هر پردازنده و در واقع هر تراشه‌ای گرما تولید می‌کند اما اخیراً به مرحله‌ای رسیدیم که در گوشی‌های رده‌اول استفاده از سیستم خنک‌کاری مایع ضروری به نظر می‌رسد. در ادامه با انواع هیت‌سینک، فن و سیستم خنک‌کاری مایع و آبی آشنا می‌شویم و دیگر روش‌های کنترل دمای تراشه‌ها آشنا می‌شویم.

تبلیغات ۷۲۰ در ۹۰

 

سال پیش تراشه‌های گوشی و تبلت اغلب با لیتوگرافی 28 نانومتری تولید می‌شدند، سامسونگ لیتوگرافی 20 نانومتری و سپس لیتوگرافی 14 نانومتری خود را به مرحله‌ی تولید انبوه رساند و حالا TSMC هم تراشه‌ی A9 اپل را با لیتوگرافی 16 نانومتری خویش تولید می‌کند. پیشرفت لیتوگرافی در کاهش توان مصرفی و افزایش سرعت کلاک تراشه‌ها نقش اساسی داشته است. مزیت سومی هم متوجه تراشه‌های جدید است و کاهش هزینه‌ی تولید به دلیل استفاده از مقدار کمتری ویفر سیلیکون است.

 

ویفر سیلیکونی برای تولید تراشه‌

ویفر سیلیکونی برای تولید تراشه‌

نکته‌ای که نباید از آن غفلت کرد، سرعت کلاک است. در حال حاضر تراشه‌هایی در گوشی‌ها استفاده می‌شود که نسبت به مدل‌های مشابه قبلی، سرعت کلاک بالاتری دارند و در حقیقت سازندگان تراشه و گوشی و تبلت، توان مصرفی کمتر را به مقادیر قبلی نزدیک کرده‌اند و در کنار آن سرعت هسته‌ها را بیشتر کرده‌اند تا عملکرد بهینه شود.

نتیجه ساده است: تراشه‌ها ممکن است توان مصرفی گذشته را داشته باشند و با توجه به کوچک‌تر شدن مساحت، خنک کردنشان دشوارتر است.

روش‌های کنترل دما و توان مصرفی تراشه

اولین روشی که هنوز هم در حال پیشرفت و بهینه شدن است، کاهش و افزایش سرعت کلاک متناسب با افزایش بار پردازشی است. مکانیزم توربو بوست اینتل و در حالت کلی مکانیزم بوست در کارت گرافیک‌های ای‌ام‌دی و انویدیا مختص این محصولات نیست، در تراشه‌های ویژه‌ی گوشی و تبلت هم اغلب سرعت کم و زیاد می‌شود.

]دقت کنید که سرعت کلاک ذکر شده در بیان مشخصات تراشه‌ها، معمولاً حداکثر سرعت هسته است و نه سرعت دائمی و یکنواخت آن.

ممکن است مکانیزم کنترلر سرعت، سرعت 2.7 گیگاهرتزی در شرایط خاص را به سرعت 1.7 گیگاهرتز در شرایط معمولی و حتی سرعت 300 مگاهرتزی در حالت کاملاً بی‌کار و آرام تبدیل کند؛ در سرعت‌ها بالاتر به ولتاژ بیشتری نیازی است و به طبع توان مصرفی فزونی پیدا می‌کند.

هسته‌های کم‌مصرف در کنار هسته‌های پرمصرف در یک تراشه

روش دومی که کمپانی ARM آن را پیشنهاد کرده استفاده از دو گروه هسته است. big.LITTLE نامی است که آرم برای این ساختار انتخاب کرده و به این معنی است که یک گروه از هسته‌ها بزرگ و پرمصرف و سریع هستند و گروه دیگر کوچک و کم‌مصرف؛ البته ممکن است هر دو گروه هسته‌های یکسانی را در بر بگیرند و فقط سرعت هسته‌ها متفاوت باشد.

