Блог

Тепловой поток в современных процессорах и проблема локального перегрева

В Сети который год можно увидеть комментарии к обзорным материалам по новым процессорам о тепловом потоке, локальном перегреве и прочих прелестях "тонких" тех.процессов и маленьких кристаллов. При анонсе процессоров Haswell эти разговоры разгорелись с еще большей силой, а уж использование термопасты под крышкой процессора подлило масло в огонь.

Но это всё, так сказать, лирика. Давайте посмотрим на проблему со стороны реальных чисел.
Возьмем для исторической справки и для анализа развития проблемы теплового потока следующие микроархитектуры: Sandy Bridge, Ivy Bridge, Haswell, Skylake. Сразу стоит сказать, что Broadwell был дисквалифицирован, так как перечисленные микроархитектуры имеют встроенное графическое ядро GT2 (правда разных поколений). В то время как десктопные процессоры Broadwell оснащаются топовой графической системой и памятью eDRAM с объемом 128 МБ, что "портит" показатель площади в случае использования GT4e, а TDP в случае eDRAM. Также следует отметить, что в отличие от перечисленных процессоров (и архитектур), которые имеют объем LLC 8 МБ, Broadwell имеет всего лишь 6 МБ.
Таким образом, архитектуры Sandy Bridge, Ivy Bridge, Haswell, Skylake схожи своей конфигурацией, а именно: 4 ядра, наличие встроенного графического ядра, двухканальный контроллер памяти, 8 МБ LLC.
Посмотрим на таблицу.

Смотря на представленную таблицу, можно сказать следующее:
- переход на новые тех.процессы повышает тепловой поток, так как площадь в большей мере уменьшается, чем TDP;
- в целом, тепловой поток растет: только в случае с Ivy Bridge это было не так очевидно - сказались FinFET-транзисторы, позволившие значительно сократить TDP. А вот переход с 22 нм на 14 нм не имел за своей спиной подобных технологий, обеспечивающих такой технологический рывок - обе архитектуры используют FinFET-транзисторы;
- процессоры Skylake-K c TDP 91 Вт существенно повысили интенсивность теплового потока, достигнув величины 0,75 Вт/мм² - а это уже на 59% больше, чем у Haswell. В тоже время "заблокированные" Skylake увеличили показатель теплового потока лишь на 13%.
Таким образом, налицо увеличение интенсивности теплового потока и это несмотря на то, что TDP с 2011 года сократилось с 95 до 65 Ватт (если говорить про "гражданские" Skylake) - Интел обосновывает это повышением энергоэффективности и прочими "мобильными штучками". Но на снижение TDP можно посмотреть и с другой стороны - Intel подбирает TDP не с точки зрения энергоэффективности и прочих маркетинговых заявлений, а исходя из показателя теплового потока. Проверим, возможна ли такая гипотеза: установим TDP для Ivy Bridge, Haswell, Skylake на уровне Sandy Bridge - 95 Ватт. Получим: 0,59, 0,54, 0,78 Вт/мм² соответственно, в то время как реальные цифры - 0,48, 047, 0,53 Вт/мм² соответственно. То есть реальные цифры, во-первых, меньше, чем гипотетические, во-вторых, находятся примерно на одном уровне, в-третьих, с уменьшением площади при переходе на более тонкие технологические нормы производства Интел всегда уменьшает TDP (это видно по переходам Sandy Bridge-Ivy Bridge и Haswell-Skylake), а с увеличением площади - поднимает (это видно по Ivy Bridge-Haswell), и в-четвертых, выпускать постоянно процессоры с одним и тем же показателем TDP логичнее - это одинаковые требования как к силовым цепям, так и к системе охлаждения из поколения в поколение. Тем не менее, реальные цифры показывают, что уровень теплового потока, несмотря на эти изменения (площади и TDP), остается примерно в одном диапазоне (несколько увеличиваясь)... Но сейчас не об этом, запомним эти цифры, так как они еще нам понадобятся.
Теперь возьмем эволюцию топовых процессоров Интел без интегрированной графики. При этом у них будет разное количество процессорных ядер - с другой стороны количество исполнительных блоков в интегрированных графических ядрах тоже росло с каждым поколением в прошлых процессорах.
Посмотрим на таблицу.

