Przypomnijmy najpierw, jak jest zbudowany procesor i jak oddaje ciepło otoczeniu.
Aktywna część układu, czyli miliony tranzystorów wykonujące wszystkie obliczenia, zajmuje stosunkowo małą powierzchnię. Większość to obudowa, która ma dwa główne zadania: po pierwsze, wyprowadzić sygnały z małego jądra krzemowego na większą powierzchnię, żeby dało się je podłączyć do płyty głównej; po drugie, ułatwić odprowadzanie ciepła z krzemowego jądra.
Jądro jest przylutowane do podłoża aktywną stroną do dołu – na jego grubość w znacznej części składa się krystaliczny krzem bez żadnych elementów. Podłoże jest wykonane z włókna szklanego oraz żywic epoksydowych i służy jako „przejściówka” między jądrem, gdzie na małej powierzchni jest skupionych mnóstwo pól kontaktowych, a podstawką, gdzie taka sama liczba pól przypada na nieco większą. Jest poprzecinane miedzianymi ścieżkami, jak mała płytka drukowana. Od spodu (czasem też od góry) montuje się elementy pasywne, głównie kondensatory stabilizujące napięcie zasilania i sygnały wejścia/wyjścia.
Jądro po przylutowaniu jest dodatkowo przyklejane do podłoża, po czym montuje się IHS – zintegrowany rozpraszacz ciepła. IHS jest zawsze zrobiony z miedzi i pokryty niklem. Z jądrem styka się przez interfejs termiczny, którego funkcję mogą pełnić różne substancje. W kilku poprzednich generacjach procesorów Intela i AMD jądro było przylutowane do IHS-a stopem indu i cyny (temperatura topnienia: około 120°C). Czasem zamiast lutowania stosuje się pastę termoprzewodzącą: tak było ze wszystkimi procesorami graficznymi Nvidii, które miały IHS, oraz procesorami Clarkdale – i tak jest teraz w Ivy Bridge. IHS jest też przyklejony wzdłuż obwodu do podłoża, co zapewnia całej obudowie sztywność i wytrzymałość na nacisk. Jest to bardzo istotne, bo metalowa ramka wokół podstawki, służąca do mocowania procesora, wywiera nacisk tylko w dwóch punktach, a cała ta siła musi być równomiernie rozłożona na całym podłożu, bo tylko wtedy wszystkie pola kontaktowe będą się dobrze stykały z pinami w podstawce.
Procesor na żyletki
Założenie eksperymentu jest proste: chodzi o to, żeby trzy bariery termiczne (pasta pod IHS-em, IHS, pasta pod schładzaczem) zastąpić jedną. To powinno przyspieszyć odbieranie ciepła i spowodować, że w trakcie największego obciążenia procesora wskazania temperatury pochodzące z wbudowanego czujnika będą niższe. Niższe wartości powinny się przełożyć na możliwość zastosowania wyższego napięcia i szybszego taktowania, zanim zabezpieczenie termiczne zacznie spowalniać procesor.
Procedura zdejmowania IHS-a jest prosta, ale wymaga dużej cierpliwości oraz zdolności manualnych i wiąże się z dużym ryzykiem. Oczywiście, jak każda mechaniczna modyfikacja sprzętu powoduje bezpowrotną utratę gwarancji. Redakcja PCLab.pl odradza naśladowanie opisanych czynności. Wykonali je profesjonaliści jako eksperyment poznawczy; jeśli nie jesteś całkowicie zaznajomiony z ryzykiem, nie zbliżaj się do procesora z żyletką!
Zdradziliśmy już, że potrzebnym narzędziem jest żyletka – taka jaką golili się Wasi dziadkowie. Należy ostrożnie przeciąć warstwę kleju na obwodzie IHS-a: podłoże oraz IHS powinny się rozdzielić po lekkim pociągnięciu.
