Будущее микропроцессорного охлаждения: жидкое охлаждение и за его пределами

Почему охлаждение микропроцессоров имеет большее значение, чем когда-либо

Неустанное стремление к более высокой производительности привело к беспрецедентным уровням плотности мощности микропроцессоров. Современные процессоры и графические процессоры могут потреблять сотни ватт под нагрузкой, а генерируемое тепло должно быть эффективно удалено, чтобы предотвратить тепловое дросселирование, нестабильность или постоянный ущерб. Эта проблема заключается не только в сохранении охлаждения чипов; это напрямую влияет на производительность на ватт, надежность и способность упаковывать больше вычислительной мощности в меньшие форм-факторы. По мере того, как размеры транзисторов сокращаются, а архитектуры становятся более сложными, мощность теплового дизайна (TDP) флагманских процессоров выросла с примерно 65 Вт десять лет назад до более 250 Вт во многих высокопроизводительных настольных и серверных чипах. Индустрия охлаждения должна была быстро внедрять инновации, чтобы идти в ногу, и решения, которые мы видим сегодня, являются только началом.

Современный ландшафт: господство охлаждения воздуха и его пределы

Как работает традиционное охлаждение воздуха

Воздушное охлаждение остается решением по умолчанию для подавляющего большинства систем, от бюджетных ноутбуков до корпоративных серверов. Типичный воздушный охладитель состоит из металлического радиатора — часто алюминия или меди — с плавниками, которые увеличивают площадь поверхности, и одного или нескольких вентиляторов, которые перемещают воздух через эти плавники, чтобы унести тепло. Основание радиатора напрямую контактирует с интегрированным теплораспределителем процессора (IHS), иногда используя термоинтерфейсный материал (TIM) для заполнения микроскопических зазоров. Тепловые трубы, герметичные трубы, содержащие небольшое количество рабочей жидкости, обычно встраиваются в базу для быстрой передачи тепла в стопку плавников через фазовое изменение: жидкость испаряется в горячем конце, перемещается в область более холодного плавника, конденсируется и возвращается через капиллярное действие. Этот двухфазный процесс чрезвычайно эффективен, делая тепловые трубы основным продуктом в охладителях процессора с начала 2000-х годов.

Сильные и слабые стороны воздушного охлаждения

Охлаждение воздуха является дешевым, надежным и не требует почти никакого обслуживания, кроме случайного запыления. Он не имеет движущихся частей, кроме вентиляторов, которые легко заменяемы. Однако эффективность воздушного охлаждения ограничена температурой окружающего воздуха и теплопроводностью используемых материалов. Поскольку процессоры генерируют больше тепла, воздушные охладители должны расти больше - вентиляторы большего размера или несколько вентиляторов - которые могут создавать проблемы с клиренсом внутри корпусов и создавать нагрузку на материнские платы. Кроме того, высокопроизводительные воздушные охладители могут быть тяжелыми (более 1 кг) и шумными под нагрузкой. Для экстремальных разгонных или высокоплотных сред, таких как центры обработки данных, воздушное охлаждение само по себе часто не может поддерживать температуру чипа ниже безопасных порогов, особенно когда температура окружающей среды повышена.

Модернизация и гибридные проекты

Чтобы еще больше подтолкнуть охлаждение воздуха, производители ввели паровые камеры - плоские, герметичные полости, которые используют двухфазное теплораспространение вместо тепловых труб - и более крупные, более медленные вентиляторы для снижения шума. Некоторые высококлассные воздушные охладители теперь конкурируют с жидкими охладителями начального уровня в тепловых характеристиках, но они все еще сталкиваются с фундаментальным пределом низкой удельной теплоемкости воздуха. Вот где жидкое охлаждение входит в качестве следующей логической эволюции.

Жидкое охлаждение: доказанный шаг вперед

Как работает жидкое охлаждение

Жидкое охлаждение передает тепло от процессора к жидкой охлаждающей жидкости (обычно смесь дистиллированной воды и биоцида / антикоррозионной добавки), циркулирующей через замкнутый цикл. Система содержит блок воды, установленный на ЦПУ или GPU, насос, который перемещает охлаждающую жидкость, радиатор с вентиляторами для рассеивания тепла в воздух и трубки, соединяющие компоненты. Поскольку вода имеет примерно в 24 раза удельную тепловую емкость воздуха, данный объем охлаждающей жидкости может поглощать гораздо больше тепла до того, как его температура значительно повысится. Это позволяет радиатору размещаться вдали от процессора - часто в верхней или передней части корпуса - где он может использовать более крупные, более тихие вентиляторы или даже быть установленным снаружи.

