По мере дальнейшего увеличения производительности и вычислительной мощности процессоры выделяют все больше тепла. В настоящее время Pentium 4 выделяет тепла больше, чем кухонная плита. При этом, согласно планам Intel, в ближайшие годы тепловыделение процессоров будет только расти, и если решение данной проблемы найти не удастся, микропроцессорные системы в этом отношении со временем вполне смогут составить конкуренцию активным зонам ядерных реакторов.

Внимание — архитектурам

СТИВ ПАВЛОВСКИ: «Столкнувшись с необходимостью решения задачи отвода тепла, инженеры вспоминают свое предназначение и начинают предлагать действительно оригинальные варианты»

Рост спроса на ноутбуки и домашние развлекательные центры на основе ПК заставляет Intel искать пути сокращения тепловыделения процессоров и более эффективного его отвода, а также уменьшения шума, который производят системы охлаждения.

«Дальнейшее повышение быстродействия процессоров Intel неизбежно повлечет за собой и дальнейшее увеличение выделяемого ими тепла, — отметила аналитик гонконгского отделения Gartner Дороти Лэй. — Конечно, для их охлаждения можно использовать очень большие радиаторы, но применять их в условиях, когда ПК становятся все компактнее, весьма затруднительно».

Столкнувшись с этим вопросом, инженеры Intel рассматривают различные подходы, позволяющие уменьшить выделяемое процессорами тепло и обеспечить более быстрый его отвод.

Однако пространство для маневра у инженеров весьма ограничено. Это обусловлено технологическими и конструктивными особенностями современных микросхем. Уменьшить количество выделяемого процессорами тепла можно путем регулирования параметров тактовой частоты, напряжения питания и емкостного сопротивления.

«Разработчики сегодня пытаются уменьшать напряжение питания процессоров, по возможности снижать тактовую частоту в некоторых режимах работы (или не увеличивать ее слишком сильно) и, конечно, по мере возможности минимизировать емкостное сопротивление», — отметил директор Intel Microprocessor Technology Lab Стив Павловски, выступая на недавней конференции Intel Developer Forum в Тайбэе.

Естественно, большое внимание инженеры уделяют и внешним системам охлаждения, которые должны способствовать ускоренному отводу тепла. В Intel в настоящее время изучают возможности по совершенствованию вентиляторов, крыльчаток и других механизмов, обеспечивающих охлаждение процессоров. Однако внедрение этих усовершенствований сдерживается рядом факторов, в частности конструктивными особенностями корпусов, в которых размещаются кремниевые компоненты чипа.

Павловски считает, что разработчикам в настоящее время имеет смысл сосредоточить основные усилия на архитектурных решениях, которые позволят минимизировать выделение тепла. Микроархитектура здесь играет очень важную роль. Дело в том, что тепло распределяется по кристаллу процессора неравномерно. Блоки процессора функционируют с разной степенью интенсивности и соответственно выделяют разное количество тепла. К примеру, кэш-память нагревается меньше по сравнению с логическими элементами. В свою очередь логические элементы также различаются по тепловыделению.

Оптимизируя распределение на кристалле элементов с наивысшим тепловыделением, конструкторы могут добиться более эффективного рассеивания тепла. Однако это не исключает возможного появления на кристалле сильно нагретых зон.

«Горячие — в прямом и переносном смысле — точки все равно останутся, и эти участки потребуют особого внимания», — отметил Павловски.

Плазменное охлаждение?

Важность решения задач отвода тепла и уменьшения тепловыделения заставляет разработчиков из Intel пересматривать свои подходы к проектированию процессорных микроархитектур.

«На мой взгляд, разработчикам микроархитектур необходимо продумывать вопросы теплоотвода на этапе проектирования, но на практике раньше такого не происходило, — констатировал Павловски. — Все были озабочены только одним: производительность, производительность и еще раз производительность».

Теперь, когда решению задачи отвода тепла инженеры вынуждены уделять самое серьезное внимание, можно ожидать появления решений, гораздо более удачных по критерию стоимость/эффективность.

«Столкнувшись с данным вопросом, инженеры вспоминают свое предназначение и начинают предлагать действительно оригинальные варианты, — отметил Павловски. — Для преодоления сложностей, обусловленных тепловыделением, можно использовать, например, технологии микроэлектромеханических систем (MEMS)».

Павловски рассказал об университетских исследованиях одного молодого ученого, который пытался обеспечить охлаждение чипов за счет применения сверхтонкого слоя плазмы.

Газ превращается в плазму, когда тепловая или другая энергия приводит к полному или частичному освобождению электронов из атомов газа. В результате атомы приобретают положительный заряд и излучают свободные потоки электронов.

Исследователь предложил ускорять частицы плазмы на поверхности чипа для формирования микротоков, которые будут способствовать ускорению отвода тепла. Его идея была представлена на рассмотрение корпорации Intel, финансирующей изучение передовых технологий проектирования микросхем.

«Если бы опытный образец заработал, молодой ученый, вероятно, одержал бы серьезную победу, но к сожалению, пока этого не произошло, — сообщил Павловски. — Справиться с искрением, которое приводит к разрушению микросхемы, пока не удается».

Впрочем, первые неудачи еще не означают, что от идеи следует отказаться. Если искрение удастся устранить и данная технология охлаждения докажет свою работоспособность, вполне возможно, что Intel приступит к реализации данного проекта в будущем.

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями