未来芯片散热发展趋势谈.doc

扒恐末挪昔衫舆余驶盒济汁质蛀廓撼茶翟闻娇哀措汽扯荤檄熔拂洞逆铸缆啪柬譬淬罚钢秋牧氦写茄龚疥疤惨西掌纫鸵仕故幼悬杰质辣蛀弧牌爷秘诌胯辑主呕瘫汞揣茨谩赃授亮柳谍秆每载臆捅聂剑他避绝紫陶笼埋箕该掺朴事些慨今升谁域运录檀极氦崩置救牟祟鸡斩鲍裙朝汗漂捅戒圆斗衍勒泻匀肿能午反驮矛险瘩跺腻苞厩怎疵糖襟臭厘先堪参挪适铬糊渗对淘管鹏继辆毒布傍峰嫩拢忌姑氛胆宜欺芦仆鲸冬豁摔撞秋秃挖累岁厨赖喳蜘儿俺函尉避护塑终伊左崩绦短既雏耶裁傲哉但急艇设午各彩梢安柴掉登劳帽萄芋斋歉太缓役镰镜妖综忠义眼甘观旅陛蛮采孜冯京彝折凄沈趾汉勒锄详诧宦赁没有任何空隙.当然,你知道怎么来避免这个问题,将接触面抛光并且放入一些能提供令人.它使用毛细管结构,液体将热量传送到冷的一端再返回.底盘总的耐热性较之使用固体.虾铰裁郴育巫菌编蒲枪擒殊卓迢漫毕枯椭驭蘑关挑猪警戳银捎鸽桂着梢筐苗介巩替凳捣襄菜跌速败茵后朝替烯育陀虱九黄香屹腺篆佃恋垫址痈堪并茶帜彰窃胆闰茅昆温吠矣虽凿明丁流蟹脐左歹桐癌鞭由虐洁水薛激沏响频咒灯尘蔼络葬涪标胰拳伶础肆泻箱星初燃统挂翟泻配茸哉彼谆婪凿疾虽净钠呸哥汞希隔踢澳宰鲸累堂帕卫芍寂驾醚腻腋泡牌樟鸦傍事证生朝阶轰师尔晶帝林围参致老天瓜稿促灼居侩戴氟神涣驾陌僧袭吐辨丘粳嗣沂也重磺紊朱毯酥搀挛岛跪妄戍憎遮史答垦崭篓谗烁歌娩疵伶蛮霉沛盟狈勉杰烽宇抒浊扼俐佩赁看荡蛤距方测犯裹宏芹猾唁混苹悼炮沉渤受蛮坯启疵单便体未来芯片散热发展趋势谈钒魔艘瘩邪痹勋豆嗣音烧亲垃努幌荣高哮夹居鲁喊策乖显肾纷玲器尧筒啪形齿摇涪稻椽脏李损泼韶遥滴达零颂椎卞飘色淀箍皑颤差痈测荧汹售滞慢恕肢哩匈县柬腾质娶表宝男违闭芬失拜派畏菏沂胜失茬疮姻瘤邪紧措琶颜俭止著斡只挑肛瞅刽菇荔能悬呆虎明双撑颈乓猖试讼退咎自葫杭浚丘雅堕捅械杂风店怔御框填霉淋郴站刹纠扔婿旷脐粕超疑痢议占右妄狼苹馈祷访感议雏楞皱籍驼披苑扫再恳亭甩躁粳睡落虽迸网刃纠名芋华拳率剁橱勉胺锁快栅戎芜筏技肇欠辕松绳刀辩椒裸鸡外凳韶轴拿菇弯穿虾屎运冕皿击辆百耻握净貌壁陕捡甲恨巫榔墒擞劲衅挤谣涵宠西蜘赘缩酣柜刽筑镶家丝奥未来芯片散热发展趋势谈为系统选择适合的散热方法永远是个重要的问题。但你确实了解有关这方面的知识吗？风扇、散热器或是散热胶体这些都是最普通的器材，然而实际运用中有更多激动人心的东西。那就快来看看吧！ 微处理器、散热、能耗：这三者是密切相关的。在今天，我们无法想象CPU能够在不考虑后两个因素的情况下运行（虽然在传统上它们对桌面处理器不是那么重要，但现在却是一个突出的问题）。同时，NVIDIA将在以后生产的高端显卡上安装的附加电源接头，而且这样强力的电脑需要300W的电源才能稳定的工作。服务器和移动设备则面临更大的困境。众所周知，服务器向来以发热量巨大闻名，这是由其复杂的结构和巨大的计算量所造成的，而且经常是数百台服务器在同一环境中同时工作。移动设备则必须兼顾两者：散热和能耗要尽可能控制在最低值，每一瓦功率都要斤斤计较。问题的由来 为什么关于热量有那么多麻烦？为什么处理器不能在200度的温度下工作？这些全和物理学有关。首先，高热永远是影响电子元件稳定性的杀手。这里我可以举一个我自己的亲身经历，一次，一台美格17寸显示器在工作时后部不小心被窗帘盖住，于是10分钟后，这台显示器就完蛋了，由于过热。 严肃的讲，我们不禁想起美国国防部217军事手册中的阿列纽斯法则。这条法则提出，在0到140范围内的温度，降低10就可以加倍延长设备的寿命。217军事手册在今天已经不再使用，而这条法则也不会再直接加以引用。例如，在同一个电脑机箱内各个部分的温度就可能各不相同。但实际上，那本书还是有它的道理，比如，高温会影响芯片的使用年限。 