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

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

Debido a tener una conductividad térmica mucho menor, $$ \ begin {array} {rrl} \ text {Cobre:} & 385 \ phantom {.25} & \ frac {\ mathrm {W}} {\ mathrm {m} {\ cdot} \ mathrm {K}} \\ \ text {Aluminium:} & 205 \ phantom {.25} & \ frac {\ mathrm {W}} {\ mathrm {m} {\ cdot} \ mathrm {K}} \\ \ text {FR4:} & 0.25 y amp; \ frac {\ mathrm {W}} {\ mathrm {m} {\ cdot} \ mathrm {K}} \\ \ end {array} $$ el material en la parte inferior de la CPU transportaría mucho menos calor.

Lo más probable es que no quiera rodear las señales con metal, lo que cambiaría drásticamente la impedancia, por lo que el metal en la parte inferior es un problema mayor. Si construyes un zócalo de metal, necesitaría ser micromaquinado, lo que sería muchas veces más caro 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 sacar fácilmente algo entre 15 W y 200 W, de un dado que mide unos pocos cm². Si no va a transportar ese calor, ese chip debe dejar de funcionar, disminuir la velocidad o simplemente quemarse.

Con eso en el 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 en sí misma, 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 no suele ser el mejor lugar, especialmente alrededor de la CPU. Allí se sitúa toda la cadena de alimentación 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 personalizadas de alto rendimiento y militares, encontrará paquetes de CPU especializados que le dan acceso por debajo a partes de la CPU, pero en las CPUs con socket, eso no es posible ni mecánica ni térmicamente demasiado ventajoso.

Tenga en cuenta que esto no se aplica a todas las CPU. Si entra en el 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 pizarra verde que estás mirando no es el dado, es la portadora de PCB a la que está conectada la placa; ese es el precio tecnológico que se paga por poder producir CPU intercambiables de forma económica en masa en lugar de tener placas base con las CPU. La bola de paquete de escala de chips está soldada directamente a ellas, y no se puede tener eso completamente, ni siquiera en teoría, porque el calor de esa CPU es tan solo tanto que un plano metálico que se propaga por el calor tiene que ajustarse a presión encima de él, y usted solo puede hacerlo de manera mecánica al tener el troquel en algún tipo de sustrato.

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

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

¿Porquétodoestoimporta?SugierequedebepodertransferireficientementeelcaloratravésdelospinesdelaCPU.Sinembargo,estenoeselcaso,debidoaesteintercalador.Estonoescomoundispositivodegranpotenciadondelagranbrocademetalestárealmenteconectadaalsilicio;haymuchascosasenmedio.

Comoresultado,laconductividadtérmicadeltroquelalospinessiguesiendobaja,porloqueinclusosituvieraqueencontraralgunamaneraingeniosadealejartodoelcalordeesospines,apenasveríaalgunamejora,yaqueTodavíasedebetratarconunamayorresistenciatérmicadeordendemagnitudencomparaciónconunesparcidordecalormetálicoqueestáencontactodirectoconlapartesuperiordelsilicio.

SivaalasCPUutilizadasenteléfonosodispositivosintegrados,quesonunaalmohadillade"disipador de calor inferior", las cosas son diferentes. Aquí no utilizan un enfoque de flip-chip. En el centro de la BGA, tendrán un lugar de metal en el que la matriz está unida térmicamente (esto también suele estar molido). Luego usan cables de conexión para conectar todos los pines, aún utilizando una forma de interposición con el metal en el medio (o el metal central es solo un montón de vías para obtener una conductividad térmica baja). Esto significa que hay mucho menos material entre la almohadilla de refrigeración central y los pines BGA, lo que permite una transferencia de calor mucho más eficiente.

  

Parte de este calor se propaga hacia arriba, pero también debe ir hacia abajo   hacia el PCB. No conozco la proporción.

Eso es verdad, el calor se propaga en todas las direcciones. Desafortunadamente, la velocidad de propagación (también conocida 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 alambres / capas de cobre, toda la cosa de PCB no conduce el calor muy bien. Pero esto es inevitable, necesitas conexiones.

