試述CPU溫控技術(shù)的分析及其對(duì)策

1、試述CPU溫控技術(shù)的分析及其對(duì)策    摘 要本文通過(guò)對(duì)CPU升溫原理的分析，列出當(dāng)前幾種主要的溫控技術(shù)，并對(duì)它們的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，同時(shí)探索了各種不同的抑制CPU升溫或者降溫的措施，最后給出對(duì)CPU各種不同降溫措施的評(píng)價(jià)。 關(guān)鍵字處理器；動(dòng)態(tài)功耗；溫度監(jiān)控 1引言 隨著CPU集成度和運(yùn)行速度的不斷提高，其功耗也越來(lái)越大，導(dǎo)致CPU的運(yùn)行溫度越來(lái)越高，并成為CPU技術(shù)發(fā)展的瓶頸。CPU的溫升不僅影響CPU技術(shù)的進(jìn)一步快速發(fā)展，而且直接影響CPU的穩(wěn)定性和使用壽命。 如何抑制CPU的溫升和迅速降低CPU的溫度成為CPU設(shè)計(jì)和使用的一個(gè)重點(diǎn)。 CPU設(shè)計(jì)者主要

2、從體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、集成電路半導(dǎo)體材料選擇、CPU內(nèi)功能電路布局、CPU幾何尺寸等方面把握CPU的理論功耗和表面散熱途徑。CPU在完成設(shè)計(jì)并成為產(chǎn)品以后，在使用的過(guò)程中，它的實(shí)際功耗和散熱效率會(huì)因不同的使用環(huán)境而有所不同。CPU的使用環(huán)境包括周圍溫度、氣壓、通風(fēng)、供電電壓、時(shí)鐘頻率、散熱措施、負(fù)荷特點(diǎn)等。本文重點(diǎn)討論各種溫控技術(shù)，并且給出解決降溫的各種措施。 2影響CPU溫升的因素 CPU的溫升取決于兩大方面，一個(gè)方面是CPU工作不斷產(chǎn)生的熱量累積；另一個(gè)方面是對(duì)CPU產(chǎn)生的熱量的導(dǎo)散。熱量增加和散熱不暢都會(huì)導(dǎo)致CPU的溫度上升，并造成對(duì)CPU的損傷。 CPU的熱量來(lái)源于它的功耗，根據(jù)CPU功耗與

3、供電電壓和工作頻率的關(guān)系可以看到供電電壓和工作頻率是影響CPU溫升的兩個(gè)重要因素。 CMOS電路CPU的動(dòng)態(tài)功耗為P = CV2f，其中C表示電路負(fù)載大小，V表示供電電壓，f為工作頻率?？梢?jiàn)工作頻率f與芯片的動(dòng)態(tài)功耗成線性正比例關(guān)系，供電電壓V的平方與芯片的動(dòng)態(tài)功耗成線性正比例關(guān)系，對(duì)于一顆CPU來(lái)說(shuō)，電壓越高，時(shí)鐘頻率越快，則功率消耗越大。因此，在能夠滿足功能正常的前提下，盡可能選擇低電壓工作的CPU能夠在總體功耗方面得到較好的效果。對(duì)于已經(jīng)選定的CPU來(lái)講，降低供電電壓和工作頻率，也是一條節(jié)省功率的可行之路。 3CPU的溫控技術(shù)145 3.1外部溫度監(jiān)控技術(shù) 對(duì)CPU溫度監(jiān)控通過(guò)“外部監(jiān)測(cè)

4、”措施即通過(guò)主板CPU插座下面的熱敏電阻來(lái)監(jiān)測(cè)CPU工作時(shí)的溫度。CPU插座內(nèi)采用立式或貼片式的熱敏電阻。整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程全部是由主板來(lái)負(fù)責(zé)，熱敏電阻直接將所監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)傳給主板上的溫控電路，如果監(jiān)測(cè)到CPU的工作溫度超過(guò)在BIOS中的預(yù)設(shè)值時(shí)就會(huì)自動(dòng)斷電關(guān)機(jī)或報(bào)警。采用此種方式的優(yōu)點(diǎn)是體積小、價(jià)格低，使用方便，不過(guò)在監(jiān)控處理器溫度時(shí)明顯存在缺陷，比如用此類監(jiān)測(cè)方式得到的溫度往往是CPU底面的溫度，而不是內(nèi)核溫度，溫度讀數(shù)是由監(jiān)控芯片根據(jù)溫敏電阻的阻值變化計(jì)算得出，而且此類接觸式測(cè)試受外部環(huán)境影響較大。如果熱敏電阻與微處理器接觸不夠緊密，微處理器的熱量不能有效地傳送到，所測(cè)量溫度會(huì)有很大誤差。有些

