İşlemcilerde Isı Yayma Çeviri | 10 January 2004

Giriş

İşlemciler çalışmak için güç çekerler. Herhangi bir makine gibi, işin verimli bir şekilde yapılması için enerjinin doğru kullanılması gerekir. Kaçınılmaz bir şekilde bu enerjinin bir kısmı da işlemci için hayati önem taşıyan ısı enerjisine dönüşür.

Temel olarak, daha soğuk bir işlemciden, daha uzun bir ömür beklenir. Bugünün birçok işlemcileri en fazla 85 derecede çalışmak üzere tasarlanmıştır. İşlemcilerin bu ısıyı kaldırabildiği gözükse de, aslında bu sıcaklık işlemcinin en iyi şekilde çalışabileceği bir sıcaklık değildir ve de çoğunlukla da işlemcinin çalışma ömrünü azaltır. Malesef, fiziğin kusursuz olmayan doğasına göre en iyi makinaların bile tasarım hataları vardır. Bir mikroişlemciyle, her zaman gerekenden fazla enerji harcanır. İşte bu fazla enerji ses, ısı ve radyasyon gibi birçok şekilde geri döner. Isı, artık nerdeyse herzaman yapılan işin bir yan ürünü olmaktadır. Önceden de söylenildiği gibi, ısı her zaman işlemci için hayati bir önem taşır. Bir işlemci çok ısındığında çok küçük olan ve işlemcinin çalışmasını sağlayan transistörler çalışmayı kesebilir.

Bir CPU, çalışmak için girişten çıkışa kadar bir enerji akımına ihtiyaç duyar. Güç, bir zaman aralığında verilen enerjidir. Genelde ya watt cinsinden (W) ya da beygir gücü cinsinden (hp) ölçülür. Bu yazı boyunca, bir mikroişlemci için daha uygun olduğundan biz birim olarak watt ‘ı kullanacağız. Bir çok modern işlemci, kendi üretildikleri hızlarda çalışmak için 50 watt’ın üzerinde bir güce ihtiyaç duyar. Bu yüzden bütün Intel Pentium 4 ve AMD Athlon sistemleri için yaklaşık 300watt lık bir PSU önerilir. Ayrıca her işlemci çalışmak için üzerinden geçecek belli bir voltaja ihtiyaç duyar. Elektrikli cihazların çalışma sebebi de sürekli elektronların bir yerden başka bir yere akmasıdır. Akım her zaman yüksek potansiyelden düşük potansiyele doğru gider. Buna başka bir deyişle voltaj alanı denir. Bu denklem doğrudan gereken gücü etkiler.

Güç = Voltaj * Akım (P = V * I)

8086’dan 486’lara kadar işlemcilerde, Intel, işlemcilerini beslemek için doğru akım (DC) olarak5volt kullanmıştır. Bir işlemcinin bu kadar fazla volt almasının sonucunda daha fazla güç harcanır ve daha fazla ısı üretilir. Artık modern işlemciler 1,5 volt gibi daha az voltaj değerlerinde çalışıyorlar, böylece yıllarca çalışmaya devam edebiliyorlar. Düşük voltaj doğrudan yüksek hızlara sebep değildir fakat genel olarak daha fazla işlem üretmesini sağlar.

İşlemleri çalıştırmak için, bir işlemci 1 veya 0 yaratmak amacıyla voltajını yüksek veya düşük seviye arasında değiştirir. Bu ikilik bir dildir, bütün alt temel programlama dillerinin en temelidir ve bilgisayarın “anlayabileceği” tek dildir. Kısaca 1 “Açık” ve 0 “Kapalı”dır.

Isı Yayıcıları /Tabanları

Isı yayıcıları işlemci çekirdeği ile heatsink arasındaki yüzey alanını arttırır. Böylece, soğutma artar ve bu hassas çekirdeklere zarar gelme riski düşer.

Bu yüzey arttırmaya örnek göstermek için yukarıda bir Cyrix MII işlemcisinin çekirdeği ve üzerine yerleştirilen ısı tabanı gösterilmiştir. Çekirdeğin boyutları yaklaşık 1,3 cm ye 1,0 cm’dir. Bir de bunu 3,6 cm ye 3,9 cm olan ısı tabanı ile karşılaştırırsanız ısının dağıtılmasıyla ilgili olarak işlemcinin tabanına göre büyük bir fark kaydedersiniz.

Yukardaki resim işlemci çekirdeği ve ısı tabanı arasındaki farkı göstermekltedir. Çekirdeğin yüzeyi 1,3 cm2 ve ısı tabanın ise 12,96 cm2 dir. Bu da çok büyük bir fark oluşturmaktadır.

