Taustatietoa: Prosessorin lämmöntuotto, jäähdytys, lämpötahna, IHS ja TIM
Mikroprosessoreiden lämmöntuotto on saatu hoidettua piisirujen keraamisten pakkausmateriaalien avulla pelkällä lämmön säteilyllä aina 1990-luvun alkupuolelle asti, kunnes Intelin ensimmäisten Pentium-prosessoreiden myötä transistorimäärä ylitti yhden mikrometrin valmistusprosessilla miljoonan kappaleen lukumäärän. Mikroprosessorin transistoreiden kytkennästä seurannutta lämmöntuottoa ei enää kyetty pitämään alle mikroprosessorin maksimi toimintalämpötilaksi määrätyn arvon pelkällä lämmön säteilyllä, vaan jäähdytyksessä tarvittiin apuna mikroprosessorin tuottaman lämmön johtumista jäähdytyssiiliin. Sen jälkeen suorituskykyisten mikroprosessoreiden suunnittelussa tehonkulutuksesta ja lämmöntuotosta on tullut yksi suurimmista haasteista. Raju kasvu kellotaajuuksissa ja piirisuunnittelun monimutkaisuudessa on ohittanut pienempien viivaleveyksien ja alhaisempien käyttöjännitteiden tarjoamat edut. Mikroprosessorin tehonkulutus määrittelee, kuinka monta transistoria piiriin voidaan integroida ja kuinka korkealla kellotaajuudella piiri voidaan asettaa toimimaan.
Nykypäivänä moniytimisten ja suurilla välimuisteilla varustettujen mikroprosessoreiden piisirut rakentuvat useista sadoista miljoonista transistoreista ja suorituskykyisimpien mallien lämmöntuotto on täydessä rasituksessa reilusti yli 100 wattia. Valmistajat ilmoittavat mikroprosessoreiden lämmöntuoton Thermal Design Power -arvona (TDP), joka tarkoittaa maksimi määrää lämpöä, jonka jäähdytysratkaisun on kyettävä haihduttamaan mikroprosessorilta, jotta se kykenee toimimaan sille määritettyjen spesifikaatioden sisällä. Transistorit tuottavat jatkuvasti tilaa vaihtaessaan niin paljon lämpöä, että ilman aktiivista jäähdytystä piisirun lämpötila nousisi välittömästi yli sille suunnitellun maksimilämpötilan ja se saattaisi vaurioitua fyysisesti pysyvästi.
Valmistajat alkoivat kiinnittää mikroprosessoreiden lämmöntuottoon erityistä huomiota vuonna 1993, kun Intel julkaisi markkinoille Pentium-prosessorin. Yritys ohjeisti järjestelmärakentajia Thermal Design Guidelines -dokumentissaan, että 60 ja 66 MHz:n kellotaajuuksilla toimivien Pentium-prosessoreiden toimintalämpötila täytyy pysyä alle 100 celsiusasteessa. Yritys totesi itse, että 15,5 watin lämmöntuotolla ja 40–45 celsiusasteen tyypillisessä ympäröivässä lämpötilassa Pentiumin toimintalämpötilaa ei saada pidettyä alle sadassa asteessa ilman pakotettua konvektiota eli metalliseen jäähdytyssiiliin liitettyä tuuletinta.
Intel tarjosi järjestelmävalmistajille tarkat tutkimus- ja mittaustulokset Pentium-prosessorille soveltuvista jäähdytysratkaisuista, joiksi se suositteli helpoimmaksi ja kustannustehokkaimmaksi metallisen jäähdytyssiilin ja tuulettimen yhdistelmää. Nykypäivänä mikroprosessorivalmistajat ilmoittavat jokaiselle mallille oman TDP-arvon, toimittavat myyntipakkauksen mukana niille suunnitellun ja lämmöntuotosta asianmukaisesti huolehtivan alumiinista, kuparista tai niiden yhdistelmästä valmistetun jäähdytyssiilin ja siihen kiinnitetyn tuulettimen sekä asennusratkaisun.
Miksi prosessorin ja siilin välissä käytetään lämpötahnaa?
Jäähdytysiilin pohja ja mikroprosessorin lämpöä levittävä suoja eivät ole mikroskooppisella tasolla täysin tasaisia, joten niiden väliseen liitoskohtaan jää runsaasti ilmataskuja. Ilman 0,026 W/m·K lämmönsiirtokyky on erittäin huono, joten se täytyy eliminoida liitoskohdan lämmönsiirtoreitiltä. Ilmataskujen täyttämiseksi jäähdytyssiili painetaan mikroprosessorin pintaa kohti kiristysmekanismilla ja väliin levitetään ohut kerros ilmaa paremmin lämpöä johtavaa lämpötahnaa. Lämpötahna koostuu silikonista tai hiilivetyöljystä, johon on sekoitettu lämpöä johtavaa materiaalia, kuten alumiinioksidia, sinkkioksidijauhetta, hienonnettua hopeaa tai CVD-timanttia (Chemical Vapor Deposition). Seoksen lopputuloksena on lämpötahna, joka täyttää ilmataskut ja lämmönsiirtokyky on noin 1,0–16,0 W/m·K eli huomattavasti parempi kuin ilmalla.
Ivy Bridgessä TIM vaihtui juotteesta tahnaan
Intel alkoi käyttää Pentium III -prosessoreiden aikakaudella piisirun suojana metallista suojalevyä, jonka tehtävänä on levittää piisirun tuottama lämpö laajemmalle alalle ja päälle asennettavaan jäähdytyselementtiin sekä suojata piisirua fyysiseltä rasitukselta. Lämmönlevittäjä (IHS, Integrated Heat Spreader) on valmistettu kuparista ja päällystetty nikkelillä.
Piisirun ja lämmönlevittäjän välissä on lämpöä johtavaa materiaalia (TIM, Thermal Interface Material). Intelin prosessorimallista riippuen käytössä on ollut perinteinen juokseva lämpötahna tai se on ollut juotettu tiukasti kiinni juoksutteettomalla juotteella (fluxless solder).
Esimerkiksi Intelin edellisten sukupolvien Nehalem- ja Sandy Bridge -prosessoreissa lämmönlevittäjä on juotettu kiinni piisiruun ja sen irrottaminen onnistuu ainoastaan kuumentamalla lämmön levittäjää esimerkiksi kuumailmapuhaltimella piisirun kohdalta. Muussa tapauksessa piisiru murtuu, kuten yllä olevassa kuvassa Core i7-965 Extreme Edition -prosessorin tapauksessa.
