Prosessorin lämpötila ohjelmallisesti, pinnasta ja coolerista

Mikroprosessoreiden lämmöntuotto saatiin 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. Intel ei enää kyennyt pitämään miljoonan transistorin kytkennästä seurannutta lämmöntuottoa alle prosessorin maksimi toimintalämpötilaksi määrätyn arvon pelkällä lämmön säteilyllä, vaan apuun tarvittiin pelkän kotelon sisäisen ilmavirran lisäksi erillinen jäähdytyssiili. Nykypäivänä moniytimisten ja suurilla välimuisteilla varustettujen prosessoreiden piisirut rakentuvat useista sadoista miljoonista transistoreista ja suorituskykyisimpien mallien lämmöntuotto on täydessä rasituksessa maksimissaan 150 watin tasolla.

Muropaketissa testataan säännöllisesti markkinoiden uusimpia prosessoricoolereita ja testit suoritetaan yleensä kuormittamalla ylikellotetun prosessorin ytimiä 100 % rasituksella esimerkiksi alkulukuja laskevalla Prime95-ohjelmalla. Prosessorin lämpötila levossa ja rasituksessa mitataan ohjelmallisesti kolmansien osapuolien sovelluksilla, joista nykypäivänä suosituimpia ovat esimerkiksi Core Temp, Real Temp ja HWMonitor. Myös emolevyvalmistajat toimittavat usein emolevymalliensa mukana erillisen sovelluksen järjestelmän jännitteiden ja lämpötilojen seuraamiseen ja esimerkiksi AMD tarjoaa prosessoreilleen ja piirisarjoilleen kattavat säätömahdollisuudet sisältävää AMD OverDrive-ohjelmistoa.

Intelin ja AMD:n nykypäivän prosessorimalleissa ei varsinaisesti ole erillistä lämpötila-anturia, joka ilmoittaisi lämpötilan suoraan numeerisena lukuarvona, vaan sovellusten täytyy laskea lämpötila prosessorin tiettyjä rekistereitä lukemalla ja laskukaavoja käyttämällä.

Intelin prosessoreissa jokaiseen ytimeen on integroitu digitaalinen lämpötila-anturi (DTS), joka raportoi lämpötilan suhteessa Tj Max -arvoon (Tjunction Max), joka on prosessorin ytimien maksimi turvallinen toimintalämpötila. Ytimien lämpötila saadaan laskettua kaavalla Tj Max – Delta, jossa Delta on lämpötilaero Tj Maxiin. Jokaiselle Intelin prosessoriperheelle on määritelty oma Tj Max -arvo, joka täytyy ottaa huomioon laskuissa. AMD:n prosessoreissa lämpötila-anturin arvo on säilötty tiettyyn rekisteriin northbridgessä, josta saadaan laskettua AMD:n ilmoittamalla kaavalla ytimien lämpötila. AMD:n Phenom-prosessoreissa on vain yksi lämpötila-anturi, joten kaikkien ytimien lämpötilaksi ilmoitetaan yksi ja sama arvo.

Muropaketti sai järjestettyä AMD:lta mittatilaustyönä valmistellun neliytimisen 3,4 GHz:n kellotaajuudella toimivan Phenom II X4 965 Black Edition -prosessorin, jonka ydintä suojaavaan ja lämpöä levittävään kupariseen heatspreaderiin on jyrsitty pieni ura ja keskikohtaan liitetty Omegan valmistama K-tyypin lämpötila-anturi (-200 ja +1350 celsiusasteen lämpötila-alue).

Tässä suoraviivaisessa artikkelissa mitataan prosessorin ytimien lämpötilaa ohjelmallisesti AMD:n OverDrive 3.1 -sovelluksen avulla ja verrataan sen ilmoittamia lukemia suoraan heatspreaderista mitattuihin lämpötiloihin. Lisäksi mittaamme lämpötilan infrapunalämpömittarilla jäähdytyssiilin kyljestä. Tuloksien yhteenvetona saadaan mielenkiintoista tietoa sovellusten ilmoittamien lämpötilojen todellisesta tarkkuudesta.

Oletuksena on, että ohjelmien ilmoittama lämpötila pitäisi olla korkein, sillä lukema on laskettu suoraan digitaalisten lämpötila-anturien piisirulta mittaamista arvoista. Piisirua suojaavasta heatspreaderista mitattu lämpötila pitäisi olla hieman alhaisempi kuin piisirusta mitattu lämpötila ja jäähdytyssiilin lämpötila joukon alhaisin. Termodynamiikan toinen pääsääntö määrittelee, että lämpö virtaa aina oma-alotteisesti lämpimämmästä alueesta kylmempään alueeseen, joten tässä tapauksessa ketju on piisirusta heatspreaderiin ja edelleen heat spreaderista cooleriin.

Intel ja AMD ovat suositelleet kyseistä lämpötilan mittaustapaa prosessoreistaan menneinä vuosina, mutta nykypäivänä luotetaan edellä mainittuihin piisiruun integroituihin digitaalisiin lämpöantureihin. Yllä oleva kuva on Intelin Pentium-prosessoreiden datasheetistä vuodelta 1997, jossa opastetaan oikeaoppista lämpötilan mittaamista suoraan prosessorin pinnalta tai jäähdytyssiiliin poratusta reiästä.

Lämpötila-anturi on erittäin ohut, jotta se ei häiritse jäähdytyssiilin asennusta tai aiheuta ongelmia prosessorin ja jäähdytyssiilin kontaktiin. Socket AM3 -kantainen testiprosessori on C3-steppingiä ja valmistettu viime vuoden viikolla 44.

