چرا الکترونیک داغ می شود و روش های خنک کننده مختلف چگونه کار می کند؟

چرا الکترونیک داغ می شود و روش های خنک کننده مختلف چگونه کار می کند؟

تقریباً هر قطعه الکترونیک مدرن گرما را ایجاد می کند چه متوجه شویم و چه نباشیم. بدون مدیریت صحیح آن گرما ، سیستمهای الکترونیکی ما خود را نابود می کنند یا برعکس ، ما توانایی محاسبات خود را به شدت محدود خواهیم کرد.

به طور متوسط ​​خواننده TechSpot ، البته خنک کننده CPU و GPU فکر خواهد کرد ، اما چرا RAM برای خنک نگه داشتن آن نیازی به فن ندارد؟ چرا این تفاوت بین عملکرد پردازنده موبایل و یک پردازنده دسکتاپ وجود دارد حتی اگر اندازه های آن بسیار شبیه به هم باشد؟ چرا روند عملکرد اخیر نسل های جدید تراشه کاهش یافته است؟

جواب همه اینها مربوط به گرما و فیزیک نحوه کار رایانه های دیجیتال در مقیاس نانو است. در این مقاله به علوم پایه گرما ، چگونگی و چرایی تولید آن در الکترونیک و روشهای مختلفی که برای کنترل آن تهیه کرده ایم ، خواهیم پرداخت.

اینجا گرم می شود: اصول اولیه گرما

اگر فیزیک دبیرستان را به خاطر دارید ، گرما فقط حرکات تصادفی اتمها و مولکولهایی است که جهان ما را تشکیل می دهد. اگر یک مولکول انرژی جنبشی بالاتری نسبت به مولکول دیگر داشته باشد ، می گوییم داغ تر است. این گرما در صورت تماس با آنها تا زمانی که این دو به تعادل برسند می توانند از یک شی به شی دیگر منتقل شوند. این بدان معناست که جسم داغ مقداری از گرمای خود را به جسم خنک کننده منتقل می کند و نتیجه نهایی آن دما در بین این دو است.

مدت زمان لازم برای انتقال این گرما بستگی به هدایت حرارتی دو ماده دارد. هدایت حرارتی اندازه گیری توانایی ماده در انجام گرما است. عایق مانند Styrofoam دارای هدایت حرارتی نسبتاً کم 0.03 است در حالی که یک هادی مانند مس دارای هدایت حرارتی بالا 400 است. در هر دو انتها یک خلاء واقعی دارای هدایت حرارتی 0 و الماس بالاترین هدایت حرارتی شناخته شده بیش از 2000 را دارد. .

یک نکته را باید به خاطر بسپارید که گرما همیشه به سمت سرما می رود ، اما چیزی به نام "سرما" وجود ندارد ما فقط اگر گرمای کمتری نسبت به محیط اطراف خود داشته باشیم ، چیزهایی را "سرد" می بینیم. تعریف مهم دیگر که ما به آن احتیاج خواهیم داشت توده حرارتی است که نشان دهنده بی تحرکی یک جسم در برابر نوسانات دما است. با همان کوره اندازه ، گرم کردن یک اتاق واحد در یک خانه بسیار راحت تر از آن است که تمام خانه را گرم کند. این امر به این دلیل است که جرم حرارتی یک اتاق بسیار کمتر از جرم حرارتی یک خانه کامل است.

ما می توانیم همه این مفاهیم را در مثال ساده جوشاندن آب کنار هم قرار دهیم. هنگامی که اجاق گاز را روشن می کنید ، شعله داغ با گلدان خنک کننده تماس می گیرد. از آنجا که مواد تشکیل دهنده گلدان هادی حرارتی خوبی است ، گرما از آتش تا زمانی که جوش بیاید به داخل آب منتقل می شود.

