Warum werden CPUs nicht sowohl von unten als auch von oben gekühlt?

Die Transistor-Bits einer integrierten Schaltung befinden sich ungefähr in der Mitte des (Kunststoff- oder Keramik-) Gehäuses. Sie werden manchmal heiß, und wir kühlen sie, indem wir einen Kühlkörper an einer Seite anbringen. Manchmal blasen wir einfach mit einem Ventilator Luft über sie. Ein Teil dieser Wärme breitet sich nach oben aus, ein Teil muss jedoch auch nach unten in Richtung der Leiterplatte geleitet werden. Ich kenne das Verhältnis nicht. Das Folgende ist die Unterseite einer Intel Core i7-7700K-CPU, die 91 W Wärme abgibt:

Es gibt viele Anschlussflächen. Offensichtlich wirken sie als viele Mikrokühlkörper, die einen erheblichen Teil der Wärme auf den Sockel / die Leiterplatte übertragen. Tatsächlich leiten viele oberflächenmontierte Komponenten Wärme über (vernähte) Kupferschichten ab.

Also, wenn Kühlung wichtig ist (wie für die CPU-Übertaktungs-Community), warum werden CPUs nicht auch unter der Platine gekühlt, beispielsweise mit einem Lüfter?

BEARBEITEN:

Während die folgenden Kommentare insgesamt negativ sind, gibt es zwei neue Punkte. Erstens gibt es einen langen Thread bei Overclock, der darauf hindeutet, dass die CPU-Temperatur mit einem Lüfter auf der Rückwand um eine erhebliche Anzahl von Grad gesenkt werden könnte. Und zweitens habe ich es versucht (zugegebenermaßen nur mit einem Raspberry Pi). Ich habe die Oberseite mit einem Tuch abgedeckt, um die Broadcom-CPU zu isolieren, während die Unterseite nur mit einem 60-mm-Lüfter gekühlt wurde. Der Lüfter reduzierte die maximale CPU-Temperatur von 82 Grad. zu 49. Nicht schlecht, deshalb denke ich, dass diese Idee Beine hat ...

Sie werden nicht von unten gekühlt, weil sie Stifte auf der Unterseite und FR4 darunter haben.

Aufgrund einer viel niedrigeren aufweist Wärmeleitfähigkeit ,

Es besteht die Möglichkeit, dass Sie die Signale nicht mit Metall umgeben möchten, wodurch sich die Impedanz drastisch ändert. Daher ist Metall auf der Unterseite eher ein Problem. Wenn Sie einen Sockel aus Metall bauen würden, müsste dieser mikrobearbeitet werden, was um ein Vielfaches teurer wäre als ein Kunststoffspritzguss-Sockel. Diese Dinge würden Sie daran hindern, einen Prozessorsockel zu bauen, der die Wärme abführt.

Sie könnten einen Kühlblock auf die Unterseite der Platine legen, aber das PCB-Material (FR4) würde die Kühlung erheblich reduzieren.

Kühlung ist nicht wichtig , sondern entscheidend . Eine moderne CPU kann problemlos zwischen 15 W und 200 W aus einem wenige cm² großen Chip herausholen. Wenn Sie diese Wärme nicht abtransportieren, muss der Chip aufhören zu arbeiten, langsamer werden oder einfach nur abbrennen.

So weit wie möglich: Woher nimmst du deine Wärme? Die Kühlfläche eines Motherboards ist im Vergleich zur Oberfläche eines CPU-Kühlers sehr begrenzt. Das Wärmetransportvermögen der Kupferschichten ist an sich nicht schlecht, aber im Vergleich zu einem massiven Kupfer- und Aluminiumblock (und häufig zu Konvektionsrohren) vernachlässigbar.

Dann: Das Motherboard selbst ist oft nicht der coolste Ort, besonders um die CPU herum. Dort befindet sich die gesamte Energieversorgungskette der CPU. Das hat einen guten Wirkungsgrad, aber bei einer Last von mehreren Dutzend Ampere und schnell wechselnden Lastszenarien ist es kein Wunder, dass diese Wandler auch heiß werden.

