O estado dos sistemas de resfriamento de microprocessadores

Sep 07, 2023

Matthew Cheung

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Esta revisão da literatura foi escrita originalmente em dezembro de 2017 por Matthew Cheung, para o curso de pós-graduação ME 290R (Tópicos em Manufatura - Manipulação de Materiais em Nanoescala) na Universidade da Califórnia, Berkeley.

Historicamente, o tamanho da matriz do microprocessador permaneceu relativamente constante. Embora o desempenho tenha aumentado devido ao aumento do número de transistores, os níveis totais de produção de calor do pacote do microprocessador permaneceram relativamente estáveis. Assim, a fim de aumentar ainda mais a densidade computacional além dos aumentos devidos à lei de Moore, os fabricantes de resfriadores de microprocessadores têm pressionado para torná-los menores, até mesmo tentando integrar sistemas de resfriamento nas próprias matrizes do microprocessador. Esta revisão discute uma breve história do resfriamento de microprocessadores e, em seguida, aborda a eficácia das tecnologias atuais.

Termos de Indexação — Resfriamento de eletrônicos, Resfriamento por impacto de jato, Resfriamento de líquido, Resfriamento microfluídico, Microprocessadores.

A lei de Moore afirma que o número de transistores por unidade de área em um circuito integrado (CI) dobra aproximadamente a cada 18 meses. No entanto, devido à natureza exponencial do crescimento, é pouco provável que continue para sempre. Na verdade, à medida que os transistores se tornam cada vez menores, surgem problemas à medida que nos aproximamos dos limites atômicos. Para acompanhar as crescentes demandas de aumento da densidade computacional, o calor é uma preocupação cada vez maior.

A maioria dos componentes do computador possui algum tipo de resfriamento. O calor é produzido como resultado de alguma ineficiência em um IC. A resistência elétrica é um grande contribuinte para a produção de calor. Embora os componentes do computador tenham registado grandes avanços no aumento do desempenho e da eficiência, o arrefecimento ainda é necessário.

Durante a operação de um computador, o calor pode causar o surgimento de problemas. Por exemplo, se um processador estiver sob uma carga de trabalho elevada e o sistema de resfriamento não conseguir dissipar o calor com rapidez suficiente, o processador poderá sofrer “underclock” diminuindo a frequência na tentativa de diminuir a temperatura do conjunto do processador para uma temperatura operacional segura. No entanto, se a temperatura continuar a subir, os processadores modernos desligarão completamente o sistema, na tentativa de salvar o hardware de temperaturas operacionais perigosas.

Para entender como a maior parte do calor é gerada pelos circuitos integrados, olhamos para os transistores. A energia estática consumida, P_S, devido ao vazamento de corrente e alimentação, devido ao vazamento de corrente e tensão de alimentação é dado pela equação:

onde V_CCé a tensão de alimentação e I_CC é a corrente que entra no dispositivo. A potência consumida ao mudar de um estado lógico para outro é a potência transitória (dinâmica), P_T, e é dado pela equação:

onde C_pdé a capacitância dinâmica de dissipação de potência, V_CCé a tensão de alimentação, f_Ié a frequência do sinal de entrada e N_SW é o número de bits comutados. A energia consumida devido ao carregamento da capacitância de carga externa, P_L, é dado pela equação:

onde Né o número de bits, C_L_né a capacidade de carga do bit n, f_O_né a frequência de saída do bit ne V_CC é a tensão de alimentação. Finalmente, o consumo total de energia, P_Total, é uma combinação aditiva de (1), (2) e (3):

onde P_Sé a potência estática consumida, P_Té a potência transitória consumida e P_Lé a capacitância de carga externa, todas fornecidas acima [1].

Embora uma parte do consumo total de energia seja usada para trabalhos elétricos, o restante do consumo total de energia é convertido em calor. O calor máximo projetado produzido por um chip, sob qualquer carga de trabalho, é frequentemente fornecido pelos fabricantes de chips como potência térmica de projeto (TDP). Os projetistas de hardware precisam conhecer o TDP dos chips com os quais trabalharão, pois precisam saber quanto calor seus sistemas de resfriamento precisam dissipar.