مدت زمان لازم برای جوش بستگی به روش گرمایش ، مواد گلدان و میزان آب آن دارد. اگر سعی کردید یک گلدان آب را با یک فندک کوچک بجوشانید ، در مقایسه با آتش بزرگ یک اجاق گاز ، برای همیشه طول خواهد کشید. دلیل این امر این است که اجاق گاز خروجی حرارتی بسیار بالاتری دارد و در وات نسبت به فندک کوچک اندازه گیری می شود. در مرحله بعد ، اگر گلدان از هدایت حرارتی بالاتری برخوردار باشد ، آب شما سریعتر جوش می آید زیرا بیشتر گرما به آب منتقل می شود. اگر به اندازه کافی ثروتمند باشید ، یک گلدان الماس قبر مقدس خواهد بود. سرانجام ، همه ما می دانیم که یک گلدان کوچک آب سریعتر از یک گلدان آب بزرگتر جوش می خورد. این امر به این دلیل است که با گلدان کوچکتر ، جرم حرارتی کمتری برای گرم شدن وجود دارد

پس از اتمام کار آشپزی ، می توانید آب را به صورت طبیعی خنک کنید. وقتی این اتفاق بیفتد ، گرمای حاصل از آب در داخل اتاق خنک کننده ریخته می شود. از آنجا که اتاق از توده حرارتی بسیار بالاتری نسبت به گلدان برخوردار است ، درجه حرارت خیلی تغییر نمی کند.

درخت گرما در وسایل الکترونیکی دیجیتال

اکنون که می دانیم گرما چگونه کار می کند و بین اشیاء حرکت می کند ، اجازه دهید در وهله اول صحبت کنیم که از کجا به وجود می آید. تمام الکترونیک های دیجیتال از میلیون ها میلیارد دلار ترانزیستور تشکیل شده اند. برای مشاهده دقیق تر نحوه کار آنها ، قسمت 3 مطالعه ما در مورد طراحی مدرن CPU را بررسی کنید .

در اصل ، ترانزیستورها سوئیچ هایی با کنترل الکتریکی هستند که میلیاردها بار در ثانیه روشن و خاموش می شوند. ما می توانیم یک دسته از آنها را به هم متصل کنیم تا ساختارهای یک تراشه رایانه ای تشکیل شود.

با کارکردن این ترانزیستورها ، آنها نیرو را از سه منبع معروف به سوئیچینگ ، اتصال کوتاه و نشت از بین می برند. سوئیچینگ و قدرت اتصال کوتاه به عنوان منبع گرمای دینامیکی شناخته می شوند زیرا تحت تأثیر روشن و خاموش شدن ترانزیستورها قرار دارند. قدرت نشت به دلیل ثابت بودن شناخته می شود و تحت تأثیر عملکرد ترانزیستور قرار نمی گیرد.

دو ترانزیستور به هم وصل شده اند تا یک دروازه NOT تشکیل شود. nMOS (پایین) اجازه می دهد تا جریان در جریان باشد و pMOS (بالا) اجازه می دهد جریان در هنگام خاموش جریان یابد.

ما با تغییر قدرت شروع می کنیم. برای روشن یا خاموش کردن یک ترانزیستور ، باید دروازه آن را به زمین (منطق 0) یا Vdd (منطق 1) تنظیم کنیم. کار ساده ای نیست که فقط یک سوئیچ را بچرخید ، زیرا این دروازه ورودی دارای ظرفیت خازنی بسیار کمی است. ما می توانیم به عنوان یک باتری قابل شارژ کوچک فکر کنیم. برای فعال کردن دروازه ، باید باتری را از یک سطح آستانه مشخص شارژ کنیم. پس از آماده شدن مجدد دروازه ، باید این شارژ را به زمین بزنیم. اگرچه این دروازه ها میکروسکوپی هستند ، اما در تراشه های مدرن میلیاردها دلار از آنها وجود دارد و در ثانیه میلیاردها بار تغییر می کنند.

هر بار که بار دروازه به زمین ریخته می شود ، گرمای کمی ایجاد می شود. برای پیدا کردن قدرت سوئیچینگ ، ضریب فعالیت (ضریب متوسط ​​ترانزیستورها را در هر چرخه معین) تغییر می دهیم ، فرکانس ، ظرفیت گیت و ولتاژ را با هم مربع می کنیم.

حال بگذارید قدرت اتصال کوتاه را بررسی کنیم. الکترونیک مدرن دیجیتال از روشی به نام نیمه هادی اکسید فلزی مکمل (CMOS) استفاده می کند. ترانزیستورها به گونه ای ترتیب داده شده اند که هیچگاه مسیری مستقیم برای جریان دادن جریان به زمین وجود ندارد. در مثال بالا از دروازه NOT ، دو ترانزیستور مکمل وجود دارد. هرگاه قسمت بالا روشن باشد ، قسمت پایین خاموش است و برعکس. این تضمین می کند که خروجی یا در 0 یا 1 باشد و معکوس ورودی است. هرچند که ما ترانزیستورها را روشن و خاموش می کنیم ، زمان بسیار کمی وجود دارد که هر دو ترانزیستور در همان زمان در حال انجام هستند. وقتی یک ست خاموش می شود و دیگری روشن می شود ، هر دو هنگام رسیدن به نقطه میانه انجام دهند. این غیرقابل اجتناب است و مسیری موقت را برای جریان مستقیم جریان به زمین فراهم می کند.

