¿Por qué las CPU no se enfrían tanto desde abajo como desde arriba?

No se enfrían desde abajo porque tienen pines en la parte inferior y FR4 debajo.

Debido a que tiene una conductividad térmica mucho más baja ,

Lo más probable es que no quiera rodear las señales con metal, lo que cambiaría drásticamente la impedancia, por lo que el metal en la parte inferior es un problema mayor. Si construyera un casquillo de metal, tendría que ser micromecanizado, lo que sería muchas veces más caro que un casquillo moldeado por inyección de plástico. Estas cosas le impedirían construir un zócalo de procesador que absorbiera el calor.

Puede colocar un bloque de enfriamiento en la parte inferior de la placa, pero el material de PCB (FR4) reduciría sustancialmente el enfriamiento.

El enfriamiento no es importante , es crucial . Una CPU moderna puede producir fácilmente algo entre 15 W y 200 W, desde un troquel de unos pocos cm². Si no está transportando ese calor, ese chip tiene que dejar de funcionar, reducir la velocidad o simplemente quemarse.

Con eso fuera del camino: ¿Dónde pones tu calor desde allí? La superficie de enfriamiento de una placa base es muy limitada en comparación con la superficie del cuerpo de un enfriador de CPU. La capacidad de transporte de calor de las capas de cobre no es mala en sí misma, pero en comparación con un bloque masivo de cobre y aluminio (y, a menudo, tuberías de calor por convección), es insignificante.

Entonces: la placa base en sí misma a menudo no es el mejor lugar, especialmente alrededor de la CPU. Allí se encuentra toda la cadena de alimentación de la CPU. Eso tiene una buena eficiencia, pero con una carga de varias docenas de amperios y escenarios de carga que cambian rápidamente, no es de extrañar que estos convertidores también se calienten.

Estoy seguro de que en las versiones militares y de computación de alto rendimiento personalizadas encontrará paquetes de CPU especializados que brindan acceso inferior a partes de la CPU, pero en las CPU principales conectadas, eso no es posible ni mecánica ni térmicamente demasiado ventajoso.

Tenga en cuenta que esto no se aplica a todas las CPU. Si ingresa al sector integrado, a menudo encontrará CPU más pequeñas con una almohadilla disipadora de calor en el medio. Simplemente no parece factible para CPU más grandes.

Estoy seguro de que Intel y AMD no pondrían estos pasivos en la parte inferior de sus CPU si pudieran evitarlo. De hecho, mire esa imagen: la placa verde que está viendo no es la matriz, es el soporte de PCB al que está conectada la placa; ese es el precio tecnológico que paga por poder producir CPU intercambiables en masa a bajo costo en lugar de solo tener placas base con la bola del paquete de escala de chip de CPU soldada directamente a ellas, y no puede tener eso por completo, incluso en teoría, porque el calor de esa CPU es tanto que un plano de metal que propaga el calor debe ajustarse a presión sobre él, y solo puede hacerlo mecánicamente de manera efectiva al tener la matriz en algún tipo de sustrato.

Una respuesta que aún no se ha dado es por la forma en que están construidos. Las CPU utilizadas en computadoras y computadoras portátiles (al menos que yo sepa) nunca son un chip invertido completo. Simplemente tienen demasiadas conexiones para permitir un cambio de chip fácil en un proceso de PCB simple que se usa en las placas base. Me refiero a simple aquí en comparación con los procesos necesarios para las aplicaciones de ondas milimétricas/RF, o un proceso que permite densidades en las que realmente puede desplegar más de 1000 pines en unos pocos milímetros cuadrados.

Por esta razón, las matrices de CPU siempre se colocan en un intercalador. Esto es a menudo de cerámica y está hecho de muchas capas. Aquí hay un ejemplo, de wikipedia. Puedes ver 5 troqueles separados en este paquete, además de una gran cantidad de pequeños pasivos alrededor de los bordes (por lo que puedo decir, esto es en realidad una acumulación aún más compleja, con un intercalador de silicio para interconectar los diferentes troqueles, y que luego se coloca encima de un intercalador de cerámica).

¿Por qué importa todo esto? Usted sugiere que debe poder transferir eficientemente el calor a través de los pines de la CPU. Sin embargo, este no es el caso, debido a este interpuesto. Esto no es como un dispositivo de gran potencia en el que la gran broca de metal está realmente conectada al silicio; hay muchas cosas en el medio.