All-in-One vs. Custom Loops (альбом)

Решения жидкостного охлаждения делятся на две основные категории: охладители «все в одном» (AIO) и пользовательские петли. Охладители AIO бывают предварительно заполненными, герметичными и не требуют технического обслуживания за пределами очистки вентилятора. Они относительно недороги, просты в установке и предлагают значительный прирост производительности по сравнению с большинством воздушных охладителей. Популярные размеры варьируются от 120 мм радиаторов (подходят для компактных сборок) до 360 мм или даже 420 мм радиаторов для высокопроизводительных процессоров и графических процессоров. Пользовательские петли, с другой стороны, собираются пользователем из отдельных компонентов: насос / водохранилище, блок воды, радиатор, фитинги и трубки. Они предлагают максимальный потенциал охлаждения, эстетическую настройку (цветной охлаждающий агент, светодиоды, жесткая трубка) и возможность охлаждать несколько компонентов (CPU, GPU, даже RAM) в одной петле. Однако пользовательские петли дороги, трудоемки в сборке и несут риск утечек, если не собраны правильно.

Выгоды от производительности и Real-World

Для энтузиастов и профессионалов, которые доводят свое оборудование до предела, жидкое охлаждение обеспечивает запас хода для агрессивного разгона. Хорошо продуманный пользовательский цикл может поддерживать процессор мощностью 300 Вт при температуре ниже 60 ° C при устойчивой нагрузке, в то время как воздушное охлаждение может изо всех сил пытаться оставаться ниже 80 ° C. Более низкие температуры также продлевают срок службы компонентов и уменьшают тепловое напряжение на припоях. Кроме того, жидкое охлаждение позволяет снизить скорость вращения вентиляторов, что приводит к более тихой работе - ключевое преимущество для студий звукозаписи, домашних кинотеатров или офисных сред, где шум вызывает беспокойство.

Недостатки и техническое обслуживание

Несмотря на свои преимущества, жидкое охлаждение не лишено недостатков. Охладители AIO имеют конечный срок службы: насос может выйти из строя, или охлаждающая жидкость может медленно проникать через трубки, снижая производительность с течением времени. Пользовательские петли требуют периодического обслуживания: дренаж, промывка и замена охлаждающей жидкости каждые 12-18 месяцев для предотвращения роста водорослей, коррозии или накопления частиц. Начальная стоимость также выше - качественная AIO может стоить 80-200 долларов, в то время как пользовательский цикл легко превышает 300 долларов. Для большинства пользователей повышение производительности по сравнению с воздушным охладителем верхнего уровня может не оправдать расходы. Однако для тех, кто ищет абсолютную лучшую тепловую производительность, жидкое охлаждение остается технологией.

Beyond Water: новые и экспериментальные технологии охлаждения

В то время как жидкостное охлаждение на водной основе доминирует на рынке высокоэффективных продуктов, исследователи и инженеры изучают альтернативы, которые обещают еще большую эффективность, меньшие форм-факторы или более низкое воздействие на окружающую среду. Эти технологии находятся на различных стадиях зрелости, от лабораторных прототипов до нишевых коммерческих продуктов.

Фазовое охлаждение (двухфазные испарители)

Охлаждение с фазовым изменением использует скрытое тепло испарения — энергию, необходимую для превращения жидкости в газ — для поглощения большого количества тепла при постоянной температуре. Это принцип, лежащий в основе тепловых труб и паровых камер, но автономные двухфазные системы охлаждения принимают его дальше. В типичной установке хладагент или диэлектрическая жидкость циркулируют через холодную пластину на процессоре; жидкость кипит, поглощает тепло, и пар перемещается в конденсатор, где он выделяет тепло и возвращается в жидкость. Этот метод может достигать коэффициентов теплопередачи намного выше, чем однофазное водяное охлаждение. Некоторые экспериментальные системы используют микроканалы или пористые фитиля для повышения кипения и предотвращения парового охлаждения. Охлаждение с фазовым изменением уже используется в некоторых высокопроизводительных ноутбуках и промышленной электронике, но все еще слишком сложно и дорого для широкого потребительского внедрения.

