domingo, 11 de enero de 2009

Pasta térmica y transferencia de calor II. Actualizado - ProfessionalSAT

Como continuación del artículo anterior en el presente ilustraré el concepto de hot-spot y su importancia para la correcta aplicación de la pasta térmica.

Hot-spots o "puntos calientes" en procesadores

Image3 Hot spots en el die de un procesador real, termografía infrarroja (IR) en blanco y negro.

En la imagen anterior el blanco corresponde a las mayores temperaturas, como vemos, podemos observar 4 hot-spots con temperaturas rondando los 70 - 74ºC.

Image2Hot spot en un chip IBM Power5 multicore.

En cambio en este caso observamos sólo un hot spot. Está claro que casi toda la emisión térmica en este procesador bajo esta carga de trabajo recae en su parte inferior izquierda.

Los hot spots y la pasta térmica

Toda esta teoría está muy bien, pero ahora veremos como afecta al diseño de nuestros sistemas y el porqué me extiendo hablando de ellos, a parte de, porque simplemente me apasionan estos temas ...

La pasta térmica debe cubrir con una finísima película y sin resquicio alguno para el aire las principales zonas productoras de calor de nuestros procesadores. Para conocer cuáles son los hot-spots de nuestras CPUs debemos conocer qué hay debajo del heat spreader de nuestra CPU.

Caso 1 – Procesadores SIN heat spreader

Sean Intel o AMD (u otros) no haré distinción alguna entre ellos. Lo importante en este tipo de CPUs es cubrir totalmente el die (el procesador en sí) con una fina capa de compuesto térmico.

Procesadores Intel con die desnudo (Pentium III S370 y CPUs de portátiles e Intel Atom)

Procesadores AMD con die desnudo (Athlon, Athlon XP y CPUs de portátiles)

Otros procesadores sin heat-spreader

GPUs (excepto algunas nVidia con heat-spreader)

Otro tipo de dies desnudas (chipsets, ...)

A64vsA64X2

Dies desnudos de un Athlon64 X2 y Athlon64 sin heat-spreader encontrados en portátiles.

25342b-0327464A_3

Athlon XP en versión de 180 nm (Palomino 256 KB) y 130 nm (Barton 512 KB)

Atom

coreDuoIntel Atom e Intel Yonah (CoreDuo), ambos dies desnudos.

Procesadores CON heat-spreader

Intel Pentium 4 single core S478 o S775 (Willamette, Northwood, Prescott y Cedar Mill cores)

Intel Core2Duo dual core S775 (núcleos Conroe 65 nm y Penryn 45 nm)

AMD Athlon64 single core S754 / S939 / AM2 (130 nm y 90 nm)

AMD Athlon64 X2 dual core S939 / AM2 (90 nm y 65 nm)

AMD Phenom X4 quad core AM2+ (65 nm core Barcelona)

AMD Phenom X3 triple core AM2+ (65 nm core Barcelona)

AMD Athlon X2 serie 7000 dual core AM2+ (65 nm core Barcelona)

Es un caso sencillo, pues estos procesadores poseen una buena simetría cuadrada y están centrados sobre el heat-spreader. La aplicación ideal de la pasta térmica consiste en una pequeña cantidad (un grano y medio de arroz) en el centro geométrico del heat-spreader.

cedarmill-nocap[1]Procesador Pentium 4 Cedar Mill 65 nm single core 2 MB sin el heat spreader.

No debemos extender la pasta térmica, se repartirá sola formando un circulo centrado baja la presión del disipador de CPU.

Una vez montado y asegurado el disipador se recomienda hacer un pequeño (muy pequeño) giro en ambos sentidos del disipador sobre el procesador para asentar la pasta y eliminar posibles cavidades de aire.

PIC01477

  • Intel Pentium D serie 800 dual core S775 (90 nm Smithfield core)
  • Intel Pentium D serie 900 dual core S775 (65 nm Presler core)

El Pentium D dual core serie 800 de 90 nm de Intel es un die Smithfield compuesto de dos procesadores Prescott con 1 MB de L2:

smithfield-b Die Intel Smithfield dualcore 90 nm con dos L2 de 1 MB.

presler[1]Presler 65 nm con dos L2 de 2 MB es un MCM, dos dies Cedar Mill en un chip.

Debido a su peculiar geometría, en ambos casos deberemos colocar una fina línea vertical de compuesto térmico como indico debajo (ojo a la marca de la esquina inferior izquierda):

Pasta_smithfield intel_dual-core

Geometría del Intel Pentium D.

El grueso de la disipación térmica se emitirá en el eje vertical, con mayor potencia en el lado derecho (donde están los núcleos de ejecución). Las cachés están a la izquierda y disipan comparativamente muchos menos W/cm2.

Para los amantes de la micro arquitectura, dies de Smithfield 90 nm y Presler 90 nm:

smithfield_presler_die

Smithfield versus Presler a escala.

En la transición de 65 a 45 nm, se notó (mucho) la disminución de tamaño gracias a la migración de 90 a 65 nm pese al aumento de caché.

  • Intel Core2Quad serie 6000, 8000 y 9000 S775 (núcleos Conroe 65 nm y Penryn 45 nm)

El Intel core2 Quad es un MCM compuesto de dos dies Conroe 65 nm (en la serie 6000) o Penryn 45 nm (en la serie 9000) dispuestos horizontalmente.

core-2-quadro-425[1]intel-core-2-quad-q6600-cpus1

Aquí podemos ver el primer C2Quad (serie 6000) basado en dies Conroe de 65 nm.

En este caso la mejor manera de distribuir la pasta térmica es en una delgada línea horizontal (atención a la marca de la esquina inferior izquierda, en cada placa puede ir colocado de otra manera).

 Pasta_core2quad

La disipación de calor se concentrará en el eje horizontal por encima de la línea trazada, ya que ahí están los cuatro núcleos Core2, en cambio, debajo se sitúan las dos L2 compartidas de 4 o 6 MB de capacidad con disipaciones insignificantes relativamente a los cores en este excelente diseño de Intel derivado de su línea de chips móviles Centrino.

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Como vemos, el procesador Core i7 tiene una forma rectangular y va posicionado a lo largo del chip. De este modo, la pasta la debemos poner en una fina línea horizontal a lo largo del chip:

i7-art-2[1]

Posición real del die Nehalem en el procesador Core i7.

core_i7_core_2

Colocación pasta térmica en Core i7.

El grueso de la disipación térmica se emitirá en el eje horizontal, con mayor densidad térmica en la zona superior (donde están los núcleos de ejecución y las cachés privadas L1 y L2). La caché L3 de 8 MB compartida está bajo la línea y son muy poco disipativas debido a su diseño de bajo consumo con celdas de 6T.

En los Core i7 y futuros Core i5 hay que tener especial cuidado puesto que al incorporar SMT (HyperThreading) tienen hot spots más agresivos con densidades térmicas más elevadas. Estos hot spots están situados sobre los núcleos de ejecución y especialmente en las unidades de enteros (integer units).

Suponiendo que la orientación del die en el nuevo procesador de AMD basado en el núcleo Shanghai de 45 nm con 6 MB de L3 sea la misma que en el AMD Barcelona 65 nm (Phenom) la mejor opción es una pequeña cantidad en el centro geométrico del heat spreader (sobre un grano y medio de arroz) o rizando el rizo una pequeña´línea vertical" para ajustarnos mejor a la geometría del die.

Shanghai

Wafer de dies Shanghai AMD 45 nm.

Phenomii amd_01[1]

Simetría del nuevo Phenom II 45 nm Shanghai.

El grueso de la disipación térmica se emitirá en el eje vertical, con mayor potencia en la zona superior donde se encuentran los cuatro núcleos con sus cachés privadas L1 y L2. La caché L3 de 6 MB está situada en la parte inferior y disipa comparativamente muchos menos W/cm2.

Hasta la próxima ...

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