اگر پیاده‌سازی بیگ.لیتل آرم کامل و بی‌نقص باشد، در زمان بی‌کاری یا اجرای اپلیکیشن‌های سبک، هسته‌های کم‌مصرف وارد عمل می‌شوند و زمانی که نیاز به قدرت پردازشی بالا وجود دارد، هسته‌های بزرگ و حتی تمامی هسته‌های کوچک و بزرگ وارد عمل می‌شوند. اخیراً مدیاتک از تراشه‌ی 10 هسته‌ای Helio X20 با سه گروه هسته پرده برداشته که خود گونه‌ی پیشرفته‌تر بیگ.لیتل است.

سه گروه هسته در تراشه‌ی 10 هسته‌ای Helio X20 مدیاتک

سه گروه هسته در تراشه‌ی 10 هسته‌ای Helio X20 مدیاتک

در بیگ.لیتل به دمای هسته‌ها هم توجه می‌شود و به نوعی انتقال توان مصرفی از هسته‌ای به هسته‌ی دیگر هم صورت می‌گیرد چرا که هسته‌ها در نقاط مختلفی از تراشه قرار گرفته‌اند و طبعاً دمای یکسانی ندارند.

توان مصرفی کارت گرافیک‌ها بیش از 10 برابر تغییر می‌کند.

این ایده به صورت بسیار ظریف‌تر در کارت گرافیک‌ها هم مورد استفاده قرار گرفته است و در واقع تمامی هزاران هسته‌ی یک پردازنده‌ی گرافیکی مثل GM204 در GTX 980 در آن واحد فعال نیستند و انرژی زیادی مصرف نمی‌کنند. به همین علت توان مصرفی این کارت گرافیک از مرز زیر 10 وات به بالاتر از 180 وات افزایش پیدا می‌کند.

اینتل اخیراً در کنترل سرعت کلاک هسته‌ها، فاکتور دیگری که زاویه‌ی قرار گرفتن تبلت است را هم اضافه کرده چرا که بسته به زاویه‌ی قرارگیری، حرکت هوای گرم که همیشه رو به بالاست، ساده یا دشوار خواهد بود.

و در عمل هم روش اینتل عملکرد یک تبلت را بسیار متفاوت می‌کند، به عنوان مثال زمان تبدیل یک فایل ویدیویی با تبلت افقی، عمودی و قرار گرفته در داک خاصی با خنک‌کاری اکتیو به صورت زیر است:

سرعت تبدیل فایل ویدیویی با کمک تبلت تبدیل‌شدنی اینتلی در زوایای مختلف قرارگیری

سرعت تبدیل فایل ویدیویی با کمک تبلت تبدیل‌شدنی اینتلی در زوایای مختلف قرارگیری

و مشکل کاهش شدید سرعت یا اختناق گرمایی است

thermal throttling یا اختناق گرمایی پدیده‌ای است که با افت شدید سرعت هسته در اثر بالا بودن دما به وجود می‌آید. در این صورت تراشه عملکردی در حد انتظار ندارد. گوشی داغ می‌کند و حتی ممکن است هنگام فیلم‌برداری 4K، ناگهان گوشی متوقف شود. روشن نشدن فلاش LED و کاهش نور نمایشگر از دیگر مشکلاتی است که به وجود می‌آید.

تراشه‌ی 8 هسته‌ای کوآلکام S820 و مشکل داغی آن را قبلاً تحلیل کردم، مشابه همین تراشه اما با لیتوگرافی بهتر، اکسینوس 7420 است که مشکل خاصی از آن گزارش نشده است. همین مشکل در کارت گرافیک‌ها و پردازنده‌ها پیش می‌آید و علی‌رغم اینکه سرعت حداکثری تغییر نمی‌کند، سرعت متوسط پایین‌تر از حد معمول است. به عنوان مثال کارت گرافیک کم‌مصرف و قدرتمند R9 Nano حداکثر سرعت 1 گیگاهرتزی دارد اما در بازی‌ها (آبی) و در پردازش سنگین در بنچ‌مارک فِرمارک (قرمز) 20 تا 25 درصد کندتر است.

