CPU Hız Aşırtma: Hava, Soğuk Plakalar ve İki Fazlı Daldırma Soğutmanın Performans Değerlendirmesi

Özet

Bilgi işlem kapasitesi yarı iletken üretimi ve paketlemedeki sürekli gelişmelerle hep yükselişte; bu büyüme genellikle elektronik bileşenin (CPU veya GPU) ısı akı yoğunluğundaki dik bir artışla birlikte geliyor. En gelişmiş hava soğutma teknolojileri belirli bir ısı akısı düzeyinden sonra kısıyor ve daha büyük ısı alıcılar ile muazzam hava akışı gerektirir. Çalışma en yüksek kararlı frekansı, bağlantı sıcaklığını ve bağlantıdan ortama ısıl direnci çeşitli soğutucu sıcaklıklarında, kaynatıcı plaka yüzeylerinde ve TIM'lerde ölçtü.

Hava soğutmaya göre soğuk plakalar CPU saat hızını %41'e, 2P daldırma %51'e kadar yüksek verdi. 2P sıvı, atmosfer basıncında doyma sıcaklığı 34 °C ve yoğunluğu 1400 kg/m³ olan 3M HFE-7000'di (34 °C'de havanın 1,14, suyun 994 kg/m³'üne karşı). CPU ısısının yaklaşık %90'ı kalıp alanının %50'sinden geldi, bu yüzden tepe yükte çekirdek ısı akısı 220 W/cm²'yi aşabilir. 34 °C girişli havada en yüksek kararlı frekanslar Prime95, XTU ve Cinebench için sırasıyla 3,3, 4 ve 3,6 GHz iken, soğuk plakalar ve 2P daldırma sürekli 5 GHz üzerinde kararlı frekanslar tuttu.

En yüksek iş yükünde 2P daldırma ısı transfer katsayısı (HFE-7000, indiyum TIM2) havadan yaklaşık %110, soğuk plakalardan %50 yüksekti ve 0,25 °C/W ile en düşük bağlantıdan ortama direnci verdi. İyi optimize edilmiş sistemlerde soğuk plakaların ve 2P daldırmanın tipik ısıl dirençleri karşılaştırılabilir; soğuk plakalar hibrit soğutmalı yüksek güçlü çipler için hızlı bir etkinleştirici, 2P daldırma 3B paketlemeyi mümkün kılabilir. İki sıvı seçeneği de havadan çok daha yüksek saat hızı sürdürdü ve iki fazlı daldırma en düşük bağlantı sıcaklıklarını verdi.

Yazarlar soğutma iyi olduğunda sonraki sınırın paketleme ve arayüz direnci olduğunu ve yaklaşan kısıtın TDP değil çekirdeklerdeki yerel ısı akısı olduğunu vurguluyor; erken çip tasarım ve mimari aşamalarında sıvı soğutma benimsenmesini öneriyorlar. Sınırlar: tek bir tüketici sınıfı CPU (i9-9900K) ve HPC tarzı iş yükleri; sonuçlar sunucu sınıfı yongalara doğrudan aktarılamaz, yazarlar genel bir hız aşırtma metodolojisi sağlıyor.

Öne çıkan noktalar

1. Hava soğutmaya göre soğuk plakalar CPU saat hızını %41'e, 2P daldırma %51'e kadar yüksek verdi.
2. 2P sıvı, atmosfer basıncında doyma sıcaklığı 34 °C ve yoğunluğu 1400 kg/m³ olan 3M HFE-7000'di (34 °C'de hava 1,14, su 994 kg/m³).
3. CPU ısısının yaklaşık %90'ı kalıp alanının %50'sinden geldi; tepe yükte çekirdek ısı akısı 220 W/cm²'yi aşabilir.
4. 34 °C girişli havada en yüksek kararlı frekanslar Prime95, XTU ve Cinebench için 3,3, 4 ve 3,6 GHz; soğuk plakalar ve 2P daldırma sürekli 5 GHz üzerinde kararlı frekanslar tuttu.
5. En yüksek iş yükünde 2P daldırma ısı transfer katsayısı (HFE-7000, indiyum TIM2) havadan yaklaşık %110, soğuk plakalardan %50 yüksekti; en düşük bağlantıdan ortama direnç 0,25 °C/W.
6. İyi optimize edilmiş sistemlerde soğuk plakaların ve 2P daldırmanın tipik ısıl dirençleri karşılaştırılabilir; soğuk plakalar hibrit soğutmalı yüksek güçlü çipler için hızlı etkinleştirici, 2P daldırma 3B paketlemeyi mümkün kılabilir.

Tasarımda kullanımı

• Yüksek ısı akılı çiplerde hava soğutmanın kısmaya yol açtığı noktayı (burada 3,3-4 GHz) ve soğuk plaka veya 2P daldırmayla elde edilen saat hızı kazancını (%41-51) soğutma teknolojisi seçiminde karşılaştırın.
• Bağlantı sıcaklığı hedefinde TDP yerine çekirdek yerel ısı akısını (220 W/cm² üzeri) ve paketleme ile arayüz (TIM) direncini girdi yapın.
• Soğuk plakaları hibrit soğutmalı yüksek güçlü çipler için hızlı seçenek, 2P daldırmayı 3B paketleme gelecekteki seçeneği olarak değerlendirin.

Kimler okumalı

Yüksek güçlü CPU ve GPU'lar için hava, soğuk plaka ve iki fazlı daldırma soğutma arasında seçim yapan ısıl mühendisleri.

Belgenin bölümleri

1. I. Giriş
2. II. Hız aşırtma (A. Hız aşırtmanın avantajları, B. Hız aşırtmanın çıkarımları)
3. III. Metodoloji (A. Karşılaştırma metodolojisi, B. Bilgi işlem iş yükleri)
4. IV. Soğutma yöntemleri (A. Hava soğutma, B. Soğuk plakalar, iki fazlı daldırma)
5. V. Sonuçlar (A. CPU frekansı ve gerilim, B. Bağlantı sıcaklığı ve CPU gücü, C. Isıl direnç, D. Isıl direnç dökümü)
6. VI. Sonuç

Belgeyi okuyun

Yayın bilgileri

Yazarlar

Bharath Ramakrishnan; Husam Alissa; Ioannis Manousakis; Robert Lankston; Ricardo Bianchini; Washington Kim; Rich Baca; Pulkit A. Misra; Inigo Goiri; Majid Jalili; Ashish Raniwala; Brijesh Warrier; Mark Monroe; Christian Belady; Mark Shaw; Marcus Fontoura

Yayıncı

IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology (Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE))

Yıl

2021

Cilt

11

Sayı

10

Sayfalar

1703-1715

Belge dili

İngilizce

Kaynak türü

Bilimsel yayın

Erişim

Açık lisans — indirilebilir

DOI

10.1109/tcpmt.2021.3106026

Lisans

CC BY 4.0 — atıf vererek paylaşabilirsiniz

Lisans kanıtı

doi.org

Künye