UUSIMMAT

Ylikellottamisen riskit ja ongelmat

22.07.2011 00:19 |

Kellotaajuuden, käyttöjännitteen ja lämpötilan välinen suhde

Mikroprosessorin miljoonat transistorit vaihtavat tilaansa synkronoituna sisäiseen kellotaajuuteen, joka on nykypäivän suorituskykyisimmissä prosessoreissa noin 3,5 gigahertsiä eli transistorit voivat vaihtaa tilaansa tarvittaessa 3,5 miljardia kertaa sekunnissa. Ylikellottamisessa korotetaan mikroprosessorin kellotaajuutta, jonka seurauksena transistorit vaihtavat tilaansa nopeammin. Esimerkiksi vakiona 3,5 gigahertsin kellotaajuudella toimivan mikroprosessorin ylikellottaminen 4,0 gigahertsiin tarkoittaa sitä, että transistorit vaihtavat tilaansa neljä miljardia kertaa sekunnissa. Tilan vaihtaminen täytyy tapahtua 14,3 % nopeammin eikä kanavassa kulkeva virta välttämättä enää riitä vaihtamaan transistorin tilaa riittävän nopeasti. Tämän seurauksena transistori ei kykene tuottamaan sille ohjattua loogista tilaa, joka johtaa järjestelmän epävakauteen sovelluksen tai käyttöjärjestelmän tekemien virheellisten laskutoimitusten myötä.

Transistorien kanavassa kulkevan virran suuruutta voidaan kasvattaa korottamalla mikroprosessorille syötettävää käyttöjännitettä, jonka ansiosta kynnysjännite ylittyy helpommin ja transistorin tila vaihtuu nopeammin. Mikroprosessorin käyttöjännitteen korottaminen ja kellotaajuuden nostaminen eli transistorien vaihtotiheyden kasvattaminen lisäävät transistorien tuottamaa lämpöä.

Mikroprosessorin lämmöntuoton kasvaessa, sitä on jäähdytettävä tehokkaammin. FET-transistorien lämpötilakerroin on negatiivinen, joten kun sen lämpötilaa lasketaan, kanavan virta kasvaa. Tämän seurauksena hilajännite ja kynnysjännite kasvavat. Metallien, kuten mikroprosessorin johtimissa käytettävän kuparin, ominaisvastuksen lämpötilakerroin on positiivinen eli resistanssi kasvaa lämpötilan kasvaessa ja laskee lämpötilan laskiessa. Tämä tarkoittaa sitä, että mikroprosessoria jäähdytettäessä kuparijohtimissa virran suuruus kasvaa.

 

Ylikellottamisen riskit ja ongelmat

Mikroprosessorin ylikellottamiseen liittyy ongelmia ja riskejä. Kuluttajan näkökulmasta yksi suurimmista ongelmista on valmistajan tuotteelle myöntämän takuun umpeutuminen, kun mikroprosessoria käytetään valmistajan määrittelemien spesifikaatioiden ulkopuolella.

Fyysisellä tasolla mikroprosessorin toiminta valmistajan määrittelemien spesifikaatioiden ulkopuolella saattaa johtaa mikroprosessorin vaurioitumiseen eli se ei enää kykene suorittamaan sille suunniteltua tehtävää. Vauriomekanismit tapahtuvat yleensä alimmalla rautatasolla, mutta niiden vaikutukset havaitaan usein järjestelmätasolla eli tietokone ei esimerkiksi käynnisty, kun siihen kytketään virrat päälle.

Ohjelmistopuolella liian korkea kellotaajuus tai toimintalämpötila voi ilmetä sovelluksien ja käyttöjärjestelmän epävakautena, jotka saattavat johtaa esimerkiksi virheellisiin laskutoimituksiin. Tämä johtuu siitä, että transistori ei kykene vaihtamaan tilaansa liian korkeassa lämpötilassa. Virheellisten rekisteriarvojen seurauksena mikroprosessori saattaa toimia tai palauttaa laskutoimitusten seurauksena arvoja, joiden pitäisi olla mahdottomia tapahtua.

Järjestelmän luotettavuus määritellään todennäköisyydellä, jolla järjestelmä täyttää vaaditut spesifikaatiot tietyllä ajanjaksolla. Mikroprosessoreissa ei ole liikkuvia osia, joten ne kykenevät usein toimimaan luotettavasti useita vuosia etenkin lähellä huonelämpötilaa. Käytännössä nykypäivän integroidut piirit toimivat kuitenkin huomattavasti korkeammissa lämpötiloissa ja valitettavasti useimmat elektroniikkakomponentit ovat taipuvaisia vaurioitumaan, jos ne ovat pitkitetysti altistuneita liian korkealle yli spesifikaatioiden mukaiselle lämpötilalle. Jos ylikellottamisen myötä lisääntyneestä lämmöntuotosta ei huolehdita asianmukaisesti, mikroprosessorin sisälle voi syntyä jännitteitä tai venymiä, jotka saattavat aiheuttaa termomekaanisia vaurioita. Termisesti aiheutuvia jännityksiä ja venymiä syntyy mikroprosessorin sisässä esimerkiksi materiaalien eri lämpölaajenemiskertoimista ja lämpötilan gradienteista johtuen. Vuotovirrat aktiivisissa laitteissa kaksinkertaistuvat jokaisen 10 celsiusasteen lämpötilanousun seurauksena ja tietyissä olosuhteissa 10–20 celsiusasteen korotus piirin lämpötilassa voi jopa kaksinkertaistaa vikataajuuden.

Elektromigraatio määritellään suurten virrantiheyksien aiheuttamana atomien liikkeenä metallijohtimissa. Integroituun piiriin liitetyt metalliatomit, kuten kääntösirukoteloinnissa käytettävät juotokset, ovat suuren virran ”elektronituulen” vaikutuksen alaisena. Atomit altistuvat mekaaniselle voimalle, jonka seurauksena ne irtoavat fyysisesti omilta paikoiltaan. Tämä aiheuttaa metalliaukkoja johtimiin ja kun prosessi jatkuu, resistanssin laskeminen läpi johtimen lisääntyy ja johtaa lopulta elektronisen piirin avautumiseen. Elektromigraatiosta saattaa seurata katastrofaalinen vaurio laitteeseen.

 

Artikkeli perustuu osiin diplomityöstä: Mikroprosessorin ylikellottaminen. TTY Tieto- ja sähkötekniikan tiedekunta, 2010, 67 s

Sisältö

  1. Ylikellotuksen perusteet - teoria, lämmöntuotto, jäähdytys, käyttöjännite ja riskit
  2. Kellotaajuuden nostaminen
  3. Lämmöntuotto
  4. Jäähdytysmenetelmät
  5. Käyttöjännite
  6. Ylikellottamisen riskit ja ongelmat

Muropaketin uusimmat