سرعت کلاک هسته‌ی کارت گرافیک R9 Nano حین پردازش سنگین

سرعت کلاک هسته‌ی کارت گرافیک R9 Nano حین پردازش سنگین

روش‌های خنک‌کاری، روش قدیمی فن و هیت‌سینک

فن یا همان پنکه‌ی کوچک و هیت‌سینک به معنی چاه حرارتی دو اصطلاح آشنا در سیستم‌های خنک‌کاری هستند. فن می‌تواند بزرگ باشد و پره‌هایی با طراحی خاص داشته باشد، محور آن ممکن است با دو بلبیرینگ مرغوب و بادوام نگه داشته شود و یا یاتاقان ژورنال با سایش بیشتر استفاده شود. ممکن است به جای یک فن از چندین فن و با جهت‌گیری مختلف استفاده شود.

 

در نهایت اینکه جهت جریان هوا شعاعی یا عمودی باشد. معمولاً به نوع عمودی که در حقیقت هوا به صورت عمودی وارد کارت گرافیک شده و پخش می‌شود، Blower یا دمنده می‌گویند:

 

فن رادیال یا شعاعی و فن با جریان هوای عمودی یا بلوئر

فن رادیال یا شعاعی و فن با جریان هوای عمودی یا بلوئر

 

هیت‌سینک قطعه‌ای معمولاً فلزی است که گرمای تولید شده را در سطحی بزرگ‌تر پراکنده می‌کند. ممکن است هیت‌سینک به شکل یک صفحه‌ی ساده و از جنس مس باشد و به این ترتیب ارتفاع اندکی داشته باشد و یا ممکن است هیت‌سینک بزرگ و دارای پره‌ها (فین) باشد.

 

هیت‌سینک از جنس مس محصولی از Zalman

هیت‌سینک از جنس مس محصولی از Zalman

 

 

معمولاً تا جایی که مشکل فضا و وزن وجود نداشته باشد می‌توان هیت‌سینک را بزرگ‌تر و سنگین‌تر طراحی کرد. هیت‌سینک‌های بزرگ برای پردازنده معمولاً از آلومینیوم ساخته می‌شوند تا وزن در حد قابل قبولی باشد و مادربورد آسیب نبیند. در عین حال ممکن است به علت محدودیت‌های موجود، هیت‌سینک کوچک و ساده باشد.

 

محفظه‌ی تبخیر و لوله‌های حرارتی هم روش دیگری برای جذب سریع‌تر گرمای تراشه هستند. در این موارد مایعی فرّار درون سیستم بسته مرتباً تبخیر و میعان می‌شود و به این ترتیب سرعت انتقال حرارت بیشتر می‌شود.

کولر مستر و سه‌بعدی شدن محفظه‌ی تبخیر

کولر مستر و سه‌بعدی شدن محفظه‌ی تبخیر

سیستم خنک‌کاری آبی

آب گرمای زیادی را بدون تغییر شدید دما جذب می‌کند

در سیستم خنک‌کاری آبی، از گردش آب به جای گردش هوا استفاده می‌شود. همان‌طور که می‌دانید آب ظرفیت گرمای ویژه (در کتب فیزیک با حرف C و واحد ژول بر درجه‌ی سانتی‌گراد کیلوگرم بیان می‌شود) بسیار بالایی دارد و به راحتی داغ یا خنک نمی‌شود. در مقابل هوا با چگالی کم، به سرعت داغ و خنک می‌شود. آب از نظر خنک‌کاری هم همین وضعیت را دارد، به عبارت دیگر اگر شخصی را در آب سرد بیاندازید، به سرعت طاقتش طاق می‌شود اما هوای سرد را می‌توان دقایقی تحمل کرد.

در سیستم خنک‌کاری آبی، هیت‌سینک کوچکی روی تراشه قرار می‌گیرد و آب با آن در تماس است. پمپ کوچکی آب را به گردش در می‌آورد و به سمت رادیاتور که از نظر ساختاری شبیه هیت‌سینک است اما به جای تراشه با هوای خنک بیرون در تماس است، می‌‎برد و به این ترتیب آب در یک چرخه مرتباً خنک و گرم می‌شود.

