Почему процессоры охлаждаются не снизу, а сверху?

Они не охлаждаются снизу, потому что снизу у них штифты, а под ними FR4 .

Из-за гораздо меньшей теплопроводности ,

Скорее всего, вы не захотите окружать сигналы металлом, который резко изменит импеданс, поэтому металл на дне — это большая проблема. Если бы вы построили розетку из металла, ее нужно было бы подвергнуть микрообработке, что было бы во много раз дороже, чем пластиковая розетка, изготовленная литьем под давлением. Эти вещи помешают вам построить сокет процессора, который будет отводить тепло.

Вы можете поставить охлаждающий блок на нижнюю часть платы, но материал печатной платы (FR4) существенно уменьшит охлаждение.

Охлаждение не важно , оно важно . Современный ЦП может легко выдать от 15 Вт до 200 Вт на кристалле площадью несколько см². Если вы не отводите это тепло, этот чип должен перестать работать, замедлиться или просто сгореть.

С этим по пути: куда вы берете свое тепло оттуда? Поверхность охлаждения материнской платы очень ограничена по сравнению с поверхностью корпуса процессорного кулера. Теплопроводность медных слоев сама по себе неплохая, но по сравнению с массивным блоком из меди и алюминия (и часто с конвекционными тепловыми трубками) она незначительна.

Затем: сама материнская плата часто не самое крутое место, особенно вокруг процессора. Там находится вся цепочка питания процессора. Это имеет хороший КПД, но при нагрузке в несколько десятков ампер и быстро меняющихся сценариях нагрузки неудивительно, что эти преобразователи тоже нагреваются.

Я уверен, что в пользовательских высокопроизводительных вычислениях и военных сборках вы найдете специализированные пакеты ЦП, которые дают доступ к нижней части ЦП, но в обычных ЦП с сокетами это просто невозможно ни механически, ни термически слишком выгодно.

Обратите внимание, что это относится не ко всем процессорам. Если вы пойдете в сектор встраиваемых систем, вы часто найдете процессоры меньшего размера с теплоотводящей прокладкой посередине. Это просто не представляется возможным для больших процессоров.

Я уверен, что Intel и AMD не стали бы размещать эти пассивы в нижней части своих процессоров, если бы могли этого избежать. На самом деле, посмотрите на эту картинку: зеленая плата, на которую вы смотрите, — это не кристалл, это держатель печатной платы, к которому подключена плата; это технологическая цена, которую вы платите за возможность дешевого массового производства взаимозаменяемых процессоров, а не просто за наличие материнских плат с прямо припаянными к ним шариками процессоров в масштабе чипа — и вы не можете полностью получить это, даже теоретически, потому что тепло от этого процессора так много , что теплораспределяющая металлическая плоскость должна быть напрессована на него, и вы можете эффективно сделать это только механически, поместив кристалл на какую-то подложку.

Ответ, который еще не был дан, связан с тем, как они построены. Процессоры, используемые в компьютерах и ноутбуках (по крайней мере, насколько мне известно), никогда не бывают полноценными флип-чипами. У них просто слишком много соединений, чтобы можно было легко перевернуть чип на простой процесс печатной платы, используемый на материнских платах. Я имею в виду простой здесь по сравнению с процессами, необходимыми для приложений RF / миллиметровых волн, или процесс, который обеспечивает плотность, при которой вы действительно можете разветвить 1000+ контактов на нескольких квадратных миллиметрах.

По этой причине кристаллы ЦП всегда переворачиваются на промежуточный элемент. Часто это керамика, состоящая из множества слоев. Вот пример из википедии. Вы можете увидеть 5 отдельных кристаллов на этом корпусе, в дополнение к большому количеству небольших пассивов по краям (из того, что я могу сказать, на самом деле это еще более сложный стек, с кремниевым переходником для соединения разных кристаллов и который затем помещается поверх керамического промежуточного слоя).

Почему все это имеет значение? Вы предполагаете, что у вас должна быть возможность эффективно передавать тепло через контакты на ЦП. Однако это не так из-за этого интерпозера. Это не похоже на мощное устройство, где большая металлическая часть на самом деле соединена с кремнием — между ними много всего.