Посмотрим на таблицу, и вспомним прошлые цифры - и снова наблюдаем, что компания Интел пытается не превышать тепловой поток в 0,50 Вт/мм². Причем AMD - тоже. Их топовые процессоры FX-8370 показывают тепловой поток на уровне 0,39 Вт/мм², причем процессоры Интел выпущенные в том же году - 0,34 Вт/мм². Версия Piledriver для энтузиастов с TDP 220 Ватт показывает тепловой поток на уровне 0,69 Вт/мм², что достаточно близко к тепловому потоку Skylake с разблокированным множителем. Смотря же на общую температуру по больнице - большие кристаллы без интегрированной графики чувствуют себя лучше, чем 4-ядерные процессоры с интегрированной графикой. На основании этого можно сделать вывод, что, в целом, кристалл с большей площадью лучше, чем маленький. То есть, компании Интел необходимо наращивать либо количество процессорных, либо графических ядер, чтобы увеличить площадь кристалла, что позволит снизить показатель теплового потока. И как показывает практика, Интел именно это и делает - увеличивает размер графического ядра. Причем следует заметить, что выпуск Broadwell с большим графическим ядром GT4e с такой точки зрения весьма логично смотрится. Также как и логично вписывается тогда и увеличение количества процессорных ядер в ЦП без интегрированного графического ядра.
А теперь вернемся в историю... и вспомним так "любимые" многими Pentium 4 Prescott: TDP процессоров в зависимости от модификации колебалось от 89 до 103 Ватт, а площадь была 112 мм², что дает нам...0,79-0,92 Вт/мм². Не это ли разгадка "горячего нрава" Pentium 4 Prescott? Заметьте показатель TDP всего 103 Ватта, что по сравнению с Haswell-E со 140 Ваттами...
А что было после? Conroe с площадью 143 мм², при этом TDP двухъядерных моделей достигало 65 Ватт, а топовый X6800 имел 75 Ватт. Это дает нам...0,45 Вт/мм² и 0,52 Вт/мм² соответственно. Опять около 0,50... причем, вспомните, что у X6800 частота была всего лишь 2,93 ГГц и разгон позволял значительно ее поднять, то есть частота, назначенная Интел, не продиктована частотным потолком, и уж тем более показателем TDP, который впоследствии был увеличен в архитектурах Nehalem и Sandy Bridge.
Таким образом, эволюция процессоров Интел и их репутация в целом сходится с показателем теплового потока. Но перед тем, как перейти к заключению сделаем поправки и дополнения:
- во-первых, показатель TDP не характеризует энергопотребление и тепловыделение процессора напрямую. Данный показатель характеризует требования к процессорному кулеру, то есть к системе охлаждения. Но поскольку требования к системе охлаждения разрабатывают на основе тепловыделения процессора, то примерную картину понять по нему можно;
- необходимо понимать, что посчитанный тепловой поток является лишь теоретической величиной, так как разные функциональные блоки процессора имеют разное тепловыделение: блоки FPU и SIMD, как правило, самые горячие, а кэш последнего уровня значительно холоднее их. То есть тепловой поток в разных точках процессора имеет разную величину, посчитанный же показатель показывает усредненное значение.
- необходимо также брать во внимание утонение технологического процесса производства - это важно. Так как уменьшение размеров транзисторов приводит в конечном итоге к уменьшению функциональных блоков, в том числе и FPU и SIMD. Что значительно увеличивает тепловой поток в области данных блоков.
- и последнее: размер кристалла может увеличиваться, но это увеличение, как правило, происходит за счет увеличения количества ядер, интегрирования компонентов (ИКП, графическое ядро и т.д.), а также за счет увеличения емкости кэша. Что вкупе с предыдущим пунктом дает нам следующую картину: площадь кристалла может увеличиваться даже при переходе на более тонкие технологические нормы производства, но при этом сами функциональные блоки становятся всё меньше и меньше. То есть, даже сохраняя площадь на одном уровне, функциональные блоки с каждым новым тех.процессом будут уменьшаться, что будет осложнять задачу отведения тепла от них.
Исходя из всего выше перечисленного, важным является не только то, что тепловой поток в целом увеличивается, а то, что локальный тепловой поток различных функциональных блоков может вызывать локальный перегрев...
В следующей части мы рассмотрим тепловые потоки больших кристаллов, а именно, на примере серверных процессоров.
Другие материалы по теме