Nie nadają się do tego nożyki modelarskie: ostrze jest za grube i spowoduje zmiażdżenie albo odkształcenie podłoża. Żyletka jest odpowiednio cienka, ale też giętka. Jeśli nie zachowa się należytej ostrożności, bardzo łatwo naciąć lub zarysować podłoże i uszkodzić zatopione w nim ścieżki. Co prawda utrata jednego z połączeń odpowiedzialnych za zasilanie nie spowodowałaby istotnych konsekwencji, ale na ogół wszystkie widoczne na powierzchni podłoża ścieżki są niezbędne do funkcjonowania procesora. Połączenia zasilające znajdują się w głębi i na spodniej stronie. Oto przykłady drobnych, lecz śmiertelnych ran odniesionych przez starszy procesor przy nieostrożnych próbach usunięcia IHS-a:
Czy to coś daje?
Po zdjęciu IHS-a montaż procesora był znacznie utrudniony. Po pierwsze, grubość układu zmniejszyła się z 4,21 mm do 1,61 mm. Niewiele schładzaczy można zamontować o 2,4 mm niżej bez modyfikacji fabrycznego systemu mocowania. Jądro procesora bez IHS-a znajduje się niżej niż metalowa ramka dociskająca procesor, więc trzeba ją zdemontować (kluczem Torx T-20), żeby podstawa schładzacza opierała się na jądrze. Sama ramka nie wywiera już żadnego nacisku na procesor, więc to schładzacz musi zapewnić odpowiedni docisk podłoża do pinów w podstawce (wg specyfikacji Intela – od 32 do 61 kilogramów-siła), najlepiej rozłożony równomiernie na całej powierzchni podłoża. Naciskanie na samo jądro spowoduje wybrzuszenie się podłoża w kierunku płyty głównej, brak styku między polami kontaktowymi a podstawką, a nawet złamanie jądra. My użyliśmy plastikowych podkładek o grubości dokładnie takiej, jaką ma krzemowe jądro.
Złożyliśmy platformę testową z płytą główną Asus Maximus V Gene, Radeonem HD 6970 i schładzaczem Prolimatech Super Mega. Schładzacz został zamontowany tak, żeby ciepłowody w podstawie przebiegały prostopadle do podłużnego jądra: w ten sposób największa ich liczba znajduje się w bezpośredniej bliskości źródła ciepła. Użyliśmy pasty termoprzewodzącej Gelid GC-Extreme. Po zamontowaniu pasta rozprowadziła się doskonale po powierzchni jądra – jej warstwa była nawet cieńsza i bardziej równomierna, niż warstwa pasty nałożonej w fabryce Intela.
Mierzyliśmy temperaturę termometrem cyfrowym w dwóch miejscach: na podstawie schładzacza, między dwoma centralnymi ciepłowodami oraz w dwóch trzecich wysokości schładzacza, blisko ciepłowodu. Zapisaliśmy też wskazania cyfrowych czujników temperatury (DTS) wbudowanych w procesor. Celowo nie podajemy przy nich jednostek, aby przypomnieć, że wskazanie DTS nie musi mieć wiele wspólnego z prawdziwą temperaturą (patrz poprzedni artykuł). Procesor w obu konfiguracjach, z IHS-em i bez niego, był podkręcony do 4600 MHz przy napięciu 1,22 V, co było najwyższą wartością stabilną i niepowodującą spowolnienia układu przez zabezpieczenie termiczne. Oto wyniki pomiarów:
| Punkt pomiarowy | z IHS-em obciążenie | bez IHS-a obciążenie | zmiana | z IHS-em spoczynek | bez IHS-a spoczynek | zmiana |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Podstawa schładzacza | 40,6°C | 38,2°C | -2,4°C | 31,6°C | 31,5°C | -0,1°C |
| Środek schładzacza | 36,8°C | 36,2°C | -0,6°C | 31,1°C | 31,1°C | 0°C |
| DTS rdzeń 0 | 79 | 79 | 0 | 45 | 44 | -1 |
| DTS rdzeń 1 | 84 | 86 | +2 | 37 | 36 | -1 |
| DTS rdzeń 2 | 82 | 83 | +1 | 40 | 40 | 0 |
| DTS rdzeń 3 | 80 | 81 | +1 | 44 | 42 | -2 |
| DTS środek jądra | 85 | 86 | +1 | 45 | 44 | -1 |
Po zdjęciu IHS-a odczyty temperatury i wskazania czujników w stanie spoczynku co prawda zmalały, ale najwyżej o 1–2 stopnie, co mieści się w granicach niedokładności sensora. Za to podczas obciążenia wskazania czujników w rdzeniach były wyższe o 1–2 stopnie! Mogło to być spowodowane różnymi czynnikami: pasta Intela może być nieco lepsza, ciśnienie montażowe po zdjęciu IHS-a jest mniejsze, możliwe też, że na wskazanie DTS ma wpływ natężenie płynącego przez procesor prądu lub częstość przerwań (to przekłamanie często występuje w architekturach Nehalem i Sandy Bridge). Nie trzeba chyba dodawać, że nie przesunęło to wymiernie granicy stabilności i spowalniania podczas podkręcania?