Ich bin mir sicher, dass es in benutzerdefinierten Hochleistungsrechnern und militärischen Builds spezielle CPU-Pakete gibt, die den Zugriff auf Teile der CPU von unten ermöglichen. Bei Mainstream-CPUs mit Sockel ist dies jedoch weder mechanisch noch thermisch übermäßig vorteilhaft.

Beachten Sie, dass dies nicht für gilt alle CPUs gilt. Wenn Sie in den Embedded-Bereich einsteigen, finden Sie häufig kleinere CPUs mit einem Kühlkörper in der Mitte. Bei größeren CPUs scheint dies einfach nicht machbar zu sein.

Ich bin mir sicher, dass Intel und AMD diese Passive nicht auf die Unterseite ihrer CPUs setzen würden, wenn sie dies vermeiden könnten. Schauen Sie sich das Bild an: Die grüne Platine, die Sie betrachten, ist nicht der Chip, sondern der Leiterplattenträger, mit dem die Platine verbunden ist. Das ist der technologische Preis, den Sie bezahlen, wenn Sie in der Lage sind, austauschbare CPUs kostengünstig in Serie zu produzieren, anstatt nur Motherboards mit dem direkt darauf gelöteten CPU-Chip-Scale-Package-Ball zu haben - und das kann man auch theoretisch nicht vollständig, weil die Hitze von dieser CPU ist nur so viel, dass eine wärmeverteilende Metallebene auf diese aufgepresst werden muss, und Sie können dies effektiv nur mechanisch tun, indem Sie den Chip auf einer Art Substrat haben.

Eine Antwort, die noch nicht gegeben wurde, liegt an der Art und Weise, wie sie aufgebaut sind. CPUs, die in Computern und Laptops verwendet werden, sind (zumindest meines Wissens) niemals ein vollständiger Flip-Chip. Sie haben einfach zu viele Anschlüsse, um einen einfachen Flip-Chip auf einem einfachen PCB-Prozess zu ermöglichen, der auf Motherboards verwendet wird. Ich meine hier einfach im Vergleich zu den Prozessen, die für HF- / Millimeterwellen-Anwendungen benötigt werden, oder einem Prozess, der Dichten ermöglicht, bei denen Sie 1000+ Pins auf einigen Quadratmillimetern wirklich auffächern können.

Aus diesem Grund werden CPU-Chips immer auf einen Interposer gekippt. Dies ist oft Keramik und besteht aus vielen Schichten. Hier ist ein Beispiel aus Wikipedia. Sie können 5 separate Dies auf diesem Paket sehen, zusätzlich zu einer großen Menge kleiner Passivierungselemente an den Rändern (nach dem, was ich sagen kann, handelt es sich tatsächlich um einen noch komplexeren Stapel mit einem Silizium-Interposer zum Verbinden der verschiedenen Dies und das wird dann auf einen keramischen Interposer gelegt).

Warum ist das alles wichtig? Sie schlagen vor, dass Sie in der Lage sein müssen, die Wärme effizient über die Stifte auf der CPU zu übertragen. Dies ist jedoch aufgrund dieses Interposers nicht der Fall. Dies ist nicht wie bei einem großen Stromversorgungsgerät, bei dem das große Metallstück tatsächlich mit dem Silizium verbunden ist. Dazwischen liegt eine Menge Zeug.

Infolgedessen ist die Wärmeleitfähigkeit von der Matrize zu den Stiften immer noch gering. Selbst wenn Sie einen sehr raffinierten Weg finden würden, um die gesamte Wärme von diesen Stiften abzuleiten, würden Sie kaum eine Verbesserung feststellen, da Sie immer noch damit zu tun haben mit um eine Größenordnung größerem Wärmewiderstand im Vergleich zu einem Metall-Wärmeverteiler, der in direktem Kontakt mit der Oberseite des Siliziums steht.

Bei CPUs, die in Telefonen oder eingebetteten Geräten verwendet werden und ein "unteres Kühlkörper" -Pad sind, sieht das anders aus. Hier wird kein Flip-Chip-Ansatz verwendet. In der Mitte der BGA haben sie eine Metallstelle, an der der Chip thermisch befestigt ist (dies ist normalerweise auch geschliffen). Anschließend verbinden sie alle Stifte mit Bonddrähten. Dabei wird immer noch eine Art Interposer mit dem Metall in der Mitte verwendet (oder das mittlere Metall besteht nur aus einer Reihe von Durchkontaktierungen, um eine niedrige Wärmeleitfähigkeit zu erzielen). Dies bedeutet, dass sich viel weniger Material zwischen dem mittleren Kühlkissen und den BGA-Stiften befindet, was eine weitaus effizientere Wärmeübertragung ermöglicht.

