikun 0 jew 1 u l-input ikun bil-maqlub. Madankollu, hekk kif nixgħelu u nintefgħu t-transisters, hemm biss żmien qasir ħafna li ż-żewġ transisters qed imexxu fl-istess ħin. Meta sett wieħed jagħlaq u l-ieħor jiftaħ, it-tnejn jimxu meta jilħqu l-punt tan-nofs. Dan huwa inevitabbli u jipprovdi passaġġ temporanju għall-kurrent biex jgħaddi direttament lejn l-art. Nistgħu nippruvaw nillimitaw dan billi nagħmlu transisters bejn l-istati Mixgħul u Mitfi aktar malajr, imma ma nistgħux neħħuh kompletament.

Iktar ma tkun għolja l-frekwenza tat-tħaddim ta 'ċippa, iktar ikun hemm bidliet fl-istat u aktar short circuits istantanji. Dan iżid il-produzzjoni tas-sħana ta 'ċippa. Biex issib is-saħħa taċ-ċirkwit qasir, aħna nimmultiplikaw il-kurrent taċ-ċirkwit qasir, il-vultaġġ operattiv u l-frekwenza tal-iswiċċjar flimkien.

Dawn it-tnejn huma eżempji ta 'poter dinamiku. Jekk irridu nnaqqsu dan, l-eħfef mod huwa sempliċement li nnaqqsu l-frekwenza taċ-ċippa. Ħafna drabi dan ma jkunx prattiku għax inaqqas il-prestazzjoni taċ-ċippa. Għażla oħra hija li tnaqqas il-vultaġġ operattiv taċ-ċippa. CPUs moderni jaħdmu madwar 1V waqt li ċipep jaħdmu f'5V u aktar. Billi niddisinjaw transisters biex jaħdmu b'vultaġġ aktar baxx, nistgħu nnaqqsu s-sħana mitlufa b'qawwa dinamika. Il-qawwa dinamika hija r-raġuni għaliex is-CPU u l-GPU jisħnu meta overclocking. Int iżżid il-frekwenza operattiva u ġeneralment il-vultaġġ. Iktar ma dawn ikunu għoljin, iktar tiġi ġġenerata sħana f'kull ċiklu.

L-aħħar tip ta 'sħana ġġenerata fl-elettronika diġitali hija enerġija mitlufa. Aħna nħobbu naħsbu fit-transisters bħala miftuħa jew magħluqa għal kollox, iżda fil-fatt ma jaħdmux hekk. Ammont żgħir ta 'kurrent dejjem jiċċirkola anke jekk it-transistor ikun fi stat mhux konduttiv. Din hija formula kumplessa ħafna u l-effett jiggrava biss hekk kif nibqgħu nnaqqsu t-transisters 'l isfel.

Meta nagħmlu iżgħar, ikun hemm inqas materjal li jimblokka l-fluss tal-elettroni meta rridu li jingħalqu. Dan huwa wieħed mill-fatturi ewlenin li jillimitaw il-prestazzjoni taċ-ċipep tal-ġenerazzjoni li jmiss billi r-rata tal-qawwa tat-tnixxija tkompli tiżdied ma 'kull ġenerazzjoni. Il-liġijiet tal-fiżika qabżuna u użajna l-karti kollha tagħna.

Ħu pillola kiesħa: żomm iċ-ċipep jibred

Nafu minn fejn ġejja s-sħana fl-elettronika, imma x'nistgħu nagħmlu biha? Irridu neħilsu minn dan għax jekk l-affarijiet jisħnu wisq, it-transisters jistgħu jibdew jitkissru u jsiru ħsara. It-throttling termali huwa l-metodu tat-tkessiħ inkorporat taċ-ċippa jekk aħna stess ma nipprovdux tkessiħ adegwat. Jekk is-sensuri tat-temperatura interna huma kannella ftit wisq, iċ-ċippa tista 'awtomatikament tnaqqas il-frekwenza operattiva biex tnaqqas l-ammont ta' sħana ġġenerata. Din mhix xi ħaġa li trid li sseħħ għalkemm, u hemm modi ferm aħjar biex tittratta s-sħana mhux mixtieqa f'sistema tal-kompjuter.

Xi ċipep fil-fatt ma jeħtiġux soluzzjonijiet ta 'tkessiħ fancy. Agħti ħarsa madwar il-motherboard tiegħek u tara għexieren ta 'ċipep ċkejkna mingħajr l-apparat li jkessaħ. Kif ma jisħnux iżżejjed u jeqirdu lilhom infushom? Dan għaliex probabbilment ma jiġġenerawx ħafna sħana fl-ewwel lok. CPUs u GPUs taċ-ċanga kbar jistgħu jxerrdu mijiet ta 'Watts ta' enerġija, filwaqt li netwerk żgħir jew ċippa awdjo jistgħu jużaw biss frazzjoni tal-Watt. F'dan il-każ, il-motherboard innifisha jew l-imballaġġ ta 'barra taċ-ċippa jista' jkun apparat li jkessaħ biżżejjed biex iżomm iċ-ċippa friska. Ġeneralment, meta tmur 'il fuq minn 1 Watt, għandek tikkunsidra ġestjoni termika xierqa.

L-isem tal-logħba hawnhekk huwa li żżomm ir-reżistenza termali bejn il-materjali baxxa kemm jista 'jkun. Irridu noħolqu l-iqsar triq għas-sħana minn ċippa biex tilħaq l-arja ambjentali. Huwa għalhekk li s-CPU u l-forom GPU jiġu bi spreaders tas-sħana integrati (IHS) fuq in-naħa ta 'fuq. Iċ-ċippa attwali ġewwa hija ħafna iżgħar mid-daqs tal-pakkett, iżda billi nxerrdu s-sħana fuq żona usa ', nistgħu nkessħuha b'mod aktar effiċjenti. Huwa wkoll importanti li tuża kompost termali tajjeb bejn iċ-ċippa u l-heatsink. Mingħajr din il-mogħdija ta 'konduttività termali għolja, is-sħana ma tistax tgħaddi faċilment mill-IHS għall-heatsink.

Hemm żewġ forom ewlenin ta 'tkessiħ: passiv u attiv. It-tkessiħ passiv huwa apparat li jkessaħ sempliċi mwaħħal maċ-ċippa li huwa mkessaħ mill-fluss ta 'arja ambjentali. Il-materjal se jkun xi ħaġa b'konduttività termali għolja u erja tal-wiċċ għolja. Dan jippermettilha tittrasferixxi s-sħana miċ-ċippa għall-arja tal-madwar.

Ir-regolaturi tal-vultaġġ u ċipep tal-memorja jistgħu tipikament jgħixu tkessiħ passiv peress li ma jiġġenerawx ħafna sħana. Minħabba li l-proċessuri tat-telefon ċellulari huma ddisinjati biex ikunu ta 'enerġija baxxa ħafna, ħafna drabi huma mkessħa b'mod passiv. Iktar ma tkun għolja l-prestazzjoni ta 'ċippa, iktar tkun se tipproduċi qawwa u jkun meħtieġ aktar likwidu li jkessaħ. Għalhekk il-proċessuri tat-telefon huma inqas qawwija mill-proċessuri tal-klassi tad-desktop. M'hemmx biżżejjed tkessiħ biex tlaħħaq.

Immaġni termali tas-CPU tal-mowbajl bis-sink tas-sħana passiva

Ladarba tkun daħalt f'għexieren ta 'Watts, probabilment tibda taħseb dwar tkessiħ attiv. Dan juża fann jew metodu ieħor biex iġiegħel l-arja minn ġol-apparat li jkessaħ u jista 'jimmaniġġja sa diversi mijiet ta' Watts. Biex nieħdu vantaġġ minn dan it-tkessiħ, irridu niżguraw li s-sħana tinfirex miċ-ċippa għall-wiċċ kollu tal-apparat li jkessaħ. Ma jkunx utli ħafna kieku kellna heatsink kbir, imma ma kien hemm l-ebda mod kif nieħdu s-sħana.

