¿Por qué no se enfrían las CPU tanto desde abajo como desde arriba?

Los bits transistorios de un circuito integrado están aproximadamente en el centro del paquete (plástico o cerámica). A veces se calientan y los enfriamos colocando un disipador de calor a un lado. A veces simplemente soplamos aire sobre ellos con un ventilador. Parte de este calor se propaga hacia arriba, pero algunos también deben ir hacia abajo hacia la PCB. No se la proporción. La siguiente es la parte inferior de una CPU Intel Core i7-7700K que disipa 91W de calor:

Hay muchas almohadillas de conexión. Claramente, actúan como muchos micro disipadores de calor que transfieren una proporción significativa del calor al zócalo / PCB. De hecho, muchos componentes montados en la superficie disipan el calor a través de (a través de capas de cobre cosidas).

Entonces, si el enfriamiento es importante (en cuanto a la comunidad de overclocking de CPU), ¿por qué las CPU tampoco se enfrían por debajo de la PCB, por ejemplo con un ventilador?

EDITAR:

Si bien los comentarios a continuación son en general negativos, hay dos elementos nuevos. Uno, hay un hilo largo en Overclock que sugiere que se puede quitar un número significativo de grados de la temperatura de la CPU con un ventilador en la placa posterior. Y dos, lo probé (es cierto que solo con una Raspberry Pi). Cubrí la parte superior con un paño para aislar la CPU Broadcom, mientras enfriaba la parte inferior solo con un ventilador de 60 mm. El ventilador redujo la temperatura máxima de la CPU de 82 grados. a 49. No está mal, así que creo que esta idea tiene piernas ...

No se enfrían desde abajo porque tienen pines en la parte inferior y FR4 debajo de eso.

Debido a que tiene una conductividad térmica mucho más baja , el material en la parte inferior de la CPU transportaría mucho menos calor.

Lo más probable es que no desee rodear las señales con metal, lo que cambiaría drásticamente la impedancia, por lo que el metal en la parte inferior es más un problema. Si construyera un zócalo de metal, necesitaría ser micromecanizado, lo que sería muchas veces más costoso que un zócalo moldeado por inyección de plástico. Estas cosas evitarían que construyas un zócalo de procesador que absorba el calor.

Podría colocar un bloque de enfriamiento en la parte inferior de la placa, pero el material de PCB (FR4) reduciría sustancialmente el enfriamiento.

El enfriamiento no es importante , es crucial . Una CPU moderna puede apagar fácilmente algo entre 15 W y 200 W, a partir de una matriz de unos pocos cm². Si no está transportando ese calor, ese chip debe dejar de funcionar, reducir la velocidad o: simplemente quemarse.

Con eso fuera del camino: ¿Dónde pones tu calor desde allí? La superficie de enfriamiento de una placa base es muy limitada en comparación con la superficie del cuerpo de un enfriador de CPU. La capacidad de transporte de calor de las capas de cobre no es mala per se, pero en comparación con un bloque masivo de cobre y aluminio (y, a menudo, tuberías de calor por convección), es insignificante.

Entonces: la placa base en sí misma a menudo no es el mejor lugar, especialmente alrededor de la CPU. Allí, se sitúa toda la cadena de suministro de energía de la CPU. Eso tiene una buena eficiencia, pero con una carga de varias docenas de amperios y escenarios de carga que cambian rápidamente, no es de extrañar que estos convertidores también se calienten.

Estoy seguro de que en las compilaciones militares y de computación de alto rendimiento personalizadas encontrará paquetes de CPU especializados que brindan acceso inferior a partes de la CPU, pero en las CPU convencionales conectadas, eso no es posible mecánicamente ni térmicamente demasiado ventajoso.

Tenga en cuenta que esto no se aplica a todas las CPU. Si ingresa al sector integrado, a menudo encontrará CPU más pequeñas con una almohadilla de disipación de calor en el medio. Simplemente no parece factible para CPU más grandes.

Estoy seguro de que Intel y AMD no pondrían estos pasivos en la parte inferior de sus CPU si pudieran evitarlo. De hecho, mira esa imagen: la placa verde que estás mirando no es el dado, es el portador de PCB al que está conectada la placa; ese es el precio tecnológico que paga por poder producir en serie CPU intercambiables a bajo costo en lugar de solo tener placas base con las CPU de bolas de paquete de escala de chip soldadas directamente en ellas, y no puede tener eso completamente, incluso teóricamente, porque el calor De esa CPU es tanto que un plano de metal que propaga el calor tiene que ajustarse a la presión encima de él, y solo puede hacerlo mecánicamente con la matriz en algún tipo de sustrato.

Una respuesta que aún no se ha dado se debe a la forma en que se construyeron. Las CPU utilizadas en computadoras y computadoras portátiles nunca son (al menos que yo sepa) un flip-chip completo. Simplemente tienen demasiadas conexiones para permitir un flip-chip fácil en un simple proceso de PCB utilizado en placas base. Me refiero a simple aquí en comparación con los procesos necesarios para aplicaciones de onda de RF / milímetro, o un proceso que permite densidades donde realmente se pueden desplegar más de 1000 pines en unos pocos milímetros cuadrados.

Por esta razón, los troqueles de la CPU siempre se voltean en un intercalador. Esto a menudo es de cerámica y está hecho de muchas capas. Aquí hay un ejemplo, de wikipedia. Puede ver 5 troqueles separados en este paquete, además de una gran cantidad de pequeños pasivos alrededor de los bordes (por lo que puedo decir, esto es en realidad una acumulación aún más compleja, con un intercalador de silicio para interconectar los diferentes troqueles, y que luego se coloca encima de un intercalador de cerámica).

¿Por qué todo esto importa? Sugiere que debe poder transferir eficientemente el calor a través de los pines de la CPU. Sin embargo, este no es el caso, debido a este intercalador. Esto no es como un dispositivo de gran potencia donde la gran broca de metal está realmente conectada al silicio, hay muchas cosas en el medio.

Como resultado, la conductividad térmica desde el troquel hasta los pasadores sigue siendo baja, por lo que incluso si encontrara una forma muy ingeniosa de alejar todo el calor de esos pasadores, apenas vería una mejora, ya que todavía estará tratando con un orden de magnitud mayor resistencia térmica en comparación con un disipador de calor de metal que está en contacto directo con la parte superior del silicio.

Si va a CPU que se utilizan en teléfonos o dispositivos integrados, que son una almohadilla de "disipador de calor inferior", las cosas son diferentes. Aquí no utilizan un enfoque de voltear chip. En el centro de la BGA, tendrán un lugar de metal en el que el troquel está unido térmicamente (esto generalmente también es rectificado). Luego usan cables de enlace para conectar todos los pines, aún usando una forma de interposición con el metal en el medio (o el metal central es solo un montón de vías para obtener baja conductividad térmica). Esto significa que hay mucho menos material entre esa almohadilla de enfriamiento central y los pines BGA, lo que permite una transferencia de calor mucho más eficiente.

Parte de este calor se propaga hacia arriba, pero algunos también deben ir hacia abajo hacia la PCB. No se la proporción.

Eso es cierto, el calor se propaga en todas las direcciones. Desafortunadamente, la velocidad de propagación (también conocida como caracterizada como resistencia térmica) es muy diferente.

Una CPU debe estar conectada con periféricos / memoria de alguna manera, por lo que tiene 1000 - 2000 pines para ese propósito. Por lo tanto, se debe proporcionar la ruta eléctrica (fanout), que se realiza a través de la tecnología de placa de circuito impreso. Desafortunadamente, incluso si está impregnado con un montón de cables / capas de cobre, todo el PCB no conduce el calor muy bien. Pero esto es inevitable: necesita conexiones.

Las primeras CPU (i386-i486) se enfriaron principalmente a través de la ruta de PCB, a principios del 90 las CPU de la PC no tenían disipador de calor en la parte superior. Muchos chips con montaje tradicional de unión de cables (chip de silicio en la parte inferior, almohadillas conectadas con cables desde las almohadillas superiores hasta el marco del cable) pueden tener una bala térmica en la parte inferior, porque este es el camino de menor resistencia térmica.

Luego, se inventó la tecnología de empaque de chip flip, por lo que el troquel está en la parte superior del paquete, al revés, y toda la conexión eléctrica se realiza a través de protuberancias conductoras de electricidad en la parte inferior. Entonces, el camino de menor resistencia ahora está pasando por la parte superior de los procesadores. Ahí es donde se utilizan todos los trucos adicionales, para extender el calor desde un troquel relativamente pequeño (1 sq.sm) hasta un disipador de calor más grande, etc.

Afortunadamente, los equipos de diseño de CPU incluyen departamentos de ingeniería de gran tamaño que realizan el modelado térmico de la matriz de CPU y el empaque completo. Los datos iniciales provienen del diseño digital, y luego los costosos solucionadores en 3-D dan una imagen general de la distribución de calor y los flujos. El modelado obviamente incluye modelos térmicos de zócalos / pines de CPU y placas base. Sugeriría confiarles las soluciones que brindan, conocen su negocio. Aparentemente, un poco de enfriamiento adicional desde la parte inferior de la PCB simplemente no merece un esfuerzo extra.

ADICIÓN: Aquí hay un modelo global de un chip FBGA, que puede dar una idea, por ejemplo, del modelo térmico LGA2011 Intel.

Si bien la PCB multicapa con vías térmicas y un contenido de cobre del 25% podría tener un rendimiento térmico algo bueno, el sistema LGA2011 moderno / práctico tiene un elemento importante, un zócalo. El zócalo tiene contactos de resorte tipo aguja debajo de cada almohadilla. Es bastante obvio que la mayor parte del contacto de metal a través del zócalo es bastante menor que la bala de cobre en la parte superior de la CPU. Yo diría que no es más de 1/100 del área de babosas, probablemente mucho menos. Por lo tanto, debe ser obvio que la resistencia térmica del zócalo LGA2011 es al menos 100X de la dirección superior, o no puede bajar más del 1% del calor. Supongo que por esta razón las guías térmicas de Intel ignoran totalmente la ruta térmica inferior, no se menciona.

En aviónica, el enfriamiento se evalúa para todas las rutas posibles, incluso a través de la PCB.

Un microprocesador convencional en una computadora portátil / computadora de escritorio generalmente usa una mezcla de enfriamiento por conducción (disipador de calor) y convección (por lo general, aire forzado). A medida que la mezcla de estos dos aleja la mayor parte del calor, el mecanismo de enfriamiento a través de la PCB a veces se ignora, pero todavía está presente.

Si el equipo se encuentra en una bahía de aviónica no presurizada, el enfriamiento por convección pierde su significado (la densidad del aire es muy baja, lo que significa que no hay moléculas suficientes a gran altitud para difundir el calor). Por esa razón, el enfriamiento por conducción se usa ampliamente, ya que es el único método de enfriamiento verdaderamente efectivo en este escenario.

Para que esto sea efectivo, se utilizan numerosos planos dentro de la PCB como difusores de calor.

Cuando se utilizan disipadores de calor (no es una solución preferida, pero a veces es inevitable), el camino todavía se enfría por conducción a través de escaleras de calor a una pared fría (este es un término relativo: la pared fría puede estar a 70 ° C o más).

A veces se usa aire forzado, pero dentro de una cámara presurizada unida a la placa fría.

Entonces, en este escenario, se utiliza el enfriamiento a través de todos los caminos; Conducción desde ambos lados, el FR-4 puede no ser particularmente conductor térmicamente, pero los planos de cobre sí lo son.

Entré en una discusión térmica algo detallada en una respuesta a esta pregunta .

La respuesta real es la ingeniería básica. Es mucho más fácil optimizar un sistema si puede separarlo en subsistemas que se pueden optimizar de forma independiente.

Al optimizar un lado para la conectividad y el otro lado para la eliminación del calor. Usted ha simplificado el problema, al tiempo que impone, como máximo, una penalización de 2: 1 a cualquiera de los problemas. Claramente, si tuvo mucho más calor que las conexiones, o más conexiones que calor, esta opción debe revisarse, pero claramente ese no es el caso.

Esto no significa que no sea posible eliminar el calor de la parte inferior o colocar conexiones en la parte superior, pero ¿a qué costo? ¿Qué otros compromisos deben hacerse entonces?

Los módulos de CPU enfriados por líquido, aunque están regresando, eran bastante comunes hace 30 años. Cuando los mainframes tenían "sobres" de CPU que estaban completamente sumergidos en líquido y, por lo tanto, eliminaban el calor de todos los lados de los circuitos integrados. Esto presenta claramente una desventaja en el diseño de las conexiones, depuración, retrabajo y los tipos de líquido que se pueden usar. Esas son muchas restricciones adicionales para cualquiera de los subsistemas. El hecho de que se haya hecho tal elección indica que la eliminación del calor era la restricción principal.

Las supercomputadoras modernas refrigeradas por líquido tienen microconductos de agua altamente optimizados en la parte superior de la oblea. Mientras que todas las conexiones están en la parte inferior. Cada subsistema es independiente del otro, optimizando en gran medida todo el diseño.

En aplicaciones donde el lado opuesto a las conexiones está ocupado, por ejemplo, LED, láser, enlaces ópticos, puertos RF, etc., la parte inferior es la ruta principal de eliminación de calor. Y generalmente se utilizan sustratos especializados, con alta conductividad térmica.