با افزایش فرکانس عملکرد یک تراشه ، تغییرات حالت بیشتری وجود دارد و مدارهای کوتاه لحظه ای بیشتری دارند. این باعث افزایش گرمای تراشه می شود. برای یافتن قدرت اتصال کوتاه ، جریان اتصال کوتاه ، ولتاژ کار و فرکانس سوئیچینگ را با هم ضرب می کنیم.

هر دوی اینها نمونه هایی از قدرت پویا هستند. اگر می خواهیم آن را کاهش دهیم ، ساده ترین راه فقط کاهش فرکانس تراشه است. این اغلب عملی نیست زیرا باعث کند شدن عملکرد تراشه می شود. گزینه دیگر کاهش ولتاژ عملکرد تراشه است. تراشه های مورد استفاده برای اجرا در 5V و بالاتر در حالی که CPU های مدرن در حدود 1V کار می کنند. با طراحی ترانزیستورها برای ولتاژ پایین تر ، می توان گرمای از دست رفته را از طریق توان پویا کاهش داد. قدرت دینامیکی همچنین به همین دلیل است که CPU و GPU شما هنگام اورکلاک داغ تر می شوند. شما فرکانس کار و اغلب ولتاژ را نیز افزایش می دهید. هرچه اینها بالاتر بروند ، در هر چرخه گرمای بیشتری تولید می شود.

آخرین نوع گرمای تولید شده در الکترونیک دیجیتال ، قدرت نشت است. ما دوست داریم که ترانزیستورها را کاملاً روشن یا خاموش بدانیم ، اما اینگونه نیست که آنها در واقعیت کار کنند. جریان کوچکی از جریان وجود خواهد داشت که حتی وقتی ترانزیستور در حالت غیر رسانا باشد ، جریان می یابد. این یک فرمول بسیار پیچیده است و با کوچکتر شدن ترانزیستورها ، اثر فقط بدتر می شود.

هنگامی که آنها کوچکتر می شوند ، ماده ای کم و کمتر وجود دارد که بتوانیم جریان الکترون ها را مسدود کنیم وقتی بخواهیم آنها را خاموش کنیم. این یکی از اصلی ترین عوامل محدود کننده عملکرد نسل های جدید تراشه است زیرا نسبت قدرت نشت باعث افزایش هر نسل می شود. قوانین فیزیک ما را در گوشه ای قرار داده است و ما از همه کارت های بدون زندان استفاده کرده ایم.

قرص خنک مصرف کنید: چطور چیپس ها را خنک نگه دارید

بنابراین ما می دانیم که گرما در الکترونیک از کجا می آید ، اما با آن چه کار می کنیم؟ ما باید از شر آن خلاص شویم زیرا اگر اوضاع خیلی داغ شود ، ترانزیستورها می توانند شروع به تجزیه و آسیب ببینند. اگر خود سرمازدگی کافی را فراهم نکنیم ، گرمای حرارتی یک روش خنک کننده داخلی تراشه است. اگر سنسورهای دمای داخلی تصور کنند که کمی بیش از حد سرخ شده است ، این تراشه می تواند به طور خودکار فرکانس کاری خود را کاهش دهد تا از میزان گرمای تولید شده کم شود. این چیزی نیست که شما بخواهید اتفاق بیفتد و روشهای بهتری برای مقابله با گرمای ناخواسته در یک سیستم رایانه ای وجود دارد.

برخی تراشه ها در واقع نیازی به راه حل های خنک کننده ندارند. نگاهی به مادربرد خود بیندازید و ده‌ها چیپس کوچک و بدون هیت سینک را مشاهده خواهید کرد. چگونه آنها بیش از حد گرم نمی شوند و خود را نابود می کنند؟ دلیل این امر این است که احتمالاً در درجه اول گرمای زیادی تولید نمی کنند. CPU ها و GPU های بزرگ دارای گوشت گاو می توانند صدها وات قدرت را از بین ببرند در حالی که یک شبکه کوچک یا تراشه صوتی فقط ممکن است از کسری از وات استفاده کند. در صورت بروز این مسئله ، خود مادربرد یا بسته بندی بیرونی تراشه می تواند به اندازه کافی از هیت سینک برای خنک نگه داشتن تراشه استفاده کند. اگرچه بیشتر از یک وات بالاتر می روید ، اما باید در مورد مدیریت حرارتی مناسب فکر کنید.