Il-pajpijiet tat-tkessiħ u tas-sħana tal-likwidu jidħlu fis-seħħ. It-tnejn jagħmlu l-kompitu li jittrasferixxu kemm jista 'jkun sħana minn ċippa għall-apparat li jkessaħ jew ir-radjatur. Fl-assemblaġġ li jkessaħ il-likwidu, is-sħana tiġi trasferita miċ-ċippa għall-blokka tal-ilma permezz ta ’kompost termali b’konduttività termali għolja. Blokk tal-ilma huwa ġeneralment ram jew materjal ieħor li jmexxi s-sħana sew. Il-likwidu jisħon u jaħżen is-sħana sakemm jilħaq ir-radjatur fejn jista 'jissaħħan. Il-pajpijiet tas-sħana huma komuni ħafna għal sistemi iżgħar bħal laptops li ma joqogħdux għal setup sħiħ ta 'tkessiħ likwidu. Meta mqabbel ma 'tubu bażiku tar-ram, setup tal-heatpipe jista' jkun 10-100x aktar effiċjenti fit-tneħħija tas-sħana minn ċippa.

Pajp tas-sħana huwa simili ħafna għat-tkessiħ tal-likwidu, iżda juża wkoll transizzjoni tal-fażi biex iżid it-trasferiment termali. Hemm likwidu ġewwa l-pajpijiet tas-sħana li jinbidel fi fwar meta jissaħħan. Il-fwar jimxi tul il-pajp tas-sħana sakemm jilħaq it-tarf kiesaħ u jerġa 'jsir likwidu. Il-likwidu jirritorna fit-tarf jaħraq permezz tal-gravità jew effett kapillari. Dan it-tkessiħ evaporattiv huwa l-istess raġuni li tħossok kiesaħ meta titlaq mid-doċċa jew mill-pixxina. F’dawn ix-xenarji kollha, il-likwidu jassorbi s-sħana fil-proċess li jinbidel fi fwar u mbagħad joħroġ is-sħana wara li jikkondensa.

Spettaklu tal-pajpijiet tas-sħana - Żootalures: Wikipedia

Issa li nistgħu neħħu s-sħana miċ-ċippa u ġo pajp tas-sħana jew likwidu, kif niskattu dik is-sħana fl-arja? Fins u radjaturi jidħlu hawnhekk. Pajp tal-ilma jew pajp tas-sħana jittrasferixxi ftit mis-sħana tiegħu fl-arja tal-madwar, iżda mhux wisq. Biex verament tkessaħ l-affarijiet, għandna nżidu l-erja tal-wiċċ tal-gradjent tat-temperatura.

Xewk irqiq fil-heatsink jew fir-radjatur ixerrdu s-sħana fuq erja kbira tal-wiċċ, u jippermettu li fan jitwassal b'mod effiċjenti. Iktar ma jkunu xbieki rqaq, iktar tkun tista 'tidħol daqs partikolari. Madankollu, jekk huwa rqiq wisq, mhux se jkun hemm kuntatt biżżejjed mal-pajp tas-sħana biex id-dħul tas-sħana fix-xewk fl-ewwel lok. Dan huwa bilanċ fin ħafna, allura apparat li jkessaħ ikbar jista 'jkollu prestazzjoni agħar minn apparat li jkessaħ iżgħar u aktar ottimizzat f'ċerti xenarji. Fuq Steve Parteċipanti Nexus Agħmel dijagramma kbira ta 'kif dawn kollha jaħdmu f'refriġerant tipiku.

Proċess chiller - Gamers Nexus

Imma rrid nibred: wasal sal-qiegħ!

Il-metodi kollha tat-tkessiħ li naħdmu magħhom billi sempliċement nittrasferixxu s-sħana minn ċippa sħuna għall-arja tal-madwar. Dan ifisser li l-kamra li fiha hemm iċ-ċippa qatt ma tista 'tkun iktar friska mit-temperatura ambjentali. Jekk irridu nkessħu għal temperaturi ambjentali aktar baxxi jew ikollna xi ħaġa kbira li teħtieġ tibred bħaċ-ċentru tad-dejta kollu, għandna nżidu ftit iktar xjenza. Dan huwa fejn jidħlu fis-seħħ coolers u coolers termoelettriċi.

