Термоэлектрическое охлаждение мощных микропроцессоров

В связи с постоянным увеличением степени интеграции схем, связанным с ростом

мощности кристалла, тепловое управление современными процессорами становится жизненно важным вопросом. Существуют два подхода к контролю температуры процессора:

— пассивное охлаждение – применение теплоотвода (только теплообменника или в сочетании с вентилятором);

— активное охлаждение – применение теплоотвода (как описано выше) с ТЭО.

Для измерения можно использовать гаджет температуры процессора, который также показывает загрузку процессора. Применение термоэлектричества потенциально выглядит лучшим решением. Однако практическая реализация этой концепции сталкивается с существенными трудностями. Во-первых, плотность теплового потока для современного процессора (обычно около 100 Вт/cм2) значительно выше, чем для типичного термоэлектрического охладителя (ТЭО), и это создает проблему размерного несоответствия ТЭО и процессора. Кроме того, ТЭО сам по себе является потребителем энергии, поэтому его применение неизбежно приводит к дальнейшему росту общего рассеяния мощности, что увеличивает проблему отвода тепла. В результате, ожидаемое улучшение может стать недостижимым – вместо охлаждения может наблюдаться рост температуры процессора.

Проблема термоэлектрического охлаждения центрального процессора рассматривалась во многих статьях. Чаще всего применение термоэлектричества интерпретируется как средство улучшения характеристик теплоотвода. В некоторых статьях высказываются довольно спорные утверждения и предлагаются неперспективные технические решения.

Иногда сравнение пассивного и активного охлаждения проводится некорректно в разнородных условиях (при разных тепловых ограничениях) в пользу термоэлектричества. Правильная разность температур на поверхностях ТЭО принимается очень маленькой и даже обращенной (последнее неверно в принципе). При этом принимается высокий холодильный коэффициент ТЭО от 2 до 4 и даже 20, и это предлагается как возможное условие для значительного роста мощности процессора.

На практике этот вопрос намного сложнее. Режим работы ТЭО с максимальным холодильным коэффициентом при небольшой разности температур характеризуется крайне низкой плотностью мощности охлаждения и, наоборот, высокая охлаждающая способность приводит к увеличению потребления мощности и низкому значению холодильного коэффициента. Следовательно, оба экстремальных значения не подходят для данного случая.

Вот почему, несмотря на большую востребованность, термоэлектрическая технология все же не получила большого распространения для управления теплом мощных микропроцессоров.

Помимо объективных трудностей, причина состоит в том, что не построена адекватная модель системы и пока не предложен общий подход, который бы определил условия для выгодного применения ТЭО. Предстоит ответить на два важных вопроса:

— Может ли применение ТЭО реально улучшить характеристики процессора в условиях типичных тепловых ограничений для современных персональных компьютеров?

— Если да, то какое максимальное улучшение может быть достигнуто?