برای جلوگیری از آثار سوء تماس آب با قطعات الکترونیکی، از ترکیبات شیمیایی خاص و عایق‌بندی دقیق استفاده می‌شود. ممکن است سیستم‌های خنک‌کاری خاصی برای خنک کردن پردازنده، کارت گرافیک، رم و هارد طراحی شود و حتی به صورت دستی ساخته شود.

سیستم خنک‌کاری مایع

این سیستم خنک‌کاری درست شبیه سیستم خنک‌کاری آبی است با این تفاوت که به جای استفاده از لوله‌های انعطاف‌پذیر برای انتقال سریع آب، از لوله‌های معمولاً مسی که گاها روکشی خاص دارند و ماده‌ی شیمیایی خاص درون لوله‌ها استفاده می‌شود. به این لوله‌ها، لوله‌ی حرارتی یا Heat Pipe گفته می‌شود.

دقت کنید که در سیستم خنک‌کاری مایع، فقط هیت‌پایپ و مایع فرّار درون آن مطرح است و پمپ در کار نیست. مایع فرّار گرما را به راحتی جذب می‌کند و به بخار تبدیل می‌شود و با جابجایی به بخش‌های خنک‌تر، مجدداً به مایع تبدیل می‌شود و این چرخه تکرار می‌شود.

در لوله‌ی حرارتی مایع نزدیک جداره بخار می‌شود و به سمت دیگر حرکت می‌کند.

در لوله‌ی حرارتی مایع نزدیک جداره بخار می‌شود و به سمت دیگر حرکت می‌کند.

بنابراین به یاد داشته باشید که اگر بخش اصلی لپ‌تاپ (کیبورد) کمی مایل باشد، حرکت بخار ساده می‌شود چرا که هوای گرم همواره به سمت بالا حرکت می‌کند و لذا لپ‌تاپ خنک‌تر کار می‌کند. هیت‌سینک روی پردازنده هم با افقی قرار گرفتن کیس، عمودی می‌شود و طبعاً انتقال حرارت ساده‌تر است.

نکته‌ی فوق در دو تصویر زیر توضیح داده شده است:

 

سیستم خنک‌کاری یک لپ‌تاپ معمولی

سیستم خنک‌کاری یک لپ‌تاپ معمولی

 

سیستم خنک‌کاری یک لپ‌تاپ معمولی با مورب شدن لپ‌تاپ، بهتر عمل می‌کند

سیستم خنک‌کاری یک لپ‌تاپ معمولی با مورب شدن لپ‌تاپ، بهتر عمل می‌کند

 

البته اگر مثل تصویر زیر مادربورد افقی قرار بگیرد، لوله‌های حرارتی موجود در کارت گرافیک‌های رده‌اول هم بسته به طراحی، می‌توانند اندکی بهتر عمل کنند.

هیت‌سینک بزرگی دارای چند لوله‌ی حرارتی

هیت‌سینک بزرگی دارای چند لوله‌ی حرارتی

و گوشی‌ها و تبلت‌ها هم به لوله‌های حرارتی و خنک‌کاری مایع تجهیز می‌شوند

مشکل S810 از نگاه سونی به راحتی حل می‌شود: استفاده از دو لوله‌ی حرارتی برای خنک کردن تراشه‌ی مرکزی گوشی اکسپریا زد5 پریمیم.

قطعات داخلی اکسپریا زد5 پریمیم سونی

قطعات داخلی اکسپریا زد5 پریمیم سونی

مایکروسافت هم در دو گوشی پرچم‌داری که به همراه ویندوز 10 موبایل معرفی کرده، از سیستم خنک‌کاری مایع استفاده کرده است، در لومیا 950 با وجود اینکه از S808 استفاده شده هم مایکروسافت خنک‌کاری مایع را کنار نمی‌گذارد.