5、主板上采用SMD貼片熱敏電阻去測(cè)量微處理器溫度，其測(cè)量誤差比直立式熱敏電阻誤差更大，因?yàn)檫@種貼片元件很難緊密接觸到微處理器。故此類CPU溫控結(jié)果誤差性極大、反應(yīng)不靈敏，所得結(jié)果僅僅只供參考。這就帶來(lái)了一個(gè)十分嚴(yán)重的問(wèn)題表面溫度不能及時(shí)反映微處理器核心溫度變化，從而形成一個(gè)時(shí)間滯后的問(wèn)題。因?yàn)楹诵臏囟茸兓笠?jīng)過(guò)一段時(shí)間才能傳送到微處理器表面。相比之下，表面溫度反應(yīng)十分遲鈍，其升溫速度遠(yuǎn)不及核心溫度，當(dāng)核心溫度發(fā)生急劇變化時(shí)，表面溫度只有“小幅上揚(yáng)”。 Pentium 4和Athlon XP等最新的微處理器，其核心溫度變化速度達(dá)3050/s，核心溫度的變化速度越快，測(cè)量溫度的延遲誤差也越大。在

6、這種背景之下，如果再以表面溫度作為控制目標(biāo)，保護(hù)電路尚未做出反應(yīng)，微處理器可能早已燒壞。因此曾提出 “Temperature Offset Correction”(溫度偏差修正)的CPU內(nèi)核心溫度監(jiān)測(cè)溫度修正方案來(lái)糾正此種CPU溫控所帶來(lái)的偏差。所謂“溫度偏差修正”就是指當(dāng)系統(tǒng)采用外部測(cè)量法時(shí)，必須在測(cè)量結(jié)果的基礎(chǔ)上增加一個(gè)溫度偏差值：即BIOS中顯示的溫度值=實(shí)際測(cè)試值+溫度偏差值。這個(gè)偏差值由主板熱敏電阻、臨界溫度等因素來(lái)決定，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)定以后它就是一個(gè)常量(通過(guò)刷新BIOS可以改變這個(gè)值)。這些措施在一定程度上可以減小誤差值。但是，問(wèn)題仍不能得到根本性解決，比如對(duì)于突發(fā)事件(如風(fēng)扇脫落)所

7、帶來(lái)的溫度急劇提升完全不能及時(shí)做出反應(yīng)。為此我們考慮采用內(nèi)部溫控技術(shù)。 3.2 內(nèi)部溫控技術(shù) 針對(duì)外部溫度監(jiān)控技術(shù)的不足， CPU廠商在CPU內(nèi)核里面加入了一個(gè)專門用于監(jiān)測(cè)CPU溫度的熱敏二極管，將CPU溫度來(lái)引了“內(nèi)部溫控”時(shí)代。在這里整個(gè)處理器溫度監(jiān)控系統(tǒng)可分為外部控制型和內(nèi)部控制型兩種基本結(jié)構(gòu)。外部控制型監(jiān)控系統(tǒng)，其實(shí)就是主板的溫度監(jiān)控電路，它有三種基本存在形式一種是采用獨(dú)立的控制芯片，這些芯片除了處理溫度信號(hào)，同時(shí)還能處理電壓和轉(zhuǎn)速信號(hào)；第二種形式是在BIOS芯片中集成了溫度控制功能；第三種形式是南橋芯片中集成溫度控制功能，目前新一代南橋芯片都有溫度監(jiān)控功能。而內(nèi)部控制型監(jiān)控系統(tǒng)則是指