В результате теплопроводность от кристалла к штифтам по-прежнему низкая, поэтому, даже если бы вы нашли какой-то очень изящный способ отвести все тепло от этих штифтов, вы вряд ли заметите какое-либо улучшение, поскольку вы все равно будете иметь дело с с на порядок большим термическим сопротивлением по сравнению с металлическим теплоотводом, находящимся в непосредственном контакте с верхней частью кремния.

Если вы перейдете к процессорам, используемым в телефонах или встроенных устройствах, которые имеют «нижний радиатор», все будет по-другому. Здесь они не используют метод флип-чипа. В центре BGA у них будет металлическое место, на которое термически крепится матрица (она обычно тоже шлифуется). Затем они используют соединительные провода для соединения всех контактов, по-прежнему используя форму промежуточного элемента с металлом посередине (или центральный металл представляет собой просто набор сквозных переходных отверстий, чтобы получить низкую теплопроводность). Это означает, что между этой центральной охлаждающей подставкой и контактами BGA находится гораздо меньше материала, что обеспечивает гораздо более эффективную передачу тепла.

Часть этого тепла распространяется вверх, но часть также должна идти вниз к печатной плате. Я не знаю соотношение.

Это правда, тепло распространяется во всех направлениях. К сожалению, скорость распространения (известная также как тепловое сопротивление) сильно отличается.

Процессор должен быть каким-то образом связан с периферийными устройствами/памятью, поэтому для этой цели у него есть 1000–2000 контактов. Таким образом, должен быть обеспечен электрический путь (разветвление), который выполняется с помощью технологии печатной платы. К сожалению, даже если пропитать кучу медных проводов/слоев, вся печатная плата не очень хорошо проводит тепло. Но это неизбежно - нужны связи.

Ранние процессоры (i386-i486) охлаждались в основном через печатную плату, в начале 90-х процессоры для ПК не имели радиатора сверху. Многие микросхемы с традиционным креплением проволочным соединением (кремниевая микросхема внизу, контактные площадки, соединенные проводами от верхних контактных площадок к выводной рамке) могут иметь тепловую пластину на нижней части, поскольку это путь наименьшего теплового сопротивления.

Затем была изобретена технология упаковки флип-чипов, так что кристалл находится в верхней части упаковки, в перевернутом виде, а все электрические соединения выполняются через токопроводящие выступы на дне. Так что путь наименьшего сопротивления сейчас идет через топ процессоров. Вот тут-то и используются все лишние ухищрения, чтобы распределить тепло от сравнительно небольшого кристалла (1 кв.см) к более крупному радиатору и т.д.

К счастью, в состав групп разработчиков ЦП входят значительные инженерные отделы, которые проводят тепловое моделирование кристалла ЦП и всего корпуса. Исходные данные были получены при цифровом проектировании, а затем дорогие 3D-решатели дают общую картину распределения тепла и потоков. Моделирование, очевидно, включает в себя тепловые модели сокетов/контактов процессора и материнских плат. Я бы посоветовал им доверять решения, которые они предоставляют, они знают свое дело. Очевидно, дополнительное охлаждение снизу печатной платы не стоит дополнительных усилий.

ДОПОЛНЕНИЕ: Вот укрупненная модель микросхемы FBGA, которая может дать представление, скажем, о тепловой модели LGA2011 Intel.

В то время как многослойная печатная плата с переходными тепловыми отверстиями и 25% содержанием меди может иметь несколько хорошие тепловые характеристики, современная/практичная система LGA2011 имеет один важный элемент — сокет. Розетка имеет игольчатые пружинные контакты под каждой контактной площадкой. Совершенно очевидно, что общий объем металлических контактов на сокете намного меньше, чем объемный медный выступ на верхней части процессора. Я бы сказал, что это не более 1/100 площади пули, скорее всего, намного меньше. Следовательно, должно быть очевидно, что тепловое сопротивление сокета LGA2011 не менее чем в 100 раз выше, иначе не более 1% тепла может уйти вниз. Я думаю, по этой причине термогиды Intel полностью игнорируют нижний тепловой путь, он не упоминается.