Las CPU tempranas (i386-i486) se enfriaron principalmente a través de la ruta de PCB, a principios del 90 o la CPU de PC no tenía disipador de calor en la parte superior. Muchos chips con el montaje tradicional de alambre (chip de silicio en la parte inferior, almohadillas conectadas con cables desde las almohadillas superiores hasta el marco de plomo) pueden tener una barra térmica en la parte inferior, porque esta es la ruta de menor resistencia térmica.

Luego, se inventó la tecnología de envasado de chip invertido, por lo que la matriz está en la parte superior del paquete, al revés, y toda la conexión eléctrica se realiza a través de protuberancias eléctricamente conductoras en la parte inferior. Así que 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 distribuir el calor desde un troquel relativamente pequeño (1 m2) hasta un disipador de calor más grande, etc.

Afortunadamente, los equipos de diseño de CPU incluyen departamentos de ingeniería considerables que realizan el modelado térmico del troquel de CPU y el empaquetado completo. Los datos iniciales provinieron del diseño digital, y luego los costosos solucionadores 3-D ofrecen una imagen general de la distribución del calor y los flujos. El modelado incluye obviamente modelos térmicos de zócalos / clavijas de CPU y placas principales. Yo sugeriría que confíe en ellos con las soluciones que brindan, ellos conocen su negocio. Aparentemente, un poco de enfriamiento extra desde la parte inferior de la PCB simplemente no merece un esfuerzo adicional.

ADICIÓN: Aquí hay un modelo a tanto alzado de un chip FBGA, que puede dar una idea. a, digamos, el modelo térmico LGA2011 de Intel.

SibienelPCBmulticapaconvíastérmicasyun25%decontenidodecobrepuedetenerunrendimientotérmicobastantebueno,elmodernoyprácticosistemaLGA2011tieneunelementoimportante,unzócalo.Elzócalotieneuncontactoderesortedetipoagujadebajodecadaalmohadilla.EsbastanteobvioqueelvolumentotaldecontactometálicoatravésdelzócaloesbastantemáspequeñoqueellingotedecobreenlapartesuperiordelaCPU.Yodiríaquenoesmásde1/100deláreadebabosas,probablementemuchomenos.Porlotanto,debeserobvioquelaresistenciatérmicadelzócaloLGA2011esalmenos100Xdeladirecciónsuperior,onopuedebajarmásdel1%delcalor.Supongoqueporestemotivo guías térmicas Intel ignora totalmente la ruta térmica inferior, no se menciona.

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

Un microprocesador convencional en una computadora portátil / computadora de escritorio generalmente utiliza una mezcla de refrigeración por conducción (disipador de calor) y por convección (aire forzado generalmente). A medida que la mezcla de estos dos mueve 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 está en una bahía de aviónica no presurizada, enfriamiento por convección pierde un significado (La densidad del aire es muy baja, lo que significa que no hay moléculas suficientes a gran altura para propagar el calor). Por esa razón, enfriamiento de conducción es muy utilizado 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 esparcidores de calor.

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

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

En este escenario, se utiliza el enfriamiento a través de todas las rutas; Conducción desde ambos lados, el FR-4 puede no ser particularmente conductor térmico, pero los planos de cobre son.

Entré en una discusión térmica un tanto detallada en una respuesta a esta question .

La respuesta real es ingeniería básica. Es mucho más fácil optimizar un sistema si puede separarlo en subsistemas que pueden optimizarse independientemente.

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

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

Los módulos de la CPU con refrigeración líquida, mientras están regresando, eran bastante comunes hace 30 años. Cuando los mainframes tenían "envolturas" de cpu que estaban completamente sumergidas en líquido, y así se eliminaba el calor de todos los lados de los circuitos integrados incluidos. Esto presenta claramente un inconveniente para el diseño de las conexiones, la depuración, el 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 hizo tal elección, indica que la eliminación de calor fue la principal restricción.

Las modernas supercomputadoras 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, láseres, enlaces ópticos, puertos de RF, etc., la parte inferior es la ruta principal de eliminación de calor. Y se utilizan generalmente sustratos especializados, con alta conductividad térmica.