Como resultado, la conductividad térmica del troquel a los pines sigue siendo baja, por lo que incluso si encontrara una forma muy ingeniosa de alejar todo el calor de esos pines, apenas vería ninguna mejora, ya que todavía estará tratando con una mayor resistencia térmica en un orden de magnitud en comparación con un disipador de calor metálico que está en contacto directo con la parte superior del silicio.

Si va a las CPU utilizadas en teléfonos o dispositivos integrados, que tienen una almohadilla de "disipador de calor inferior", las cosas son diferentes. Aquí no utilizan un enfoque flip-chip. En el centro de los BGA, tendrán un lugar metálico en el que se fija térmicamente el troquel (esto suele ser también rectificado). Luego usan cables de enlace para conectar todos los pines, aún usando una forma de interposición con el metal en el medio (o el metal central es solo un montón de vías directamente para obtener una baja conductividad térmica). Esto significa que hay mucho menos material entre esa almohadilla de enfriamiento central y los pines BGA, lo que permite una transferencia de calor mucho más eficiente.

Parte de este calor se propaga hacia arriba, pero parte también debe ir hacia abajo, hacia la PCB. No sé la proporción.

Eso es cierto, el calor se propaga en todas las direcciones. Desafortunadamente, la tasa de propagación (también conocida por caracterizarse como resistencia térmica) es muy diferente.

Una CPU debe estar conectada con periféricos/memoria de alguna manera, por lo que tiene 1000 - 2000 pines para ese propósito. Por lo tanto, se debe proporcionar la ruta eléctrica (fanout), que se realiza a través de la tecnología de placa de circuito impreso. Desafortunadamente, incluso si está impregnado con un montón de cables/capas de cobre, todo el PCB no conduce muy bien el calor. Pero esto es inevitable: necesitas conexiones.

Las primeras CPU (i386-i486) se enfriaban principalmente a través de la ruta de la PCB, a principios de los 90, las CPU de PC no tenían disipador de calor en la parte superior. Muchos chips con montaje de unión de cables tradicional (chip de silicio en la parte inferior, almohadillas conectadas con cables desde las almohadillas superiores al marco de plomo) pueden tener un impacto térmico en la parte inferior, porque esta es la ruta de menor resistencia térmica.

Luego se inventó la tecnología de empaque flip-chip, por lo que la matriz está en la parte superior del paquete, al revés, y todas las conexiones eléctricas se realizan a través de protuberancias conductoras de electricidad en la parte inferior. Entonces, el camino de menor resistencia ahora pasa por la parte superior de los procesadores. Ahí es donde se utilizan todos los trucos adicionales, para distribuir el calor desde un troquel relativamente pequeño (1 m2) a un disipador de calor más grande, etc.

Afortunadamente, los equipos de diseño de CPU incluyen departamentos de ingeniería considerables que realizan el modelado térmico de la matriz de la CPU y el empaque completo. Los datos iniciales provinieron del diseño digital, y luego los costosos solucionadores 3-D brindan una imagen general de la distribución del calor y los flujos. El modelado obviamente incluye modelos térmicos de sockets/pines de CPU y placas base. Sugeriría confiar en ellos con las soluciones que brindan, conocen su negocio. Aparentemente, un poco de enfriamiento adicional desde la parte inferior de la PCB simplemente no vale la pena.

ADICIÓN: Aquí hay un modelo global de un chip FBGA, que puede dar una idea, por ejemplo, del modelo térmico Intel LGA2011.

Si bien la placa de circuito impreso multicapa con vías térmicas y un contenido de cobre del 25 % puede tener un rendimiento térmico algo bueno, el sistema LGA2011 moderno/práctico tiene un elemento importante, un zócalo. El enchufe tiene contactos de resorte tipo aguja debajo de cada almohadilla. Es bastante obvio que la mayor parte del contacto de metal a través del zócalo es bastante más pequeña que la mayor parte del bloque de cobre en la parte superior de la CPU. Diría que no es más de 1/100 del área de la babosa, probablemente mucho menos. Por lo tanto, debe ser obvio que la resistencia térmica del zócalo LGA2011 es al menos 100X de la dirección superior, o no puede bajar más del 1% del calor. Supongo que por esta razón las guías térmicas de Intel ignoran por completo la ruta térmica inferior, no se menciona.