8、CPU內(nèi)核心中整合的熱敏二極管，這個(gè)熱敏二極管的正負(fù)兩極作為CPU兩個(gè)針腳直接來(lái)通過(guò)主板CPU插座和主板的溫度監(jiān)控電路相連。 在整個(gè)監(jiān)控過(guò)程中，當(dāng)CPU工作時(shí)，熱敏二極管就將感應(yīng)到的數(shù)據(jù)變化傳輸給主板的溫控電路，由主板的一個(gè)特定邏輯運(yùn)算電路通過(guò)所接收到的數(shù)據(jù)計(jì)算出CPU的內(nèi)核溫度，如果計(jì)算出來(lái)的溫度高于預(yù)設(shè)溫度警戒線時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)在瞬間切斷CPU核心電壓，使CPU停止工作并讓系統(tǒng)掛起來(lái)，從而可以很好地保護(hù)CPU不被燒毀。P2、P3及Athlon XP處理器都是采用了此種技術(shù)。這種方法反饋回來(lái)的溫度并不是很準(zhǔn)確，往往要比CPU核心溫度低5度左右。為防止它的處理器過(guò)熱燒毀推出了S2K 總線斷開(kāi)技

9、術(shù)：即當(dāng)處理器內(nèi)核溫度過(guò)高時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出一個(gè)HALT指令(HALT 改指令的意思是在沒(méi)有要處理的指令和數(shù)據(jù)時(shí)將處理器掛起)，當(dāng)CPU接收到HALT指令時(shí)，處理器會(huì)轉(zhuǎn)到相應(yīng)的等待模式，這種模式只需要消耗較小的功率。 通過(guò)在CPU內(nèi)核整合熱敏二極管來(lái)控溫已經(jīng)是一種能很準(zhǔn)確監(jiān)控CPU核心溫度的方法了，而且配合主板的溫控電路就能即時(shí)保護(hù)過(guò)熱的CPU，使其不至于在風(fēng)扇突然停轉(zhuǎn)或意外脫落時(shí)CPU被燒掉。但此類內(nèi)部溫控技術(shù)存在一個(gè)弊端，那就是在CPU溫度過(guò)高時(shí)通過(guò)直接關(guān)閉電腦來(lái)達(dá)到保護(hù)的目的，這樣會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)因?yàn)槲茨芗皶r(shí)保存而丟失，忽略了數(shù)據(jù)的價(jià)值往往要比一個(gè)CPU的價(jià)值要高的可能性。而且熱量不穩(wěn)定可能導(dǎo)致系

10、統(tǒng)不穩(wěn)定，如果電腦死機(jī)或程序進(jìn)入死循環(huán)，就會(huì)失去監(jiān)控作用，也就無(wú)法保護(hù)微處理器了。 3.3熱量控制電路 為彌補(bǔ)第一代內(nèi)部溫度監(jiān)控技術(shù)的不足，Intel在Northwood核心P4中引入了第2代內(nèi)部溫度監(jiān)控技術(shù)熱量控制電路(Thermal Control Circuit，英特爾又將它命名為熱量監(jiān)視器(Thermal Monitoring)。P3、Athlon XP的溫控電路的特點(diǎn)是內(nèi)部?jī)H擁有一個(gè)熱敏二極管不同，而Northwood核心P4的熱量控制電路擁有兩套熱敏二極管。其中一套熱敏二極管偵測(cè)CPU的溫度值并傳輸給主板上的硬件監(jiān)控系統(tǒng)，這套裝置像傳統(tǒng)的內(nèi)部溫控技術(shù)一樣通過(guò)關(guān)閉系統(tǒng)來(lái)保護(hù)CPU，不

11、過(guò)只是在緊急情況才會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。第二套熱敏二極管放置在CPU內(nèi)核溫度最高的部位，幾乎觸及ALU單元，并作為熱量控制電路的一個(gè)組成部分。在CPU工作中，這兩套熱敏二極管的電阻會(huì)因溫度而變化，因此通過(guò)它的電流也會(huì)隨著CPU的核心溫度而變化，通過(guò)與內(nèi)設(shè)參考電流的比較，系統(tǒng)能夠判斷當(dāng)前電流是否達(dá)到了臨界點(diǎn)。如果CPU最熱的地方超過(guò)一定值，第二套熱量溫控裝置會(huì)發(fā)送一個(gè)PROCHOT#信號(hào)使熱量控制電路系統(tǒng)開(kāi)始工作，通過(guò)減小CPU的負(fù)載來(lái)降溫，其實(shí)這套熱敏二極管起到波動(dòng)調(diào)節(jié)作用。Pentium 4的熱量控制機(jī)制并非是減少時(shí)鐘頻率，而是減少其輸出的有效工作頻率。 當(dāng)溫度正常的時(shí)候，ALUs(算術(shù)邏輯運(yùn)算器)將