Ein Teil dieser Wärme breitet sich nach oben aus, ein Teil muss jedoch auch nach unten in Richtung der Leiterplatte geleitet werden. Ich kenne das Verhältnis nicht.

Das stimmt, Wärme breitet sich in alle Richtungen aus. Leider ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit (auch bekannt als Wärmewiderstand) sehr unterschiedlich.

Eine CPU muss irgendwie mit Peripheriegeräten / Speicher verbunden sein, also hat sie 1000 - 2000 Pins für diesen Zweck. Daher muss der elektrische Pfad (Fanout) bereitgestellt werden, was über die Leiterplattentechnologie erfolgt. Leider leitet die gesamte Leiterplatte, selbst wenn sie mit Kupferdrähten / -schichten imprägniert ist, die Wärme nicht sehr gut. Dies ist jedoch unvermeidlich - Sie benötigen Verbindungen.

Frühe CPUs (i386-i486) wurden größtenteils über den Leiterplattenpfad gekühlt, Anfang der 90er Jahre hatten die PC-CPUs keinen Kühlkörper oben. Viele Chips mit herkömmlicher Wire-Bond-Montage (Siliziumchip auf der Unterseite, Anschlussflächen, die mit Drähten von den oberen Anschlussflächen zum Leiterrahmen verbunden sind) weisen möglicherweise einen Wärmestoß auf der Unterseite auf, da dies der Weg mit dem geringsten Wärmewiderstand ist.

Dann wurde die Flip-Chip-Verpackungstechnologie erfunden, sodass sich der Chip verkehrt herum oben auf dem Gehäuse befindet und die gesamte elektrische Verbindung über elektrisch leitende Kontakthöcker unten erfolgt. Der Weg des geringsten Widerstands führt also jetzt über die Spitze der Prozessoren. Hier werden alle zusätzlichen Tricks angewendet, um die Wärme von einem relativ kleinen Stumpf (1 m²) auf einen größeren Kühlkörper usw. zu verteilen.

Glücklicherweise gehören zu den CPU-Designteams umfangreiche technische Abteilungen, die die thermische Modellierung des CPU-Chips und des gesamten Gehäuses durchführen. Die anfänglichen Daten stammten aus dem digitalen Design, und dann gaben teure 3D-Löser ein Gesamtbild der Wärmeverteilung und der Wärmeströme. Die Modellierung umfasst offensichtlich Wärmemodelle von CPU-Sockeln / -Pins und Hauptplatinen. Ich würde vorschlagen, ihnen Lösungen anzuvertrauen, die sie anbieten, sie kennen sich aus. Offensichtlich ist eine zusätzliche Kühlung von der Unterseite der Leiterplatte keinen zusätzlichen Aufwand wert.

ZUSÄTZLICHES: Hier ist ein Modell eines FBGA-Chips, das beispielsweise eine Vorstellung vom Intel-Wärmemodell LGA2011 vermitteln kann.

Während die mehrschichtige Leiterplatte mit thermischen Durchkontaktierungen und 25% Kupferanteil möglicherweise eine gute thermische Leistung aufweist, hat das moderne / praktische LGA2011-System ein wichtiges Element, einen Sockel. Die Fassung hat unter jedem Polster nadelförmige Federkontakte. Es ist ziemlich offensichtlich, dass die Gesamtmasse des Metallkontakts über dem Sockel ziemlich kleiner ist als die Masse des Kupferbehälters auf der Oberseite der CPU. Ich würde sagen, es ist nicht mehr als 1/100 der Schneckenfläche, wahrscheinlich viel weniger. Daher muss klar sein, dass der Wärmewiderstand der LGA2011-Fassung mindestens das 100-fache der oberen Richtung beträgt oder nicht mehr als 1% der Wärme sinken kann. Ich vermute, aus diesem Grund ignorieren Intel-Wärmeleiter den unteren Wärmeweg völlig, er wird nicht erwähnt.