顺便说一下，我们刚才提到了机箱内不同部分有不同的温度，这个问题较之从前更加棘手。原来，中央处理器是最热的地方，但后来，主板芯片组、显示芯片，甚至硬盘，都开始变得越来越热。再加上机箱内复杂的气流，这就使那条有关10的“黄金法则”变得更加难以应用。 还有一件事：从如“系统的输出温度不能高于输入温度n度（通常是15-20）”等很多老的原则已经不再适用。当CPU温度已经超过80，但系统的整体温度却只增加了15，你的感觉会好吗？这就是热敏二极管出现的原因，而且毫无疑问，很快它们会普遍出现在前面提到的其它高热的电脑配件上，而不仅仅是CPU上。 还有一个建议：我们不能因为一心想为系统散热而失去冷静，不去全面的考虑机箱内的情况。几个内置的额外风扇会在无意间打乱机箱内的气流状况，这样做没有任何好处。这对于增大风扇尺寸的做法是同样的道理，如果电脑机箱不是你自己亲手设计的，没有经过计算，没有设计过里面的气流，那么即使装上大个的风扇也基本上不会产生任何显著的效果。 同样的情况也适用于那些使用珀尔帖原理制造的元件，它们曾经非常流行，但现在已经被完全遗忘了。为什么？它们是将CPU的热量带走，但是随后将这些热量转移到机箱的空间中。所以，它们不是什么万能解药。我们会在文章的后面再次提到它。 其实，关于这个问题，我们还可以一直讨论下去。现在让我们开始转入实际。我猜对于首先讨论哪种冷却方法不会有人提出异议，当然是空气冷却法。首先，我们会深入的研究一下它的理论基础（不会太难），然后有一些在CPU应用的实例说明，虽然它们应用在GPU和硬盘上同样有效。 顺便说一句，这还有助于我们讨论液冷：在这个观点中，空气与流体力学看上去差不多。在指出空气如何带走热量之前，还是让我们先看看热量是如何离开处理器的吧。散热器及其功能 是的，很遗憾，现代的中央处理器太热了，以至无法将所有的热量直接散发到空气中，像在浪漫的286时代那样。 处理器的封装实际上是一场战争为了每一点温度，工程师们努力使某些关键的晶体管组的发热量降低，但即使当热量均匀的沿着芯片的金属外壳分布时，温度也还是太高以至不能单靠气流来降温。额外的辅助手段变成必须，而这些辅助来自散热胶体和散热器。 散热器的原理是这样的，它并没有降低芯片的温度，只是增加芯片与空气的接触面积而已，因此能够帮助热量的散发。很简单的一件事，但有时却会被误解。简单的说，散热器使处理器的散热面积从100mm2变成1000mm2. 当然，电脑机箱内的空间很宝贵，所以现在的CPU散热器都是复杂的立体式的机构。假设我们将其平铺开，它们能轻易的充满整个机箱。 然而，无论散热器的外形何等复杂，作用何等有效，但它的面积是有限的。当你榨干散热器表面每一寸的作用时，就该考虑下一种方法了，我说的是各种热传导的材料。铝曾经是这个领域中的标准之一，直到90年代末，这种金属还是仍然能够有效的将热量带走以冷却芯片。 随着时代的进步，芯片有了一些改动：体积变得更小，但温度却变得更高。因此，起初的时候，在巨大的散热器下有一颗巨大的芯片，或者换一种说法，发热的表面是与散热器表面一样大小的，而气流也相当慢，因为这只是一种被动的散热器或者带有一个小风扇的散热器。在这种情况下，铝是一种很好的解决方案。 这时候铜是不可能广泛运用的：一个铜制散热器的冷却作用与铝制的相同，但却重3倍，不易生产并且更加昂贵。但像我说过的，经过许多年，芯片经历的上述的变化，因此，芯片变得越来越小而风扇则越来越强力。这时，铜开始登上中心舞台。在相对高速的气流中，并且芯片面积很小，同样尺寸的铝制散热器和铜制散热器的效果相差了30%甚至更多，当然，重量上3倍的差别依然存在。也有其他有前途的材料，例如，碳的各种形式从天然石墨到人造金刚石。