마이크로프로세서 냉각 시스템의 현황

Sep 07, 2023

매튜 청

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이 문헌 리뷰는 원래 Matthew Cheung이 버클리 캘리포니아 대학의 대학원 수준 과정 ME 290R(제조 주제 - 재료의 나노 규모 조작)을 위해 2017년 12월에 작성했습니다.

역사적으로 마이크로프로세서 다이 크기는 상대적으로 일정하게 유지되었습니다. 트랜지스터 수 증가로 인해 성능이 향상되었지만 총 마이크로프로세서 패키지 열 생산 수준은 상대적으로 안정적으로 유지되었습니다. 따라서 무어의 법칙으로 인한 증가 이상으로 계산 밀도를 더욱 높이기 위해 마이크로프로세서 냉각기 제조업체는 냉각기를 더 작게 만들려고 노력해 왔으며 심지어 냉각 시스템을 마이크로프로세서 다이 자체에 통합하려고 시도했습니다. 이 검토에서는 마이크로프로세서 냉각의 간략한 역사를 논의한 다음 현재 기술의 효율성을 다룹니다.

색인 용어 — 전자 냉각, 제트 충돌 냉각, 액체 냉각, 미세유체 냉각, 마이크로프로세서.

무어의 법칙에 따르면 집적 회로(IC)의 단위 면적당 트랜지스터 수는 약 18개월마다 두 배로 늘어납니다. 그러나 성장의 기하급수적 특성으로 인해 이러한 성장이 영원히 계속될 가능성은 낮습니다. 실제로 트랜지스터가 점점 작아지면서 원자 한계에 가까워지면서 문제가 발생합니다. 점점 더 증가하는 계산 밀도에 대한 요구를 충족하기 위해서는 열에 대한 관심이 점점 더 커지고 있습니다.

대부분의 컴퓨터 구성 요소에는 어떤 형태로든 냉각 기능이 있습니다. IC의 일부 비효율로 인해 열이 발생합니다. 전기 저항은 열 생산에 큰 영향을 미칩니다. 컴퓨터 구성 요소의 성능과 효율성이 크게 향상되었지만 냉각은 여전히 ​​필요합니다.

컴퓨터 작동 중에 열로 인해 문제가 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 프로세서의 작업 부하가 높고 냉각 시스템이 열을 충분히 빠르게 방출할 수 없는 경우 프로세서 패키지 온도를 안전한 작동 온도로 낮추기 위해 주파수를 낮추어 프로세서 자체를 "언더클럭"할 수 있습니다. 그러나 온도가 계속 상승하면 최신 프로세서는 위험한 작동 온도로부터 하드웨어를 보호하기 위해 시스템을 완전히 끕니다.

대부분의 열이 집적 회로에서 어떻게 발생하는지 이해하기 위해 트랜지스터를 살펴봅니다. 소비되는 정적 전력, P_S, 누출 전류 및 공급으로 인해, 누출 전류 및 공급 전압으로 인해 다음 방정식으로 제공됩니다.

여기서 V_CC공급 전압이고 I_CC 장치에 흐르는 전류입니다. 한 논리 상태에서 다른 논리 상태로 전환하는 동안 소비되는 전력은 과도(동적) 전력 P_T입니다., 그리고 다음 방정식으로 주어진다:

여기서 C_pd동적 전력 소산 용량, V_CC공급 전압, f_I입력 신호 주파수, N_SW 비트 스위칭 수입니다. 외부 부하 용량 P_L 충전으로 인해 소모되는 전력는 다음 방정식으로 주어진다:

여기서 N비트 수, C_L_n비트 n의 로드 용량입니다., f_O_n비트 n의 출력 주파수입니다.및 V_CC 공급 전압입니다. 마지막으로 총 소비전력 P_Total는 (1), (2), (3)의 추가 조합입니다.

여기서 P_S소비되는 정적 전력, P_T소비된 과도 전력이고, P_L는 외부 부하 커패시턴스이며 모두 위에 나와 있습니다. [1]

전체 전력 소비량 중 일부는 전기 작업에 사용되지만, 전체 전력 소비량 중 나머지는 열로 전환됩니다. 모든 작업 부하에서 칩이 생성하는 최대 설계 열은 종종 칩 제조업체에서 TDP(열 설계 전력)로 제공합니다. 하드웨어 설계자는 냉각 시스템이 방출해야 하는 열의 양을 알아야 하기 때문에 작업할 칩의 TDP를 알아야 합니다.