Podsumowanie
Zdjęcie zintegrowanego rozpraszacza ciepła wiąże się z dużym ryzykiem oraz przynosi wiele problemów z montażem procesora i systemu chłodzenia, a nie daje wymiernych korzyści. Przeciętnemu użytkownikowi ani miłośnikowi podkręcania w domowych warunkach zupełnie się nie opłaca. Być może poprawi to możliwości podkręcania ekstremalnego, tam bowiem często liczy się każdy ułamek stopnia poniżej zera. Postaramy się to sprawdzić przy najbliższej okazji.
Jeśli ktoś spodziewał się innych wyników eksperymentu, to najpewniej zakładał, że Intel nie dopracował sposobu montowania IHS-a albo celowo zmniejszył możliwości podkręcania. Okazuje się, że nic podobnego. Po prostu tak zwana gęstość mocy jądra Ivy Bridge jest zbyt duża. Z powierzchni o wiele mniejszej, niż ma jądro Sandy Bridge, wydziela się niewiele mniej ciepła; do tego przyspieszenie do ok. 4,6 GHz wymaga podniesienia napięcia o większy procent niż w Sandy Bridge.
Projektanci układów o wysokiej skali integracji, czyli zawierających tysiące (lub miliardy) tranzystorów w jednym kawałku krzemu, od dawna zmagają się ze zjawiskiem wydzielania ciepła. Jak widać na wykresie, do czasów Pentium 4 gęstość mocy (W/cm²) cały czas rosła wraz ze zmniejszającą się szerokością bramki tranzystora (CD – critical dimension). Dopiero w ostatnich paru latach zaczęto kłaść bardzo wyraźny nacisk na oszczędność energii. Warto pamiętać, że większość ciepła wydziela się ze stosunkowo małego obszaru jądra. Pamięć podręczna i układ graficzny nie nagrzewają się tak mocno jak jednostki obliczeniowe w rdzeniach x86. Większość technik oszczędzania energii w dzisiejszych procesorach polega na odłączaniu nieużywanych jednostek, a nie poskromieniu tych najbardziej prądożernych.
W miarę jak liczba tranzystorów i stopień skomplikowania układów krzemowych będą rosły, dojdziemy w końcu do momentu, gdy będzie się dało upchnąć mnóstwo tranzystorów na małej powierzchni, ale nie będzie można wszystkich naraz używać, bo będą wydzielały zbyt dużo ciepła. Na szczęście krzem jest dość dobrym jego przewodnikiem, znacznie lepszym niż pasty stosowane przez producentów (podobne do Shin Etsu X-23) lub entuzjastów:
Ale i to przestanie kiedyś wystarczać. Jak sobie z tym problemem poradzi nauka i biznes? Dowiemy się za parę generacji procesorów.