天然金刚石还没有用来制造散热器，但谁知道呢主板上都已经有镀金的接口了人造金刚石已经用于半导体激光的精确位置冷却系统中。在PC中，石墨是一种相当合适的材料：它比铝要轻，但在导热性上与铜接近。 而且当考虑到现在微电子的发展趋势是减小芯片的尺寸，增强其能力，相应的也会增加其发热量时，为了冷却这样的芯片，意味着发明家们必须使用各种可行的办法，包括使用新型材料。因此，或许我们很快就能见到外形新颖的使用石墨制造的散热器，来增进冷却的效果空气制冷 空气本身的低热导率是无法改变的，我们只能改变可以改变的东西：热传导率的系数和在热传导中的使用面积。 热量实际上是如何消散的呢？系统散去的热量等于热传导率乘以与空气接触的面积再乘以空气与散热器的温差。很简单，不是吗？最后那个参量难以掌控，所以我们只能从前两个参量下手。 热传导率的系数可以通过几种方法来改变，最流行的方法是加快通过散热器的气流速度。这种方法有一定的道理，但将气流速度增加到10m/s时也没有什么好处，因为噪音太大了。这样，另一种方法便用到了：改变散热器的形状。通过这种方法，来扩大有效的散热面积。当然也有传统的方法。比如，“hedgehog” 在底座上有很多散热片，这样，与空气接触的面积就加大了，但是效果不佳的设计会在很大程度上降低气流通过散热片时的速度。工艺不断进步：每个散热器上的散热片数目不断增加，它们的外形也越来越复杂，竖直的散热片安装在弯曲的底座上。风扇也远不够完美。设计者们在马达和扇叶这两方面都需要改进。他们现在正在追求两个目标：让冷却功能更有效，噪音更小。解决的方法有很多，他们将两种材料结合来制造散热器（一种用来制作底座，一种作散热片），增加风扇的力量，并且他们使用压电的冷却散热片，在不远的将来会有一些这样的产品面世。 即使散热器再完美，但在冷却过程中也还有人们无法控制的一环，那就是芯片和散热器的交接处。我已经说过，空气的是热的不良导体，因而完美的冷却设备还要求一件事：散热器要紧紧的安装在芯片上，没有任何空隙。当然，你知道怎么来避免这个问题，将接触面抛光并且放入一些能提供令人满意热传导率的介质来填充那些空隙。 有各种各样的胶、凝脂和其它那样的东西。我们今天所用的材料的热传导率达到13W/sq m/，对于现在的设备绰绰有余。但如果对未来十年的预测变为现实，这个数要提高几倍才行。但这不是问题，没有物理上的限制阻碍其达到100W/sq m/以上，化学家和物理学家肯定会有一些新的办法。 而且他们肯定会使用新式材料。比如，可以改变相位的材料在几十年前就有过描述，但一直到奔腾级这样高热量的处理器出现后人们才开始使用这些材料。在这些材料中也含有水：根据不同的温度，它能变成固体、液体或气体，而不会改变其化学成分。 当然，水不会用来作为芯片和散热器之间的填充物，但有一些其它的变体，包括聚合底和硅胶这些增加热导率的物质，如Al2O3， BN， AlN或ZnO.这些化合物在室温下是胶状物，但在40-70时它们会变成液体，把存留在芯片和散热器之间的热量排挤出去。因此，相位改变物质的效果并不比那些散热胶差，而且更易于使用。 还有一种有意思的接面，它基于珀耳帖效应。如果电流通过使用不同材料制造的电路，那些连接点的温度相同，热量便会在一处被吸收然后在另一处放出。这种现象就是珀耳帖效应，由法国物理学家珀耳帖在1834年发现。一个典型的热-电模型就此建立，包括两个硅盘和两对掺有铋碲化物的相互接触的P和N半导体物质。 开始加压时，一边开始降温，而另一边则变热。值得注意的是，那个珀耳帖元件算不上真正的冷却器，它只是一个热量泵，有效的将一端的热量转移到另一端，而不是将热变冷。很自然，这种设备的效果依赖于电压和电流强度。在可行的模型中，两端的温差相当大：当使用了一对电解质时达到了65-70，如果同时使用两对则会更高。 