Погружение охлаждает

Погружение охлаждения идет еще дальше, погружая целые электронные сборки в диэлектрическую жидкость, которая является теплопроводной, но электрически изоляционной. Жидкость непосредственно контактирует со всеми компонентами, устраняя необходимость в радиаторах или вентиляторах. Тепло передается в жидкость, которая затем перекачивается в теплообменник. Существуют два типа: однофазное погружение, где жидкость остается жидкой и циркулирует как вода, и двухфазное погружение, где жидкие кипения и пар конденсируются на охлаждающей катушке в крышке резервуара. Погружение охлаждения все чаще используется в центрах обработки данных для снижения потребления энергии для вентиляторов охлаждения и для обеспечения более высокой плотности стойки. Такие компании, как Submer, Green Revolution Cooling и Fujitsu, развернули коммерческие системы погружения. Для потребительских ПК, погружение буровых установок существуют, но дороги и грязны для поддержания - уплотнение соединений и обработка больших объемов жидкости являются значительными барьерами.

Термоэлектрическое охлаждение (Peltier Devices)

Термоэлектрические охладители (ТЭС) используют эффект Пельтье: когда ток проходит через соединение двух разных полупроводников, тепло поглощается с одной стороны и выделяется с другой. Помещая ТЭК между процессором и радиатором или жидким охладителем, он может активно откачивать тепло от чипа, потенциально достигая температуры ниже окружающей среды. ТЭС используются для экстремального разгона и в некоторых специализированных промышленных приложениях. Однако они имеют серьезные недостатки: они потребляют значительную мощность (тот же ток, который перемещает тепло, также генерирует отработанное тепло в устройстве), они создают большой температурный дифференциал, который может вызвать конденсацию на холодных поверхностях (требуя тщательной изоляции), и они относительно неэффективны по сравнению с прямым жидкостным охлаждением. Текущие исследования фокусируются на улучшении материалов (например, с использованием суперрешеток или квантовых скважин) для повышения эффективности, но ТЭК остаются нишей для потребительского оборудования.

Спрей охлаждения и реактивного импемента

Охлаждение распылителем включает в себя атомизацию охлаждающей жидкости в мелкие капли, которые попадают на горячую поверхность, испаряются и уносят тепло. Это очень эффективно, потому что капли обеспечивают большую площадь поверхности для испарения. Столкновение с реактивным двигателем аналогично: высокоскоростная жидкая струя поражает нагретый компонент, производя очень высокие коэффициенты теплопередачи вблизи точки застоя. Оба метода были использованы для охлаждения мощной электроники, такой как IGBT, в электромобилях и радиолокационных системах. Для микропроцессоров распыляющее охлаждение может удалить более 1000 Вт / см2, что намного превышает то, что достигают современные воздушные или водяные охладители. Проблемы включают в себя проектирование надежных сопл, которые не засоряются, управление выхлопом пара и обеспечение даже покрытия по поверхности чипа. Исследователи из таких организаций, как Технологический институт Джорджии и Мэрилендский университет продолжают разрабатывать эти методы для будущих поколений чипов.

Продвинутые материалы: графен, углеродные нанотрубки и алмаз

Даже лучший цикл охлаждения ограничен тем, как быстро тепло может быть проведено вдали от кремниевой матрицы. Улучшение материалов теплового интерфейса и теплораспределителей является критической областью исследований. Графен, один слой атомов углерода, имеет теплопроводность, превышающую 5000 Вт / м · К - более чем в десять раз больше, чем у меди. Углеродные нанотрубки (CNTs) также имеют очень высокую проводимость в их осевом направлении. Исследователи изучают композитные TIM, заполненные графеном или CNTs, чтобы уменьшить тепловое сопротивление между матрицей и охладитель. Алмаз, с проводимостью около 2000 Вт / м · К, уже используется в некоторых мощных РЧ транзисторах и может стать более распространенным в упаковке процессора. Однако интеграция этих материалов экономически эффективно и надежно в масштабе остается значительным инженерным препятствием.

Охлаждение дата-центров: рубеж в миллиард долларов

В то время как охлаждение потребителей захватывает заголовки, индустрия центров обработки данных является реальным драйвером инноваций. Гипермасштабные объекты, управляемые Amazon, Google, Microsoft и другими, потребляют огромное количество энергии - и значительная часть идет на охлаждение. Google годами использовал испарительное охлаждение и свободное охлаждение (используя внешний воздух, когда температура низкая). Microsoft экспериментировала с подводным центром обработки данных (проект Natick) для использования естественного охлаждения воды. Совсем недавно в кластерах высокопроизводительных вычислений (HPC) стали обычными двухфазное жидкое охлаждение и жидкое охлаждение с прямым к чипу. Эти системы используют холодные пластины, подключенные непосредственно к процессорам и графическим процессорам, с контуром охлаждающей жидкости, который подает в контур охлаждаемой воды объекта. Этот подход может удалить 80-90% тепловой нагрузки без использования вентиляторов, резко сокращая затраты на энергию и позволяя использовать более плотные макеты серверов. Новые стандарты, такие как Open Compute Project (OCP) и Open19, настаивают на стандартизированных конструкциях