It-tkessiħ termoelettriku, magħruf ukoll bħala apparat Peltier, mhux popolari ħafna bħalissa, iżda għandu l-potenzjal li jkun utli ħafna. Dawn l-apparati jittrasferixxu s-sħana minn naħa waħda ta 'sink tas-sħana għall-oħra billi jikkunsmaw l-elettriku. Speċjali materjal termoelettriku Jista 'joħloq differenza fil-potenzjal elettriku u t-temperatura. Meta kurrent DC joħroġ minn naħa waħda tal-apparat, is-sħana tiġi trasferita għan-naħa l-oħra. Dan jippermetti li n-naħa "kiesħa" tinżel taħt it-temperatura ambjentali. Bħalissa, dawn l-apparati huma niċċa ħafna minħabba li jeħtieġu ħafna enerġija biex jiksbu tkessiħ sinifikanti. Madankollu, ir-riċerkaturi qed jaħdmu biex joħolqu verżjonijiet aktar effiċjenti għal swieq akbar.

Hekk kif it-transizzjonijiet tal-istat jittrasferixxu s-sħana, il-bdil tal-pressjoni ta 'fluwidu jista' jintuża biex jittrasferixxi s-sħana. Refriġeraturi, kondizzjonaturi tal-arja, u bosta sistemi oħra ta 'tkessiħ jaħdmu b'dan il-mod.

Refriġerant speċjali jgħaddi minn ċirku magħluq fejn jibda bħala fwar, jiġi kkompressat, ikkondensat f'likwidu, estiż u evaporat lura għal stat ta 'fwar. Dan iċ-ċiklu jirrepeti u jittrasferixxi s-sħana fil-proċess. Il-kompressur jeħtieġ enerġija, iżda sistema bħal din tista 'tibred għat-temperatura ambjentali. Ċentri tad-dejta u bini jistgħu jibqgħu friski anke fl-iktar ġurnata sħuna tas-sajf.

Ċiklu ta 'refriġerazzjoni standard - Bżar Keenan: Wikipedia

Sistemi bħal dawn huma ġeneralment it-tieni fl-elettronika. L-ewwel se tferra 's-sħana miċ-ċippa fil-kamra u mbagħad ferra s-sħana barra mill-kamra permezz ta' sistema ta 'kompressjoni tal-fwar. Madankollu, overclockers estremi u dilettanti tal-prestazzjoni jistgħu jgħaqqdu apparat li jkessaħ iddedikat mas-CPUs tagħhom jekk ikollhom bżonn ta 'prestazzjoni tat-tkessiħ żejda. Metodi temporanji ta 'subkessaħ huma wkoll possibbli b'konsumabbli bħal nitroġenu likwidu jew silġ niexef.

Jien kiesaħ: ejja ngeżwer

It-tkessiħ huwa xi ħaġa li l-elettronika kollha teħtieġ, iżda jista 'jieħu ħafna forom. L-għan tal-logħba huwa li ċċaqlaq is-sħana miċ-ċippa jew sistema sħuna għal ambjent iktar kiesaħ. M'hemm l-ebda mod kif teħles mis-sħana, u għalhekk nimxu x'imkien nistgħu nagħmlu biss hu tajjeb.

L-elettronika diġitali kollha tiġġenera s-sħana minħabba l-mod kif jaħdmu t-transisters interni tagħhom. Jekk ma nistgħux neħilsu minn din is-sħana, il-materjal semikonduttur jibda jiddeterjora u ċ-ċippa tista 'ssirilha ħsara. Is-sħana hija l-għadu tad-disinjaturi kollha tal-elettronika u hija waħda mill-aktar fatturi importanti li jaffettwaw it-titjib tal-prestazzjoni. Ma nistgħux nagħmlu CPUs u GPUs akbar għax m'hemm l-ebda mod tajjeb biex tkessaħ xi ħaġa b'saħħitha. Inti sempliċiment ma tistax toħroġ is-sħana.

Nisperaw li issa tapprezza aktar għax-xjenza kollha li tieħu biex iżżomm l-elettronika tiegħek friska.