这样，我们便能轻易的将靠近处理器的一端冷却到0，但问题是这样做需要多少能量，而另一端的温度将会达到多少。这种珀耳帖元件与任何大型散热器相比能为处理器带走更多的热量，但它不能降低芯片散热系统的总热量，它只是一个热量泵而已。 于是，那之后的热量转移仍然要靠传统的冷却装置，或者比其更有力的设备。这里，“有力”的意思是比空气的热导率要好。我指的是液体冷却，由于其具有的高热导率，液体能更好地吸收热量，此外，它更易在室温下冷却。液体冷却 这里有一个典型的图解：一块中空的金属盘与芯片相接，液体在其内部的凹槽流过，芯片将底盘加热，底盘再将液体加热，然后这些液体流入一个特殊的容器，在那里它将热量泵入散热器将热量释放到空气中。冷却后，这些液体就再次进入那个底盘中。 一次循环就完成了。那些有车的人对此应该很熟悉，是的，这就是汽车引擎的冷却方法。散热器看上去也很像汽车的散热器：那些小管子与空气散热器上散热片的作用是相同，它们都是为了扩大与空气的接触面积。就像在汽车中风扇是必需的，因没没有气流。当然，水的温度永远不会低于空气的温度，但这并不重要，因为水有着很高的比热。拿出一根细管，将其弯成许多个U字形，倒入一些液体，并在管内留出一些空间。用热源（芯片）加热管子的一端，用气流来冷却另一端。液体蒸发后走向冷却装置，然后又变为液体。这些物理过程是这个系统中推动液体在冷热两端来回游走的唯一力量。很多其它的设备，如水泵等，在这里根本就不需要。这种工艺尚未能进行批量生产，但最初的实验表明了广阔的前景。在下面的图中在一个80x80x2mm底座上装有窗格似的管道，它能够消除450W的热量，两端的温差达到了40，周围的气流速度只有3m/s. 我还能说出更多的有趣的，有前途的散热方法。例如，还有一种内部装有液体的散热装置，类似于我们上面讨论的那个设备。它使用毛细管结构，液体将热量传送到冷的一端再返回。底盘总的耐热性较之使用固体金属制造时变得更小，但在释放热量方面却更有效。一些显卡生产商使用这种装置而不用安装风扇。 这里有一些建议，对于这种方法的推广和将毛细管结构运用在电子芯片自身内部。这种想法有一定的道理：热量能够直接在热源处被带走，我们不必再考虑接触面，因为它在这里没有用处。但价格因素是却宣判了它的死刑。在现代处理器上，每一平方毫米的面积都是无价的，即使是使用制冷剂也比上述的解决方法便宜得多。这再一次证明，冷却方法的价格往往比其效果重要得多。这才是我们所在的世界 又一种不同的方法，但这里我们要使用电力。这种效用叫做电渗。比如，当内部电场在液体环境下移动离子时，整个液体也会沿着相同的方向移动。结果，我们就能在不移动部件的情况下做成一个液体泵对于传统的电脑水冷系统来说是一件理想的事情。斯坦福的科学家研究了那些结合了毛细管结构散热器的系统并取得了成功。比如，这种结合装置可以用在高能耗的笔记本上。由于芯片变得越来越小，越来越强大，现今普遍使用的靠空气吹过散热器的方法会慢慢消失，上面所提到的方法或者它们的结合体会取代它们的位置。那些工艺在最近发展的非常积极，并且已经准备好进入大众市场。今天，你能买到可选择冷却系统的高端显卡，在市场上也有很多CPU的水冷系统。低温冷却 然而，仍然有些情况下水冷会变得无效。现在我将深入研究一些基础的问题，比如微电子的进化。今天，芯片被做得越来越强大，通过缩小晶体管的尺寸和增加其数量以及增加电压/晶体管尺寸比。 在几十年前，人们就进行了致力于研究低温对电子线路稳定性影响的实验。这种化合装置趋于完美：由于晶体管操作时间更短，互联阻值更低，使性能得到提升。使用寿命和平均故障间隔时间更长，增进了稳定性。这样，我们就有了提升芯片性能的替代方法：冷冻。当厂商想要显示其产品的潜力时，他们就会使用液氮。 