В авионике оценивается охлаждение по всем возможным путям, в том числе и через печатную плату.

Основной микропроцессор в ноутбуке / настольном компьютере обычно использует смесь кондуктивного (радиатор) и конвекционного (обычно с принудительной подачей воздуха) охлаждения. Поскольку смесь этих двух элементов отводит большую часть тепла, механизм охлаждения через печатную плату иногда игнорируется, но он все же присутствует.

Если оборудование находится в негерметичном отсеке авионики, конвекционное охлаждение теряет смысл (плотность воздуха очень низкая, а это означает, что на большой высоте недостаточно молекул для распространения тепла). По этой причине очень широко используется кондуктивное охлаждение , поскольку это единственный действительно эффективный метод охлаждения в этом сценарии.

Чтобы это было эффективно, в печатной плате используются многочисленные плоскости в качестве распределителей тепла.

Там, где используются радиаторы (нежелательное решение, но иногда неизбежное), путь по-прежнему охлаждается путем кондуктивного охлаждения через тепловые лестницы к холодной стене (это относительный термин - холодная стена может иметь температуру 70 ° C или более).

Иногда используется принудительная подача воздуха, но в камере под давлением, прикрепленной к охлаждающей плите.

Таким образом, в этом сценарии используется охлаждение по всем путям; проводимость с обеих сторон, ФР-4 может и не особо теплопроводная, а вот медные плоскости - есть.

В ответ на этот вопрос я углубился в довольно подробное тепловое обсуждение .

Фактический ответ - базовая инженерия. Оптимизировать систему намного проще, если вы можете разделить ее на подсистемы, которые можно оптимизировать независимо друг от друга.

Путем оптимизации одной стороны для подключения, а другой стороны для отвода тепла. Вы упростили задачу, наложив максимум 2:1 на любую задачу. Очевидно, что если у вас было гораздо больше тепла, чем связей, или больше связей, чем тепла, этот выбор следует пересмотреть, но это явно не так.

Это не означает, что невозможно отвести тепло снизу или разместить соединения сверху, но какой ценой? Какие еще компромиссы должны быть тогда сделаны?

Модули ЦП с жидкостным охлаждением, хотя они и возвращаются, были довольно распространены 30 лет назад. Когда у мэйнфреймов были «оболочки» ЦП, которые были полностью погружены в жидкость и, таким образом, отводили тепло со всех сторон закрытых ИС. Это явно представляет собой недостаток конструкции соединений, отладки, доработки и типов жидкости, которые можно использовать. Это множество дополнительных ограничений для любой подсистемы. Тот факт, что был сделан такой выбор, указывает на то, что основным ограничением был отвод тепла.

Современные суперкомпьютеры с жидкостным охлаждением имеют оптимизированные водяные микроканалы поверх пластины. Пока все соединения находятся на нижней стороне. Каждая подсистема независима от другой, что значительно оптимизирует всю конструкцию.

В приложениях, где сторона, противоположная соединениям, занята другим образом, например, светодиоды, лазеры, оптические линии связи, РЧ-порты и т. д., нижняя сторона является основным путем отвода тепла. И, как правило, используются специализированные подложки, обладающие высокой теплопроводностью.

Хотя эта тема была активна несколько лет назад, я пишу, чтобы помочь тем, кто будет искать потом. Комментарии, приводящие причины не охлаждать нижнюю часть источника тепла, не лишены смысла. Печатная плата является приличным изолятором, замедляющим теплопередачу, но сама по себе все равно будет ГОРЯЧЕЙ, только МЕДЛЕННЕЕ, чем голый металл, который проводит тепло БЫСТРЕЕ. ЦП по-прежнему является источником тепла, поэтому тепло, пусть и медленно, будет просачиваться на другую сторону платы. Вдобавок, как уже говорили некоторые, схема часто доходит до нижней стороны, что облегчает передачу тепла через печатную плату. Более того, разработчик платы знает, что управление источниками тепла заключается в прокалывании печатной платы или специальном проектировании областей, где есть каналы из слоев изоляционного материала арендной платы, зажатых слоями. Даже если вы ни во что из этого не верите или, возможно, ваша доска — особый случай,