En aviónica, el enfriamiento se evalúa para todos los caminos posibles, incluso a través de la PCB.

Un microprocesador convencional en una computadora portátil / de escritorio generalmente usa una combinación de enfriamiento por conducción (disipador de calor) y convección (generalmente aire forzado). Como la mezcla de estos dos aleja la mayor parte del calor, el mecanismo de enfriamiento a través de la PCB a veces se ignora, pero aún está presente.

Si el equipo está en una bahía de aviónica sin presión, el enfriamiento por convección pierde sentido (la densidad del aire es muy baja, lo que significa que no hay suficientes moléculas a gran altura para difundir el calor). Por esa razón, el enfriamiento por conducción se usa mucho, ya que es el único método de enfriamiento verdaderamente efectivo en este escenario.

Para que esto sea efectivo, se utilizan numerosos planos dentro de la PCB como difusores de calor.

Cuando se utilizan disipadores de calor (no es una solución preferida, pero a veces es inevitable), la ruta aún se enfría por conducción a través de escaleras de calor hasta una pared fría (este es un término relativo: la pared fría puede estar a 70 °C o más).

A veces se usa aire forzado, pero dentro de una cámara presurizada unida a la placa fría.

Entonces, en este escenario, se utiliza el enfriamiento a través de todas las rutas; conducción desde ambos lados, el FR-4 puede no ser particularmente térmicamente conductor, pero los planos de cobre sí lo son.

Entré en una discusión térmica algo detallada en una respuesta a esta pregunta .

La respuesta real es ingeniería básica. Es mucho más fácil optimizar un sistema si puede separarlo en subsistemas que se pueden optimizar de forma independiente.

Al optimizar un lado para la conectividad y el otro lado para la eliminación de calor. Ha simplificado el problema, imponiendo, como máximo, una penalización de 2:1 a cualquiera de los dos problemas. Claramente, si tenía mucho más calor que conexiones, o más conexiones que calor, esta elección debería revisarse, pero claramente ese no es el caso.

Esto no quiere decir que no sea posible sacar el calor por debajo, o poner conexiones por arriba, pero ¿a qué precio? ¿Qué otros compromisos deben hacerse entonces?

Los módulos de CPU refrigerados por líquido, si bien están volviendo, eran bastante comunes hace 30 años. Cuando los mainframes tenían "sobres" de CPU que estaban completamente sumergidos en líquido y, por lo tanto, eliminaban el calor de todos los lados de los circuitos integrados encerrados. Esto claramente presenta una desventaja para el diseño de las conexiones, la depuración, el retrabajo y los tipos de líquido que se pueden usar. Esas son muchas restricciones adicionales para cualquiera de los subsistemas. El hecho de que se hiciera tal elección indica que la eliminación de calor era la limitación principal.

Las supercomputadoras modernas refrigeradas por líquido tienen microconductos de agua altamente optimizados en la parte superior de la oblea. Mientras que todas las conexiones están en la parte inferior. Cada subsistema es independiente del otro, optimizando en gran medida todo el diseño.

En aplicaciones en las que el lado opuesto a las conexiones está ocupado, por ejemplo, LED, láser, enlaces ópticos, puertos RF, etc., la parte inferior es la ruta principal de eliminación de calor. Y generalmente se utilizan sustratos especializados, con alta conductividad térmica.

Aunque este tema estuvo activo hace años, estoy publicando para ayudar a aquellos que buscan después. Los comentarios que dan razones para no enfriar la parte inferior de una fuente de calor no tienen sentido. El PCB es un aislante decente que ralentiza la transferencia de calor, pero aún se CALENTARÁ MÁS LENTO que el metal desnudo que conduce el calor MÁS RÁPIDO. La CPU sigue siendo una fuente de calor, por lo que el calor penetrará aunque sea lentamente hacia el otro lado de la placa. Además, como han dicho algunos, los circuitos a menudo se extienden hacia la parte inferior, lo que facilita la transferencia de calor a través de la PCB. Aún más, el diseñador de la placa sabe que el manejo de las fuentes de calor consiste en perforar la PCB o diseñar deliberadamente áreas donde hay canales de material de aislamiento de PCB inferior en capas intercaladas. Aunque no creas nada de esto o quizás tu placa sea un caso especial,