CPU和其他芯片的热力学如何处理？

我听说设计此类系统的热效率非常困难。我不确定为什么，但是我很感兴趣。

一方面，我敢打赌热量一定程度上是系统总功率的函数。另一方面，随着单个位的翻转，我想象热量会在芯片周围移动。

热量如何在芯片周围移动，这如何影响CPU的散热？是否进行了特殊补偿以适应热量的移动？

关于散热器设计的热力学的所有基本问题都在这里得到了很好的展示（请确保不要错过页面底部漂亮的CFD图片）。

这里没有介绍的是计算机机箱内部较大的流场结构。近年来，随着将CPU速度提高到3+ GHz的努力，在设计（1）管道风扇和（2）进入外壳的通风管道方面需要做更多的工作，这些通风管道可使空气快速进出机箱。 。

导管式风扇比普通风扇产生更大的推力（或移动更多的空气），因为管道在尖端周围的泄漏较少，而这恰好在径向上代表了风扇的最高速度。（这与飞机上的翼尖相似。）因此，叶尖是风扇上可以最快移动空气的位置。

关于外壳内的流道，其想法是利用喷嘴的伯努利效应来加速散热器上的流动，以便其能够尽快消除热量。对于试图达到4+ GHz以上速度的超频器来说，这尤其流行（例如，请参见http://www.overclockers.com/ducts-the-cheap-cooling-solution/）。

生产越来越快的CPU的愿望确实推动了设计更好的冷却系统的需求。没有讨论诸如液体或氮气冷却之类的话题，但是它们是尝试更有效地冷却CPU的替代方法，特别是对于5 GHz以上速度的超频（例如，请参见http://www.tomshardware.com/reviews/5- ghz-core-i7-980x-overclocking，2665.html）。

最后，我需要考虑一下……我曾经听过以10 GHz运行的CPU产生的热量相当于太阳的热量。这里有关于该主题的很好的讨论：http : //www.reddit.com/r/askscience/comments/ngv50/why_have_cpus_been_limited_in_frequency_to_around。

现代处理器芯片周围的散热系统确实很复杂，并且是设计的主要重点。出于电气和经济方面的考虑，最好将处理器中的各个晶体管缩小并相互靠近。但是，热量来自这些晶体管。有些人一直在消散，因为他们坐在那里通电。仅当它们切换状态时，才会出现另一个组件。设计处理器时，可以在一定程度上权衡这两者。

每个晶体管的耗散功率不大，但是在很小的面积上塞满了数百万（字面上）的晶体管。如果不积极主动地消除这种热量，现代处理器将在几秒钟到十秒的时间内烹饪自己。50-100 W对于现代处理器而言并不算错。现在，考虑到大多数烙铁的功率均小于此值，并以大约相同的表面积加热一大块金属。

解决方案过去是将大散热器固定在小芯片上。实际上，散热器是处理器整体设计的组成部分。封装必须能够将热能从裸片传导到外部，在这种情况下，固定在散热器上的热量可以进一步传导，并最终将其散发到流动的空气中。

由于这些处理器的功率密度越来越高，这已不再足够好。高端处理器现在包含一些主动冷却或相变系统，该系统比旧的散热器通过铝或铜进行的普通旧传导更有效地将热量从芯片转移到散热片。

在某些情况下，使用珀尔帖冷却器。这些将热量从模具主动泵送到其他地方，在该处更容易耦合到气流。这有它自己的一系列问题。珀耳帖冷却器效率很低，因此需要去除的总功率远远大于裸片所消耗的功率。但是，即使散热片最终变得更热，主动泵浦动作也可以提供帮助。这之所以可行，是因为散热片的铝或铜比半导体芯片的温度高得多。硅在约150°C时停止像半导体一样工作，实际电路需要低于此水平的工作裕度。但是，散热片可以轻松承受更高的温度。主动式热泵利用了这一差异。

过去，有处理器用流动的液氮冷却。对于采用当今技术的普通台式PC，这没有经济意义，但自计算机诞生以来，热量管理已成为计算机设计的重要组成部分。即使在1950年代，也必须仔细考虑使所有这些真空管彼此融化。