12、會(huì)接受到一定的頻率。但當(dāng)主板檢測(cè)到CPU的核心溫度達(dá)到一個(gè)特定的臨界值時(shí)，熱量控制電路就開(kāi)始發(fā)送PROCHOT#信號(hào)，將空置的時(shí)鐘周期插入到正常的時(shí)鐘周期內(nèi)， PROCHOT#激活的無(wú)效周期會(huì)將某些正常時(shí)鐘周期省略掉，使得最終發(fā)送給CPU邏輯運(yùn)算單元的信號(hào)頻率就會(huì)有所降低，從而通過(guò)降低CPU的工作效能來(lái)達(dá)到降溫的目的。隨著溫度的降低，熱量控制電路將會(huì)開(kāi)始減少空時(shí)鐘周期的數(shù)量以使CPU返回它原來(lái)的工作模式。只要CPU核心溫度比臨界值低1度時(shí)，熱量監(jiān)視器就會(huì)停止發(fā)送過(guò)熱信號(hào)。熱量控制單元就會(huì)停止產(chǎn)生空的時(shí)鐘周期，CPU的性能也就恢復(fù)到正常值，過(guò)熱保護(hù)系統(tǒng)被激活只需十幾億分之一秒，我們還可以在Pen

13、tium4主板的BIOS中選擇超警戒溫度來(lái)進(jìn)行控制。當(dāng)處理器的任務(wù)周期(duty cycle)占全部周期的比例越大說(shuō)明處理器的工作效率越高，其可以調(diào)節(jié)的比例在12.5%到87.5%之間，選擇的數(shù)值越小，則任務(wù)周期的比例越小，效率降幅反而越大，我們還可以利用PROCHOT#引腳功能保護(hù)主板的其它元件。當(dāng)供電模塊的溫度超出警戒溫度時(shí)，監(jiān)控電路輸出低電平到PROCHOT#，從而激活TCC，通過(guò)降低微處理器功耗來(lái)達(dá)到保護(hù)供電模塊及主板其它元件的目的。 4抑制CPU溫升的措施 4.1風(fēng)冷散熱系統(tǒng) 風(fēng)冷散熱系統(tǒng)由散熱片和風(fēng)扇構(gòu)成，判斷散熱片的好壞的重要依據(jù)是表面積的大小，采用眾多的鰭片來(lái)提高散熱效果。散熱

14、片的內(nèi)部和邊緣需要設(shè)置合理的導(dǎo)風(fēng)通道，散熱片的切割面要磨光，以使其能與CPU表面完全結(jié)合。滾珠軸承的壽命、噪音、發(fā)熱量遠(yuǎn)較含油軸承好。工作電壓為12v，耗電量在十瓦之內(nèi)。不少人認(rèn)為風(fēng)扇轉(zhuǎn)速越高，那么在同一時(shí)間內(nèi)，從CPU上帶走的熱量就越多，這樣CPU就越容易冷卻，事實(shí)并不是如此。如果風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速超過(guò)其標(biāo)準(zhǔn)值，那么風(fēng)扇在長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷情況下運(yùn)行時(shí)，從CPU上帶走的熱量就比在高速轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的熱量小，這樣時(shí)間運(yùn)行得越長(zhǎng)，熱量差也就越大，高速運(yùn)轉(zhuǎn)的風(fēng)扇不但不能起到良好的冷卻效果，反而使CPU溫度大幅提升；況且，散熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速越高，可能在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的噪音就越大，嚴(yán)重的話可能讓風(fēng)扇或者CPU報(bào)廢；另外

