Lämmöntuotto
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.
Intelin ja AMD:n mikroprosessoreiden kellotaajuuksia ja TDP-arvoja
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 ovat aina tutkineet mikroprosessoreiden lämpöominaisuudet ja toteuttaneet niiden dokumentoinnin huolellisesti. Nykyisin mikroprosessorit ovat myös varustettu rautatason logiikalla, joka sammuttaa piirin tai laskee kellotaajuutta automaattisesti varotoimenpiteenä lämpötilan noustessa vaarallisen korkeaksi.
Termodynamiikan toinen pääsääntö määrittelee, että lämpö virtaa aina oma-aloitteisesti lämpimämmästä alueesta kylmempään alueeseen. Kaikki aktiiviset laitteet ovat lämmönlähteitä, joten ne ovat aina lämpimämpiä kuin niiden välittömän ympäristön keskilämpötila. Lämpö voi siirtyä kolmella eri tavalla, jotka ovat johtuminen, konvektio ja säteily. Mikroprosessorin jäähdytystehokkuuden määrittelee suurimmaksi osaksi jäähdytyselementissä käytetyn materiaalin lämmönjohtavuus, jonka yksiköksi määritetään SI-järjestelmässä watti kelvin kertaa metriä kohtaan eli W/(K∙m).
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. Järjestelmärakentajien ja kuluttajien ei siis tarvitse huolehtia mikroprosessorin lämpötiloista mukana toimitetulla jäähdytysratkaisulla, vaan valmistaja on mitoittanut omissa mittauksissaan ja testeissään jäähdytysratkaisun tarvittavan tehokkaaksi, jotta mikroprosessori toimii sille määritellyn toimintalämpötilan rajoissa.
Markkinoilla on myös useita erilaisia kolmansien osapuolien valmistamia jäähdytysratkaisuja. Suurimmat syyt jäähdytysratkaisun vaihtamiseen ovat äänentason alentaminen käyttäjälle miellyttävämmäksi sekä parempi jäähdytysteho. Mikroprosessoria voidaan jäähdyttää monilla eri tavoin, joista nykypäivänä yleisin menetelmä on ilmajäähdytys. Muita sovellettuja jäähdytysmenetelmiä ovat nestekierto, kylmäkompressori sekä lyhytaikaisiin kokeiluihin soveltuvat kuivajää, nestemäinen typpi ja nestemäinen helium.