Интеграция программного обеспечения и прошивки: более умное управление теплом

Охлаждение касается не только аппаратного обеспечения; оно также зависит от интеллектуального управления. Современные материнские платы и операционные системы могут регулировать кривые вентиляторов, скорости насоса и пределы мощности процессора на основе показаний температуры в реальном времени. Алгоритмы машинного обучения используются для прогнозирования тепловых нагрузок и проактивного управления охлаждением в центрах обработки данных. Например, ИИ DeepMind от Google снизил потребление энергии охлаждения в своих центрах обработки данных до 40% за счет динамического управления вентиляторами и HVAC. На рабочем столе такие инструменты, как Intel Extreme Tuning Utility (XTU) и AMD Ryzen Master, позволяют пользователям точно настраивать напряжения и тактовую частоту для балансировки производительности и тепловой мощности. Функции на уровне прошивки, такие как Intel Thermal Velocity Boost (TVB), автоматически повышают частоты, когда процессор достаточно холодный. По мере того, как процессоры становятся более динамичными в своей силовой ничьей, синергия между аппаратным охлаждением и программным управлением будет становиться все более важной.

Впереди проблемы: стоимость, надежность и воздействие на окружающую среду

Несмотря на обещание продвинутого охлаждения, остаются несколько препятствий, прежде чем эти технологии станут основными. Стоимость наиболее очевидна: пользовательские жидкие петли и резервуары для погружения все еще слишком дороги для среднего пользователя. Проблемы надежности также сохраняются - утечки в жидких системах могут разрушить оборудование, и сложность установки удерживает многих. Воздействие на окружающую среду охлаждающих жидкостей является еще одним соображением; многие фторированные жидкости, используемые в двухфазном погружении, имеют высокий потенциал глобального потепления (GWP). Исследователи разрабатывают более экологически чистые альтернативы, такие как жидкости на основе гидрофтороолефинов (HFO) или природных хладагентов, таких как пропилен. Кроме того, энергия, необходимая для перекачки охлаждающей жидкости или запуска TEC, должна быть взвешена против экономии от более низкой мощности вентилятора. Во многих случаях хорошо спроектированный воздушный охладитель по-прежнему является наиболее разумным выбором с точки зрения общей стоимости владения.

Заглядывая в будущее: что охладит процессор 2030-х годов?

Прогнозирование доминирующего метода охлаждения через десять лет трудно, но некоторые тенденции очевидны. Во-первых, жидкое охлаждение будет продолжать проникать в мейнстрим. Охладители AIO уже распространены в игровых ПК, и мы можем увидеть, что интегрированное в заводские системы жидкое охлаждение в стандартных ноутбуках и настольных компьютерах - аналогично тому, что Apple предлагает с Mac Pro. Во-вторых, двухфазное охлаждение с прямым к чипу станет более распространенным на серверах и рабочих станциях, вероятно, с использованием диэлектрических жидкостей для устранения риска электрического повреждения. В-третьих, достижения в области материаловедения будут производить лучшие материалы теплового интерфейса и тепловые распределители, что сделает даже охлаждение воздуха более эффективным. В-четвертых, погружение охлаждение может выйти за пределы центров обработки данных в высокопроизводительные потребительские установки, поскольку затраты снижаются и обслуживание становится проще. Наконец, программное обеспечение определяемое управление тепловым режимом оптимизирует всю систему в режиме реального времени, балансируя производительность, шум и потребление энергии.

Будущее микропроцессорного охлаждения - это не одна технология, а многоуровневая экосистема: передовой воздух для бюджетных и средних систем, вода для энтузиастов, двухфазная и погружение для экстремальных характеристик и центров обработки данных, все это подкреплено более интеллектуальным управлением и лучшими материалами. Плотность тепла чипов будет продолжать расти, но индустрия охлаждения доказывает, что она может внедрять инновации так же быстро. Являетесь ли вы геймером, исследователем или облачным провайдером, следующее десятилетие принесет решения для охлаждения, которые более способны, более эффективны и более интегрированы, чем когда-либо прежде.