15、，要想讓風(fēng)扇高速運(yùn)轉(zhuǎn)，還必須有較大的功率來(lái)提供動(dòng)力源，而高動(dòng)力源是從主板和電源中的高功率中獲得的，主板和電源在超負(fù)荷功率下就會(huì)經(jīng)常引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。所以，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速越高冷卻效果越好的說(shuō)法是不成立的。從理論上分析，風(fēng)扇功率越大散熱效果應(yīng)該越好，但這樣的理論成立是在一定的前提之下的，也就是說(shuō)在風(fēng)扇的運(yùn)行功率不超過(guò)額定運(yùn)行功率的條件下，功率越大的風(fēng)扇通常它的風(fēng)力也越強(qiáng)勁，散熱的效果也越好。而風(fēng)扇的功率與風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速又是直接聯(lián)系在一起的，也就是說(shuō)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速越高，風(fēng)扇也就越強(qiáng)勁有力。不能片面地強(qiáng)調(diào)高功率，這需要同計(jì)算機(jī)本身的功率相匹配，如果功率過(guò)大，不但不能起到很好的冷卻效果，反而可能會(huì)加重計(jì)算機(jī)的工作負(fù)荷

16、，從而會(huì)產(chǎn)生惡循環(huán)，最終縮短了CPU風(fēng)扇的壽命。因此，用戶在選擇CPU風(fēng)扇時(shí)，不能錯(cuò)誤認(rèn)為風(fēng)扇功率大其散熱效果肯定會(huì)好，而應(yīng)該根據(jù)夠用原則來(lái)選擇與自己電腦相匹配的風(fēng)扇。并且在選擇好風(fēng)扇之后能夠根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的機(jī)箱，從而更好地降低CPU的溫度。 4.2半導(dǎo)體散熱系統(tǒng) 半導(dǎo)體制冷器由許多N型和P型半導(dǎo)體材料排列組成，N、P之間是銅、鋁等金屬材料，外面是絕緣和導(dǎo)熱良好的陶瓷片。通電后，電子由負(fù)極出發(fā)，經(jīng)P型半導(dǎo)體吸收熱量，至N型半導(dǎo)體放出熱量。冷端接到CPU，熱端接到散熱片，由風(fēng)扇將熱量排出。這種散熱系統(tǒng)消耗功率為10w至50w，增加了微機(jī)電源負(fù)擔(dān)，本身產(chǎn)生大量熱，容易造成半導(dǎo)體散熱片的高溫?zé)?/p>

17、毀，低溫一面容易產(chǎn)生露。 4.3 液氮散熱系統(tǒng) 液氮散熱系統(tǒng)的工作原理是將主板、CPU等部件密封于一個(gè)空間里并抽成真空，CPU被內(nèi)部充滿液態(tài)氮的玻璃容器密封。進(jìn)行類似水冷的循環(huán)散熱。，它的特點(diǎn)是冷卻能力強(qiáng)，但制造工藝復(fù)雜，容易結(jié)霜產(chǎn)生露水。 4.4軟件降溫 軟件降溫利用了CPU“空閑掛起”指令進(jìn)行工作，從而實(shí)現(xiàn)了CPU 的降溫及功耗的降低。“空閑掛起”就是指在一段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有接收到指令，CPU自動(dòng)進(jìn)入低耗能的休眠狀態(tài)，降溫軟件縮短了CPU進(jìn)入休眠狀態(tài)的等候時(shí)間，從而減少了熱量的產(chǎn)生。降溫軟件占用約1%至3%的系統(tǒng)資源，使CPU下降3至10。但是當(dāng)CPU進(jìn)行實(shí)時(shí)多任務(wù)的工作時(shí)，CPU能夠得到“空閑

18、掛起”的機(jī)會(huì)不大，這種情況下，軟件降溫的作用便失去了。 5結(jié)論 本文從CPU升溫的因素說(shuō)起，接著詳細(xì)地介紹了當(dāng)前幾種主要的CPU溫控技術(shù)，并分析每種溫控技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，接著介紹了當(dāng)前的幾種主要的CPU降溫措施。 參考文獻(xiàn) 1 C.M.Krishna， Yann-Hang Lee. Voltage-Clock-Scaling Adaptive Scheduling Techniques for Low Power in Hard Real-Time Systems.IEEE TRANSACTIONS ON COMPUTERS，VOL.52，NO.12，DECEMBER2003 2 Jung-Hi Min， Hojung Cha and Vason P.Srim. An Efficient Power Management Mechanism for WiFi-based Handheld Systems. Wireless Communications， Networking and Mobile Computing， 2006.