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.

Sandy Bridge Ivy Bridge Haswell Skylake
Год анонса 2011 2012 2013 2015
Тех.процесс 32 22 22 14
Площадь, мм2 216 160 177 122
TDP, Вт 95 77 84 65/91
Тепловой поток, Вт/мм2 0,44 0,48 0,47 0,53/0,75

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.

Bloomfield Gulfton Sandy Bridge-E Ivy Bridge-E Haswell-E Piledriver
Год анонса 2009 2011 2012 2013 2014 2012
Тех.процесс 45 32 32 22 22 32
Площадь, мм2 263 239 435 256 356 315
TDP, Вт 130 130 150 130 140 125/220
Тепловой поток, Вт/мм2 0,49 0,54 0,34 0,51 0,39 0,39/0,69

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

0 logo low

Copyright © by ServersTech.ru, 2015-2020. Копирование запрещено.
Коммерческие предложения, сотрудничество и реклама: cooperation@serverstech.ru
Предложения, вопросы и пожелания читателей: readership@serverstech.ru
Copyright © 2015-2020 ServersTech.ru. Все права сохранены
Copyright © 2015-2020 ServersTech.ru. All rights reserved