Heatsink’ler ve Fanlar

Bugünkü en modern soğutma yöntemi HSF’dir (Heatsink + Fan). Heatsink’ler bakır veya alüminyum gibi yüksek iletken metallerden yapılmaktadır. Bir iletken, üzerinde çok fazla elektron içerdiğinden üzerindeki ısıyı çok kolay geçiren bir maddedir. İşlemci çalışırken bir kinetik enerji kazanır ve işlemcinin parçaları giderek daha fazla hızlı ve sıcak olur. İşlemcinin içindeki parçalar heatsink in tabanına kuvvet uygularlar ve de enerjilerini iletirler. Böyle devam ederken parçalar daha fazla enerji üretir ve bu enerji ısı olarak heatsink in kenarlarından yukarı çıkar.

Heatsink in içinde hareket eden bu parçalar, havadaki gaza da bir baskı uygularlar. Bu da gazların bir kinetik enerjiye sahip olmasını sağlar, böylece gazlar ısınır, özkütleleri düşer ve de yükselirler. Bu duruma serbest ısıyayma denir. Bu yüzden bir heatsink ne kadar büyük bir yüzeye sahipse o kadar iyi bir soğutma sağlar- çünkü ısı gazla daha fazla temasa geçer.

Bu durum aynı zamanda neden çoğunlukla bir fanın da kullanıldığını açıklar: fanlar heatsink’e gelen havanın miktarını arttırır. Zalman Flower serisindeki Silent Cooler gibi fanlar heatsink üzerine çok daha fazla hava üfler.

Bugünkü hava soğutmalı heatsinklerin çoğunluğunda ortak bir tasarım izi vardır. Bakırdan veya bakır çekirdeğe gelecek şekilde bakır ve alüminyumdan yapılmış katı bir “taban” üzerine oturtulur. Bu taban, genellikle makine ile düzeltilerek ve cilalanarak ayna gibi düzleştirilir ve de koruma klipsiyle sıkıca işlemci çekirdeğinme oturtulur. Bu da (Socket-A tasarımındaki) Ziff çıkıntısına kelepçelenir. Bu temel tabakanın üzerine korumalı çubuklar yerleştirilir. Bu çubuklar ana heatsink tabanı üzerinden yaklaşık 3 – 7 cm yukarıdadırlar- böylece doğru akımlı bir fan üzerine yerleştirilebilir. Genelde bu fan havayı bu parçaların üzerine doğru üfler, fakat bazen tam tersi de olur. Bu fan, heatsink’e, heatsink’in çubukları arasındaki deliklere vidalanır. Pazardaki en etkili HSF (Heatsink + Fan), tamamı bakırdan yapılmış, çok sıkı heatsink çubuklarına sahip ve yüksek güçlü bir fanı olan bir HSF (60-92mm / 27-119 CFM) olarak tasarlanabilir.

Fakat bunun dışında, alternatif alaşım kombinasyonlarını kullanan, alternatif fan yönlerini kullanan ve Peltier e sahip olan bir çok ilginç uyarlamalar vardır. Bazı tasarımlar Thermaltake’in SubZeroG gibi dağınık bir kombinasyona sahip olabilir. Bu kombinasyonda bir Peltier tasarımı ve sürekli sıcaklığı kontrol edip Peltier’e ani ayarlamalar yapabilen çok yönlü bir ısı sensörü bulunmaktadır. Bu yöntem tabii ki biraz tuzlu bir soğutma yöntemidir. Ayrıca Zalman tasarımları var ki yatay olarak yerleştirilmiş fanlar, çift fan ve de aşamalı olarak ısıyı ileten Isı Boruları’dan oluşuyor. Isı Boruları (Heat Pipe) çok etkili olabilir, eğer iyi bir şekilde uygulanırsa fanın tamamına yardım edebilir.

İşlemci ve Çekirdek Nesillerinin Karşılaştırılması

İşlemcilerin değiştiği nesiller boyu birçok yöntem düşünüldü. Çoğu zaman hep aynı miktar ısı ürettiler. Örnek olarak, bir işlemcinin eski bir versiyonu daha yavaş hızda çalışıyordu fakat üzerinden daha fazla elektrik geçmesi gerekiyordu. Sonuç olarak, en modern işlemciler yüksek hızlarda ve düşük voltajlarda çalışıyorlar, böylece eski işlemciler daha fazla ısı üretiyor gibi gözüküyor.