نام بازی در اینجا حفظ مقاومت حرارتی بین مواد تا حد ممکن است. ما می خواهیم برای رسیدن به هوای محیط کوتاه ترین مسیر را برای گرما از یک تراشه ایجاد کنیم. به همین دلیل است که CPU و GPU می میرند و دارای پخش کننده حرارت یکپارچه (IHS) در بالا هستند. تراشه واقعی داخل بسیار کوچکتر از اندازه بسته است ، اما با پخش کردن گرمای بیرون از منطقه بزرگتر ، می توانیم آن را به صورت کارآمدتری خنک کنیم. همچنین استفاده از یک ترکیب حرارتی مناسب بین تراشه و کولر بسیار مهم است. بدون این مسیر هدایت حرارتی بالا ، گرما قادر نخواهد بود به راحتی از IHS به هیت سینک جریان یابد.

دو نوع اصلی سرمایش وجود دارد: منفعل و فعال. سرمایش منفعل فقط یک هیت سینک ساده است که به تراشه وصل شده و با جریان هوا سرد می شود. این مواد چیزی با هدایت حرارتی بالا و مساحت سطح بالا خواهد بود. این اجازه می دهد تا گرما از تراشه به هوای اطراف منتقل شود.

تنظیم کننده های ولتاژ و تراشه های حافظه معمولاً می توانند با خنک کننده غیرفعال از بین بروند زیرا گرمای زیادی تولید نمی کنند. پردازنده های تلفن همراه به طور معمول خنک می شوند زیرا از نظر قدرت بسیار کمی طراحی شده اند. هرچه عملکرد تراشه بالاتر باشد ، قدرت بیشتری تولید می کند و به گرمای بیشتری نیاز خواهید داشت. به همین دلیل پردازنده های تلفن نسبت به پردازنده های کلاس رومیزی قدرت کمتری دارند. به سادگی خنک کننده کافی برای ادامه کار وجود ندارد.

تصویر حرارتی پردازنده تلفن همراه با صفحه خنک کننده منفعل

هنگامی که به ده ها وات رسیدید ، به احتمال زیاد در مورد خنک کننده فعال فکر خواهید کرد. در این روش از فن یا روش دیگری برای مجبور کردن هوا در یک هیت سینک استفاده می شود و می تواند تا چند صد وات کار کند. برای استفاده از این خنک کننده بسیار زیاد ، باید اطمینان حاصل کنیم که گرما از تراشه به کل سطح کولر پخش می شود. خیلی فایده ای ندارد اگر بخاری بزرگ داشته باشیم اما به هیچ وجه برای گرم کردن آن استفاده نمی شود.

در اینجاست که لوله های خنک کننده مایع و گرما وارد می شوند. هر دو وظیفه انتقال همانطور که ممکن است از یک تراشه به یک هیت سینک یا رادیاتور انتقال دهند ، همان کار را انجام می دهند. در یک تنظیم خنک کننده مایع ، گرما از تراشه به یک منبع آب از طریق یک ترکیب حرارتی با هدایت حرارتی بالا منتقل می شود. آبراه غالباً مس یا بعضی مواد دیگر است که گرما را به خوبی انجام می دهد. مایع داغ تر می شود و گرما را تا زمانی که به رادیاتور برسد جایی که می توان آن را دفع کرد ، ذخیره می کند. برای سیستم های کوچکتر مانند لپ تاپ هایی که امکان نصب کامل خنک کننده مایع را ندارند ، لوله های حرارتی بسیار متداول هستند. در مقایسه با یک لوله اصلی مس ، یک لوله لوله حرارتی می تواند 10-100 برابر در انتقال حرارت به دور از تراشه کارآمدتر باشد.