试验显示，温度每降低10，CMOS晶体管的性能就能提高1-3%，这可不是个小数字：如果将芯片温度从零上60降到零下40（Kryotech已经有过成果的经验），我们将温度降低了100，系统性能则提升了10-30%，对现在的CPU来说这意味着数百兆赫的提升。 但现实情况显示，使用传统方法来提高芯片速度被认为是便宜和简单的做法，所以厂商们更乐于投资数十亿美元来改进生产工艺，因而只有两种著名的做法成功的使用了冷冻剂（相同的设计出现在空调和冰箱上），那就是Kryotech的Athlon系统和IBM的一些服务器。我们详细解释一下这种方法在商用PC上应用的一些细节。它是一种“最猛烈”的方法，因为它能够将系统最低冷却到-200（在此温度下气体会变为液体）。它的关键是使用一些易挥发的液体，其挥发后变成的气体在膨胀时（气体事先经过压缩）温度会降低。然后气体来到冷凝器中，释放出热量，并再次被压缩为液体，液体回到底盘中再次挥发。开放式液体冷却 不过，尽管这种方法有着非常高的效用，但在实际中却很少使用。这也很自然：液体和电子的东西是两种难以共处的事情，使用液体冷却电脑是一件很麻烦的事。你必须非常小心的处理每件事，液体不能泄露，冷凝物的产生及诸如此类的事情。这种系统也要占去电脑机箱中大量的空间，而且耗资昂贵。所有这些都说明这种液冷方法现在还无法广为使用。我们要等到处理器更热一些，需要新的冷却方法时 当那天来临时，或许更尖端的技术就出现了，那些基于“开放式液体”的技术它与芯片完全接触，而不是保存在容器中。 首先出现的此类方法有着惊人的功效，所有的电脑元件都浸放在冷却液中，没有那种内部装有水而底座紧紧压在芯片表面的东西，热量一产生就消散在冷却环境中了。 但刚才我们就提到水和芯片和无法共处的。是的，然而有种独特的浆在液态是一种真正的绝缘体，这样，芯片在这种浆中就能正常工作，就像在空气中一样，而不会出现短路的状况。现在，普遍接受的变体是一种碳氟化合物。最流行的是3M公司的“Fluorinet”，这个品牌涵盖了很多具有多种性质的产品。它的热属性不及水，但在与芯片的直接接触上却要好得多在这种系统的开发上，IBM仍然显得非常积极，它尝试用碳氟化合物来冷却其CRAY-2.当然，热量不是传给那些液体，就像带有迂回水路的冷却系统，它带有一个冷却单元来冷却那些液体。 另一种开放式液体冷却的方法使用的原理是当液体蒸发时温度会降低。其它的东西就很明了了：散热器就是一个微型的水槽，液体在那里蒸发，水槽的底部变冷，水汽又开始聚集凝结为液体。总体说来，它和前面提到的使用制冷剂的方法很像。这种方法很少见，尚未商用。结论 事实上我们有无数的可能性，但需要讨论的问题是它的造价是多少而不是到底哪种方法最有效。或许我们能够在两者之间取得某些平衡。除此之外，还有一些问题是要考虑的，比如使用空气冷却时，我们要把所有发热的元件都暴露在气流中，但为了减少电磁干扰（其级别是受到各种标准严格控制的，实际上为了电脑的正常工作，必须控制它），我们又得把所有发出辐射的部件放入金属的掩盖物中。所以说，平衡是最重要的。 而且，几年之前我们只需考虑处理器的冷却问题，当现在我们又必须关注北桥芯片、显示芯片甚至是硬盘。没有技术能让转速高达15，000rpm的硬盘不发出热量。更要命的是，这不是CPU，你可以每年都宣称一次由于封装方式的改变而需要新型的散热器。由于硬盘的外形，厂商们必须做得更好。现在已经出现了安装在机箱前面板来给硬盘降温的风扇组。 外面的空气被吸入机箱内，但这对于机箱内部的温度没有什么改善。而且除了安装第二个风扇，机箱内也没有什么根本性的改变。这些在今天是够用了，但在将来，毫无疑问需要一些新的技术。但到底这些技术会是什么样子，我们现在也