Bu formul ile bir işlemcinin ne kadar ısı yaydığı saptanabilir:

OEG = GG x (OCH \\ ORH) x (OCV \\ ORV)

OEG: Overclock edilmiş Gücü
GG: Gerçek Gücü
OCH: OC’li hızı
ORH: Orj. Hızı
OCV: OC’li çekirdek voltajı (vcore)
ORV: Orj. Vcore

Fakat bu formül her zaman garanti bir sonuç vermeyebilir, çünkü bir işlemci farklı işlemler yaparken farklı seviyelerde zorlanır ve maksimum çektiği güç değişir. Bazı soğutma sistemleri, özellikle Vapor-Phase Change’den Vapochill sistemleri, 160watt lık bir ısı enerji soğutma yeteneğine sahip. Bu soğutma sistemleri kullanıcının kendi sisteminin yoğunlaştırmasını kendisinin yapmasını gerektiriyor çünkü işlemci sıcaklıkları donma noktasının altına inebiliyor.

Palamino’dan Thorouhgbred’e

Şimdilik dört çeşit Athlon XP çekirdeği var. Bunlar Palomino, Thoroughbred A, Thoroughbred B and Barton. Barton’un ayrıca farkı daha fazla cache boyutu ve çekirdeğinin büyüklüğü…

Palamino çıkmış ilk Athlon XP çekirdeğidir. Kendi Thoroughbred yaşıtlarından çok daha fazla voltaja ihtiyaç duyar ve bu yüzden de daha fazla ısınır, ve sonuçta iyi bir şekilde Overclock olmaz.

Thoroughbred A çekirdeklerine dayanan Athlon XP’lerden en yüksek saat hızına sahip olan işlemci en fazla 1800mhz (2200+) ya kadar çıkıyor. Bu yüzden dolayı bence bu çipin üzerinde yapılan overclocking denemelerinin sonuçları hep bu hıza yakın seyrediyor. Fakat, Thoroughbred B çekirdekleri 2666mhz ye çıkabilecek şekilde tasarlandılar, bu yüzden de bu işlemcilerin maksimum overclock hızları 2.3- 2.5ghz arasında seyrediyor – ve bazıları da 3ghz e çıkabiliyor. Thoroughbred A ve Thoroughbred B çekirdekleri arasında 2 temel fark bulunmaktadır.

  1. Thoroughbred B’nin çekirdek büyüklüğü Thoroughbred A’ya göre biraz daha büyük.
  2. Thoroughbred B çekirdeği daha yüksek hızlar için tasarlanmıştır.

Bu seçeneklerin sonucunda hangisinin Overclock ‘ a daha elverişli olduğunu görebilirsiniz. Peki, bu yayılan ısı, işlemciye nasıl bağlıdır?

Örneğin: eğer bir işlemci normalde 1,6 volt kullanıyorsa ve 50 watt’lık bir ısı yayıyorsa, ve de bu işlemcinin voltajını (vcore) 2,2 volta çıkarırsak, 95,53125 watt’lık ısı yayacak. Bu da 0,6 volt ile %48’lik bir artış demek. Fakat voltaj sadece %22 artmış bulunmakta.

Voltajı yükseltmek daha fazla overclock yapmaya izin verirken, bir taraftan da daha yüksek voltaj daha fazla ısı üretir ve de daha fazla ısı daha fazla overclock’u olumsuz etkiler.

Thoroughbred’e karşı Barton

Bartonlar, karşılaştırlırsa eğer, Thoroughbred B çekirdekli Athlon XP işlemcileine göre biraz daha serin. Bunun için birkaç sebep sayılabilir, öncelikle Barton kendi eşitleri olan Thoroughbred’lerden daha yavaş hızlarda çalışıyor, ve de Barton’un çekirdeğinin yüzey alanı Thoroughbred çekirdeklerinden daha büyük.

Cache hakkında kısaca

Cache, bilgiyi saklamak için kullanılan geçici bir alan olarak görev yapar. Genellikle bir yavaş ve bir hızlı işlemci arasında bulunur (örneğin işlemci, hafıza ve harddisk).

Bütün A thlon XP Thoroughbred çekirdekli işlemciler bütünleşik (L1 ve L2 birleştirilmiş) 384kb cache e sahip olurken Bartonlar bütünleşik 640kb cache e sahipler. Bu da Barton’un diğerlerinden daha fazla ısınmasına yol açıyor çünkü daha fazla cache ile işlemci daha az gecikerek daha fazla iş yapar. Fakat Barton’ların bu fazla cache’den sağladıkları performans uygulamalara göre değişir. İşlemci çekirdeğinin yüzeyinin büyük olması gerçekten bir fark yapabilir mi?

Tahminimce 1,65 voltla çalışan Barton’ları 1,5-1,6 veya 1,65 voltla çalışan Athlon XP Thoroughbred ile kıyaslarsak Barton hala daha soğuk çalışıyor. Bunun en büyük sebebi genelde üretim işlemi oluyor: öyle ki küçük saat hızları farkı için Bartonlar fazla bir çıkış gücüne ihtiyaç duymuyor.