Jäähdytyssiilin pohja ja prosessorin heatspreader eivät ole täysin tasaisia, joten niiden väliseen liitoskohtaan jää runsaasti mikroskooppisen pieniä ilmataskuja. Ilman 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 silikoni tai hiilivetyöljystä, johon on sekoitettu lämpöäjohtavaa materiaalia, kuten alumiinioksidia, sinkkioksidijauhetta, hienonnettua hopeaa tai CVD-timanttia. Seoksen lopputuloksena on lämpötahna, joka täyttää ilmataskut ja lämmönsiirtokyky on parempi kuin ilmalla.

Lämpötilamittaukset

Testikokoonpano kasattiin Asuksen AMD 790FX -piirisarjaan perustuvalle Crosshair III Formula -emolevylle, Corsairin DDR3-muistia asennettiin kahden gigatavun verran ja näytönohjaimena toimi passiivisesti jäähdytetty ATI Radeon HD 5450. Virransyötöstä vastasi Antecin 850 wattinen virtalähde. Testit suoritettiin 32-bittisessä Windows 7 Ultimate -käyttöjärjestelmässä ja käytössä oli Core Temp-, Real Temp- ja AMD OverDrive -ohjelmien uusimmat versiot.

Suurempi versio kuvaa klikkaamalla

AMD Phenom II 965 Black Editionin kellotaajuus laskee lepotilassa Cool’n’Quiet-teknologian myötä 800 MHz:iin. Prosessorin kerroin tipahtaa neljään ja käyttöjännite laskee 0,95 volttiin. AMD OverDrive ja muut lämpötilan tarkkailuohjelmat ilmoittavat ytimien lämpötilaksi 30,0 astetta, kun heatspreaderista mitattu lämpötila oli 29,1 astetta. Eroa oli siis lepotilassa ytimien ja heatspreaderin välillä vaivaiset 0,9 astetta.

Suurempi versio kuvaa klikkaamalla

Kun kaikkia ytimiä kuormitettiin 100 % rasituksella Prime95-ohjelman avulla, nousi 3,4 GHz:n kellotaajuudella toimivan Phenom II X4 965 Black Edition -prosessorin lämpötila ohjelmien mukaan maksimissaan 60 asteeseen. Heatspreaderista mitattu lämpötila oli noin 56,5 astetta eli rasituksessa ero kasvoi 3,5 asteeseen.

Mittasimme vielä Wavetekin infrapunalämpömittarilla jäähytyssiilin kyljestä läheltä pohjaa, kun prosessori oli 60 asteinen täydessä rasituksessa. Mittari ilmoitti pakotettuun konvektioon eli tuulettimella varustetun jäähdytyssiilin lämpötilaksi 51 astetta.

• AMD OverDrive – ytimien lämpötila: 60 astetta
• Heatspreaderin lämpötila: 56,5 astetta
• Coolerin pohjan lämpötila: 51 astetta
• Huoneen lämpötila: 20 astetta

Loppuyhteenveto

Nykypäivän prosessoreiden lämpötilojen mittauksessa käytetään apuvälineinä kolmansien osapuolien sovelluksia. Ne laskevat ytimien lämpötilan piisirulle integroidun digitaalisen lämpöanturin prosessorein rekistereihin tallentamasta arvosta valmistajien ilmoittamien kaavojen mukaan. Välillä varsinkin uusien prosessorimallien tullessa markkinoille, ohjelmat tuntuvat näyttävän lämpötiloiksi mitä sattuu, sillä esimerkiksi jokaisella Intelin prosessorisarjalla on oma Tj Max -arvonsa, josta ytimien lämpötila lasketaan.

Tässä artikkelissa suoritettiin lämpötilamittaukset AMD:n vakiona 3,4 GHz:n kellotaajuudella toimivalla Phenom II X4 965 Black Edition -prosessorilla, jonka kupariseen heatspreaderiin oli jyrsitty kapea ura ja liitetty Omegan K-tyypin lämpötila-anturi. Levossa ytimet toimivat 0,9 astetta lämpimämpinä kuin heatspreaderista mitattu lämpötila ja rasituksessa piisirun lämpötila oli 3,5 astetta korkeampi kuin heatspreaderista mitattu.

Kun extreme-ylikellotusteissä prosessoria jäähdytetään esimerkiksi kuivajäällä, nestemäisellä typellä tai nestemäisellä heliumilla, lämpötila mitataan kuparikulhon pohjaan liitetyllä lämpötila-anturilla. Kulhon pohjan lämpötilaa käytetään viitearvona, jonka avulla prosessorin lämpötilaa voidaan säädellä, mutta todellisuudessa se on kuitenkin huomattavasti kulhon pohjan lämpötilaa korkeampi.

Kokeilimme lämpötilan mittaamista Phenom II X4 965 Black Editionin heatspreaderista, kun sitä jäähdytettiin nestemäisellä typellä. Prosessori ylikellotettiin testeissä 6,1 GHz:n kellotaajuudelle ja sille syötettiin 1,8 voltin käyttöjännite. Kun kuparinen kulho pidettiin täynnä -196-asteista nestemäistä typpeä ja jäähdytettiin mahdollisimman kylmäksi eli noin -190 asteeseen, näytti heatspreaderista mitattu lämpötila noin -175 astetta. Kun prosessorin kaikkia ytimiä alettiin kuormittaa 100 % rasituksella Cinebench R10 -testiohjelmalla, nousi kulhosta mitattu lämpötila -186 asteeseen ja heatspreaderista mitattu lämpötila -163,5 asteeseen. Kulhon ja prosessorin lämpötilaero saattaa olla extreme-ylikellotustesteissä jopa yli 25 astetta.