Wewnętrzne grzałki komputera
Jak powszechnie wiadomo, elementami, które w pececie nagrzewają się najbardziej, są układy scalone, a w szczególności złożone z setek milionów tranzystorów i pracujące z dużymi częstotliwościami procesory oraz kości graficzne. Do znacznych temperatur potrafią też się nagrzać chipset oraz wydajne kości pamięci, zwłaszcza moduły GDDR3, montowane na kartach graficznych. Do ogólnego bilansu wydzielanego ciepła przyczyniają się również w znacznej mierze dyski twarde oraz elektroniczne podzespoły zasilacza.
Większość układów scalonych przystosowana jest do pracy w tzw. warunkach przemysłowych, a więc w temperaturze nieprzekraczającej 60 stopni Celsjusza (czasami nieco wyższej w zależności od klasy termicznej, do której należy dany podzespół). Przemysłowe elementy elektroniczne są tak projektowane, aby wytrzymać odpowiednio temperatury 60, 70, 75, 80, 85 i 95 stopni. Mimo to przyjmuje się, że w przypadku sprzętu domowo-biurowego, a zatem również komputerów, temperatura wewnątrz obudowy powinna być utrzymywana na poziomie 30-40°C i absolutnie nie może przekraczać 55°C. Takiemu reżimowi termicznemu podporządkowane są stosowane w pecetach systemy chłodzące i pod kątem zapewnienia tego odpowiedniego zakresu temperatur planowany jest też obieg powietrza.
Oczywiście część podzespołów, takich jak przede wszystkim procesory i karty graficzne, pracuje przy znacznie wyższych wartościach wydzielanego ciepła (radzą sobie nawet ze 100°C), ale tak wysoka temperatura występuje jedynie lokalnie, a nie w całym wnętrzu obudowy. Wspomniane 55 stopni Celsjusza dotyczy zatem uśrednionej temperatury w środku peceta. Co więcej, normy termiczne dotyczące sprzętu powszechnego użytku dopuszczają też znacznie wyższe miejscowe wartości temperatur, pod jednym wszakże warunkiem – znajdujące się obok podzespoły muszą być dostosowane do pracy w tych wyższych temperaturach.
Skąd tyle ciepła
Niestety, tylko niewielka część dostarczonej do układu scalonego energii zużywana jest na przełączanie tranzystorów i wykonywanie operacji logicznych. Gros prądu zamienia się w ciepło. Co gorsza, z im większej liczby tranzystorów składa się i z im większą częstotliwością działa układ, tym więcej wydziela ciepła. Najnowsze procesory i karty graficzne potrafią emitować nawet do 120 dżuli energii termicznej.
Gdy na obudowie układu temperatura dochodzi do 75-95°, w jego wnętrzu może ona wynosić nawet 140 stopni. Tak wysoka temperatura zagraża procesorowi czy karcie graficznej. Trzeba pamiętać, że przy 150°C krzem zaczyna przewodzić prąd w podobny sposób jak metal. Jeżeli układ nagrzeje się zatem do tej temperatury krytycznej, to wszystkie tranzystory zostaną na nim zwarte i znikają zaprojektowane przez konstruktorów struktury logiczne. W rezultacie procesor czy GPU przestają po prostu działać, a uszkodzenia są nieodwracalne.
Co więcej, wraz ze wzrostem temperatury rośnie również liczba elektronów biorących udział w przewodzeniu prądu elektrycznego w półprzewodniku, a więc ze wzrostem temperatury zmniejsza się wartość napięcia przebicia dla krzemowej struktury. Dlatego przy podkręcaniu procesorów, modułów pamięci czy kart graficznych należy bardzo ostrożnie manipulować napięciem zasilającym. Wynika to stąd, że przetaktowany i jednocześnie przegrzany układ jest bardzo podatny na uszkodzenia elektryczne.
Warto też wiedzieć, że wysoka temperatura szkodzi układom scalonym, nawet jeśli nie osiągnęła temperatury krytycznej półprzewodnika. Szkodliwość zbyt dużej temperatury wynika z samej technologii produkcji układów scalonych. Otóż, jak zapewne część Czytelników pamięta (patrz: “$(LC58940:Fabryka mikrometrów)$”), aby otrzymać na powierzchni krzemu tranzystory, w miejscach, w których będą się one znajdować, dodaje się atomy innych pierwiastków – m.in. fosforu, arsenu, galu i indu. Następnie atomy tych domieszek wnikają w głąb krzemu (to zjawisko fizyczne nazywa się dyfuzją), a robią to tym szybciej, im wyższa jest właśnie temperatura otoczenia.
Jeżeli teraz podczas pracy układ scalony nagrzeje się zbyt mocno, to zacznie w nim zachodzić niepożądany proces tzw. dyfuzji wtórnej. Dodatkowo jest on przyspieszany za sprawą zjawiska elektromigracji, czyli przyspieszania prędkości wędrówki atomów domieszek w obecności pola elektrycznego, które wytwarzają m.in. tranzystory. Jeśli teraz domieszki “rozejdą” się poza wyznaczony obszar tranzystora, wówczas przestanie on działać i dojdzie do trwałego uszkodzenia całego układu scalonego – a żadna kość nie ma przecież elementów zapasowych. Wystarczy, by jedna bramka logiczna przestała działać, i całość można wyrzucić wówczas do kosza!
Pierwsza linia obrony
Aby zapobiec termicznym uszkodzeniom układów scalonych, już na etapie produkcji wprowadza się do nich technologie mające przeciwdziałać uszkodzeniom. Po pierwsze, przy produkcji procesorów, pamięci czy GPU tak przygotowuje się strukturę krzemową, by w zakresie temperatur normalnej pracy układu (patrz: “$(LC164714:Jak temperatura skraca czas życia elementów komputera)$”) dyfuzja wtórna była jak najmniejsza. Po drugie, konstruktorzy zabezpieczają układy, wykorzystując diody termiczne, które wyłączają zbyt gorący układ, albo też mechanizmy spowalniające jego pracę.
Powyższe zabezpieczenia stosują wszyscy producenci układów scalonych. Najpopularniejsze są diody termiczne. Znajdziemy je m.in. w jednostkach centralnych AMD Athlon 64, układach graficznych Nvidii i ATI oraz w procesorze dźwiękowym X-Fi Creative’a. Działanie diody termicznej jest wyjątkowo proste – odcina ona zasilanie przegrzanego układu, gdy tylko temperatura przekroczy zadaną przez konstruktorów wartość. Urządzenia nie da się ponownie włączyć, jeśli wystarczająco nie ostygnie. Niestety, wadą takiej techniki zabezpieczenia przed przegrzaniem jest to, że w chwili odłączenia zasilania tracimy wszystkie dane, nad którymi pracowaliśmy.
Nieco bardziej finezyjna jest druga technologia, wykorzystywana między innymi przez Intela w procesorach z serii Pentium 4, Pentium D, Celeron, Celeron D i Xeon. W chwili gdy temperatura układu rośnie powyżej krytycznego poziomu (ok. 70-80 stopni wewnątrz obudowy CPU), kość zmniejsza swoją częstotliwość pracy, tak by jednostka centralna zbytnio się nie nagrzewała. Po ochłodzeniu procesor wraca do swojego nominalnego zegara. Zaletą tej metody zabezpieczenia przed przegrzaniem jest to, że nie stracimy danych w trakcie pracy, wadą zaś są widoczne – zwłaszcza podczas działania wymagającego programu – wahania wydajności. Oczywiście wahania takie nie będą występowały w komputerze, w którym system chłodzenia działa prawidłowo!