In der Avionik wird die Kühlung für alle bewertet möglichen Pfade , auch über die Leiterplatte.

Ein Mainstream-Mikroprozessor in einem Laptop / Desktop verwendet im Allgemeinen eine Mischung aus Wärmeleitung (Kühlkörper) und Konvektion (in der Regel Zwangsluft). Da die Mischung dieser beiden die meiste Wärme abführt, wird der Kühlmechanismus über die Leiterplatte manchmal ignoriert, ist aber immer noch vorhanden.

Befindet sich das Gerät in einer drucklosen Avionikbucht, erfolgt eine Konvektionskühlung verliert die eher an Bedeutung (die Luftdichte ist sehr niedrig, was bedeutet, dass sich in großer Höhe nicht genügend Moleküle befinden, um die Wärme zu verbreiten). Deshalb, Leitungskühlung sehr häufig eingesetzt, da sie in diesem Szenario die einzig wirklich wirksame Kühlmethode ist.

Damit dies effektiv ist, werden innerhalb der Leiterplatte zahlreiche Ebenen als Wärmeverteiler eingesetzt.

Wo Kühlkörper sind verwendet (keine bevorzugte Lösung , aber manchmal nicht zu vermeiden), wird der Pfad noch gekühlt Leitung über Wärmeleitern zu einer kalten Wand (dies ist ein relativer Begriff - die kalte Wand bei 70 ° C oder mehr sein kann).

Manchmal wird Zwangsluft verwendet, die sich jedoch in einer Druckkammer befindet, die an der Kühlplatte angebracht ist.

In diesem Szenario wird also die Kühlung über alle Pfade verwendet. Leitung von beiden Seiten, FR-4 kann nicht besonders wärmeleitend sein, aber die Kupferebenen sind.

Ich ging auf eine etwas ausführliche thermische Diskussion ein, um diese Frage zu beantworten .

Die eigentliche Antwort lautet Basic Engineering. Es ist viel einfacher, ein System zu optimieren, wenn Sie es in Subsysteme aufteilen können, die unabhängig optimiert werden können.

Indem Sie eine Seite für die Konnektivität und die andere Seite für die Wärmeabfuhr optimieren. Sie haben das Problem vereinfacht und höchstens eine 2: 1-Strafe für beide Probleme verhängt. Wenn Sie viel mehr Wärme als Verbindungen oder mehr Verbindungen als Wärme hatten, sollte diese Wahl natürlich erneut getroffen werden, aber das ist eindeutig nicht der Fall.

Dies bedeutet nicht, dass es nicht möglich ist, Wärme von der Unterseite abzuführen oder Anschlüsse oben anzubringen, aber zu welchem ​​Preis? Welche weiteren Kompromisse müssen dann gemacht werden?

Flüssigkeitsgekühlte CPU-Module erlebten vor 30 Jahren ein Comeback. Wenn Mainframes CPU- „Umschläge“ hatten, die vollständig in Flüssigkeit getaucht waren und somit Wärme von allen Seiten der beiliegenden ICs abführten. Dies ist ein deutlicher Nachteil für das Design der Anschlüsse, das Debugging, die Nacharbeit und die Arten von Flüssigkeiten, die verwendet werden können. Dies sind viele zusätzliche Einschränkungen für beide Subsysteme. Die Tatsache, dass eine solche Wahl getroffen wurde, zeigt an, dass die Wärmeabfuhr die primäre Einschränkung war.

Moderne flüssigkeitsgekühlte Supercomputer verfügen über hochoptimierte Wassermikrorohre auf dem Wafer. Während sich alle Anschlüsse auf der Unterseite befinden. Jedes Subsystem ist unabhängig vom anderen, wodurch das gesamte Design stark optimiert wird.

Bei Anwendungen, bei denen die den Anschlüssen gegenüberliegende Seite anderweitig belegt ist, z. B. LEDs, Laser, optische Verbindungen, HF-Anschlüsse usw., ist die Unterseite der primäre Wärmeabfuhrpfad. In der Regel werden Spezialsubstrate mit hoher Wärmeleitfähigkeit verwendet.