L'état des systèmes de refroidissement des microprocesseurs

Sep 07, 2023

Matthieu Cheung

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Cette revue de la littérature a été initialement rédigée en décembre 2017 par Matthew Cheung, pour le cours d'études supérieures ME 290R (Sujets en fabrication - Manipulation des matériaux à l'échelle nanométrique) à l'Université de Californie à Berkeley.

Historiquement, la taille des puces des microprocesseurs est restée relativement constante. Même si les performances ont augmenté en raison de l'augmentation du nombre de transistors, les niveaux totaux de production de chaleur du boîtier du microprocesseur sont restés relativement stables. Ainsi, afin d'augmenter encore la densité de calcul au-delà des augmentations dues à la loi de Moore, les fabricants de refroidisseurs de microprocesseurs ont poussé à rendre les refroidisseurs plus petits, tentant même d'intégrer des systèmes de refroidissement dans les puces des microprocesseurs eux-mêmes. Cette revue présente un bref historique du refroidissement des microprocesseurs, puis aborde l'efficacité des technologies actuelles.

Termes de l'index — Refroidissement de l'électronique, refroidissement par impact de jet, refroidissement liquide, refroidissement microfluidique, microprocesseurs.

La loi de Moore stipule que le nombre de transistors par unité de surface sur un circuit intégré (CI) double environ tous les 18 mois. Toutefois, en raison de la nature exponentielle de cette croissance, il est peu probable qu’elle se poursuive éternellement. En fait, à mesure que les transistors deviennent de plus en plus petits, des problèmes surgissent à mesure que l’on s’approche des limites atomiques. Afin de répondre aux demandes croissantes de densité de calcul accrue, la chaleur devient une préoccupation de plus en plus grande.

La plupart des composants informatiques disposent d’une forme de refroidissement. La chaleur est produite à la suite d’une certaine inefficacité d’un circuit intégré. La résistance électrique contribue largement à la production de chaleur. Bien que les composants informatiques aient connu de grands progrès en termes de performances et d’efficacité, le refroidissement reste nécessaire.

Pendant le fonctionnement d'un ordinateur, la chaleur peut provoquer l'apparition de problèmes. Par exemple, si un processeur est soumis à une charge de travail élevée et que le système de refroidissement ne peut pas dissiper suffisamment la chaleur assez rapidement, le processeur peut se « underclocker » en abaissant la fréquence pour tenter d'abaisser la température du boîtier du processeur à une température de fonctionnement sûre. Cependant, si la température continue d'augmenter, les processeurs modernes éteindront complètement le système, dans le but de protéger le matériel des températures de fonctionnement dangereuses.

Pour comprendre comment la majorité de la chaleur est générée par les circuits intégrés, examinons les transistors. La puissance statique consommée, P_S, en raison d'une fuite de courant et d'alimentation, en raison d'une fuite de courant et de tension d'alimentation est donnée par l'équation :

où V_CCest la tension d'alimentation, et I_CC est le courant entrant dans l'appareil. La puissance consommée lors du passage d'un état logique à un autre est la puissance transitoire (dynamique), P_T, et est donné par l'équation :

où C_pdest la capacité dynamique de dissipation de puissance, V_CCest la tension d'alimentation, f_Iest la fréquence du signal d'entrée, et N_SW est le nombre de bits commutés. La puissance consommée en raison de la charge de la capacité de charge externe, P_L, est donné par l'équation :

où Nest le nombre de bits, C_L_nest la capacité de charge du bit n, f_O_nest la fréquence de sortie du bit n, et V_CC est la tension d'alimentation. Enfin, la consommation électrique totale, P_Total, est une combinaison additive de (1), (2) et (3) :

où P_Sest la puissance statique consommée, P_Test la puissance transitoire consommée, et P_Lest la capacité de charge externe, qui sont toutes indiquées ci-dessus [1].

Bien qu’une partie de la consommation totale d’énergie soit utilisée pour les travaux électriques, le reste de la consommation totale d’énergie est converti en chaleur. La chaleur nominale maximale produite par une puce, quelle que soit la charge de travail, est souvent donnée par les fabricants de puces sous le nom de puissance thermique nominale (TDP). Les concepteurs de matériel doivent connaître le TDP des puces avec lesquelles ils travailleront, car ils doivent connaître la quantité de chaleur que leurs systèmes de refroidissement doivent dissiper.