یک لوله حرارتی بسیار شبیه به خنک کننده مایع است ، اما همچنین از انتقال فاز برای افزایش انتقال حرارتی استفاده می کند. در داخل لوله های حرارتی مایع وجود دارد که هنگام گرم شدن به بخار تبدیل می شود. بخار در طول لوله گرما حرکت می کند تا اینکه به سرما برسد و مجدداً درون یک مایع متراکم شود. مایع با حرکت و یا عمل مویرگی به انتهای گرم برمی گردد . این سرمایش تبخیری به همین دلیل است که هنگام بیرون آمدن از دوش یا استخر ، احساس سرما می کنید. در تمام این سناریوها ، مایع در فرآیند تبدیل به بخار ، گرما را جذب می کند و بعد از آن که گرما بخورد ، گرما را آزاد می کند.

تظاهرات لوله حرارتی Zootalures:

حال که می توانیم گرما را از تراشه خارج کنیم و درون یک لوله حرارتی یا مایع قرار دهیم ، چگونه می توان آن گرما را در هوا ریخت؟ در اینجا است که باله ها و رادیاتورها وارد می شوند. یک لوله آب یا لوله حرارتی مقداری از گرمای آن را به هوای اطراف منتقل می کند ، اما خیلی زیاد نیست. برای خنک کردن واقعاً ، باید سطح سطح شیب دما را افزایش دهیم.

باله های نازک در یک هیتر سینک یا رادیاتور گرما را در یک سطح بزرگ پخش می کنند که به فن اجازه می دهد تا آن را به طور کارآمد دور کند. هرچه باله ها نازک تر باشند ، سطح بیشتری می تواند در اندازه معینی قرار بگیرد. با این حال ، اگر آنها بسیار نازک باشند ، تماس کافی با لوله گرما وجود نخواهد داشت تا در وهله اول گرما را به درون باله ها وارد کند. این یک تعادل بسیار خوب است به همین دلیل در سناریوهای خاص ، یک کولر بزرگتر می تواند بدتر از یک کولر کوچکتر و بهینه تر عمل کند. استیو در Gamers Nexus نمودار بزرگی از نحوه کار این همه در یک هیت سینک معمولی ارائه داده است.

عملیات Heatsink - Gamers Nexus

تمام روشهای خنک کننده ای که ما در مورد کار با انتقال ساده گرما از یک چیپس گرم به هوای اطراف صحبت کرده ایم. این بدان معنی است که تراشه هرگز نمی تواند سردتر از دمای محیط اتاق مورد نظر باشد. اگر می خواهیم به دمای زیر محیط خنک شویم یا چیزی بزرگ مانند یک مرکز داده کامل برای خنک کردن داشته باشیم ، باید علم بیشتری به آن اضافه کنیم. اینجاست که چیلرها و کولرهای حرارتی وارد می شوند.

خنک کننده حرارتی ، همچنین به عنوان یک دستگاه Peltier شناخته می شود ، در حال حاضر بسیار محبوب نیست ، اما پتانسیل بسیار مفیدی دارد. این دستگاه ها با مصرف برق گرما را از یک طرف صفحه خنک کننده به طرف دیگر منتقل می کنند. آنها از ماده حرارتی ویژه ای استفاده می کنند که می تواند از طریق پتانسیل الکتریکی اختلاف دما ایجاد کند. هنگامی که یک جریان DC از یک طرف دستگاه جریان می یابد ، گرما به طرف دیگر منتقل می شود. این اجازه می دهد تا طرف "خنک" زیر دمای محیط قرار بگیرد. در حال حاضر این دستگاه ها بسیار ناخوشایند هستند زیرا برای دستیابی به هر نوع خنک کننده قابل توجهی به انرژی زیادی نیاز دارند. با این حال ، محققان در تلاشند نسخه های کارآمدتری را برای بازارهای بزرگتر ایجاد کنند.

دقیقاً مانند انتقال حالت ها گرما را منتقل می کند ، تغییر فشار یک سیال نیز می تواند برای انتقال گرما استفاده شود. به این ترتیب یخچال و فریزر ، سیستم های تهویه هوا و سایر سیستم های خنک کننده کار می کنند.

مبرد مخصوص از طریق حلقه بسته ای که در آن بخار شروع می شود ، جریان می یابد ، فشرده می شود ، درون مایعات متراکم می شود ، منبسط می شود و مجدداً بخار می شود. این چرخه گرما را در فرآیند تکرار و انتقال می دهد. کمپرسور به انرژی نیاز دارد ، اما سیستمی مانند این می تواند تا دمای زیر محیط سرد شود. اینگونه است که دیتاسنترها و ساختمانها حتی در گرمترین روز تابستان می توانند خنک بمانند.