Watt ihr Volt - wie gut leiten CPUs Hitze?

Etwas, das ich mich heute gefragt habe: Beim Kuehlen der uebertakteten CPUs kommts ja nicht einfach nur auf den Kuehler an, den man draufpappt. Die CPU ist mehrschichtig, dann kommt erstmal ein Medium bis zum Heatspreader, der Spreader selbst .... und erst dann der Kuehler. Gibt es bei aktuellen Luftkeuhlungen wie meinem DH14 und aktuellen CPUS, wie meinem 4930k eine Voltgrenze, wo es eigentlich egal ist, wie gut der Kuehler oben Hitze abfuehrt, bei dem der CPU Die sowieso schon abschaltet, weil er ueberhitz, einfach nur deshalb, weil er die Hitze gar nicht erst schnell genug selbst an den Kuehler leifern kann? Sprich der Kuehler lauuwarm bleibt, aber die CPU schon laengst den Hitzetod gestorben ist?

Und eher theoretischer natur: was passiert, wenn mans extrem uebertreiben wuerde ... also einfach mal 5V draufknallt. Schaltet sie genug schnell ab oder ist dann sowieso Sense?

Dann hast du eher das Problem der Elektromigration, die deine CPU zerstört.

Wenn die Wärme nicht schnell genug abgeführt werden kann nimmt die CPU Hitzeschaden, falls Sicherheitsfunktionen deaktiviert sind, falls nicht, geht sie einfach aus. Legst du 5V an, wird sie wahrscheinlich sofort kaputt gehen. In der Praxis liegt das Spannungslimit, das das Board hergibt, aber bei unter 2V. Ist die Spannung zu hoch, greifen wieder mal die Schutzmechanismen und die CPU schaltet sich ab.
Du kannst die CPU also nur killen, wenn du die Schutzmechanismen deaktivierst, mal abgesehen vom selbst im Normalbetrieb schleichend kommenden Tod durch Elektromigration.

voon schrieb:

Gibt es bei aktuellen Luftkeuhlungen [...] eine Voltgrenze, wo es eigentlich egal ist, wie gut der Kuehler oben Hitze abfuehrt, bei dem der CPU Die sowieso schon abschaltet, weil er ueberhitz, einfach nur deshalb, weil er die Hitze gar nicht erst schnell genug selbst an den Kuehler leifern kann?

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Damit hast du *exakt* den Grund erfasst, warum die Übertakter den Haswell nicht mögen. Der Chip wird sehr heiß und wegen der billigen Wärmeleitpaste, die Intel zwischen Die und Heat Spreader aufgebracht hat, erreicht diese Hitze den Kühler nicht schnell genug, um abgeführt zu werden. Das setzt dem Haswell im Vergleich mit Sandy Bridge derart starke Grenzen beim Übertakten. Bei Ivy Bridge war zwar auch schon Paste in Nutzung, aber die Spannungsregler, die als Leistungs-Halbleiter ebenfalls sehr warm werden, waren noch nicht auf dem Chip.

Mit den neuen Devil's Canyon wird dem nun begegnet, indem man (leider nur ein wenig) bessere Paste verwendet und die Hitzeentwicklung der Spannungsregeler vermindert. Der Weg zurück zum Verlöten des Heat Spreaders mit dem Die war laut Intel schon deswegen nicht möglich, weil man dazu auf dem Die schon vor der Fertigung spezielle Verbindungspunkte einplanen muss. Daher bleibt es dabei, dass nach Sandy nur noch CPUs mit mehr als 95W (also Sockel 2011) Lot bekommen.

Der Vollständigkeit halber: Die Spannung alleine macht noch keine Temperatur. Es bedarf auch eines Stroms und dieser ist abhängig von der Taktfrequenz.

Ein Problem ist natürlich auch, daß die Fläche vom Chip stärkgeschrumpft ist, als die Leistungsaufnahme gesunken. Wie gut Silizium Wärme leitet, weiß ich nicht, ich glaube aber recht gut, wie viele Kristallanordnungen.
Die extremste Form der problemlos realisierten Wärmeleitung ist Silber:
http://www.caseking.de/shop/catalog...Kryos-HF-925-silver-edition-Intel::15067.html
das gab es auch schon früher mit dem Silverado als Luftkühler. Eine Silberplatte "zieht" die Fläche auseinander um dann die Wärme an billigere Komponenten abzugeben.

Ich weiß jetzt nicht genau, ob der i7 größer ist, als der i5, aber womöglich ist das auch ein Grund für die bessere Übertaktbarkeit.

Wenn sich die Hitze staut, erhöht sich die Temperaturdifferenz. Dies führt wiederum zu einer steigenden Wärmeableitung.
Andererseits senkt die hohe Temperatur den elekrischen Widerstand und erhöht die Leckströme. Ein heißer Chip verbraucht somit mehr Strom als ein kalter Chip und heizt sich umso stärker auf.

Die elektrischen Eigenschaften hatte ich mal außen vor gelassen, weil sich in diesem Fall ja primär die thermischen Eigenschaften gegeüber den Vorgängern unterscheiden.

Kowa schrieb:

Ich weiß jetzt nicht genau, ob der i7 größer ist, als der i5, aber womöglich ist das auch ein Grund für die bessere Übertaktbarkeit.

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Nein, i7 und i5 sind dasselbe Die. Die HT-Funktion wird lediglich deaktiviert, das sind effektiv auch nur einige Zehntausend Transistoren. Wärmer wird der i7 dennoch, weil die Pipelines bei HT stärker ausgelastet werden, der Chip ist "aktiver". Und was Haswell von Ivy neben den FIVR noch unterscheidet, ist die potentere Grafik, die sich auch ggf. mehr aufheizen kann.

Kowa schrieb:

das gab es auch schon früher mit dem Silverado als Luftkühler. Eine Silberplatte "zieht" die Fläche auseinander um dann die Wärme an billigere Komponenten abzugeben.

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Wobei das ganze in meinen Augen nur Sinn macht, wenn man den Kühler direkt auf der CPU "parkt"!

Oder weit dekadenter wäre, einen Headspreader rein aus Silber mit der Die zu verlöten!

Wobei ich mich frage, warum die Kühler, bestehend aus Nanotubes, noch nicht aufm Markt sind, da diese glaube ich um 2007 bis 2009 doch mal angepriesen wurden?!


Mal ne andere Frage dazu, rein mal abgesehen von den höheren Herstellungskosten, wäre es mit heutiger Fertigungstechnik möglich den gleichen Die, mit der selben Anzahl an Transistoren, einfach auf einer größeren Fläche zu Produzieren?
Denn ich finde genau das ist dass größte Problem, die Warmeabgabe pro Fläche, dieses Verhältnis wird momentan immer schlechter!



Cu der Pry

Größer geht immer, aber jeder mm² Waferfläche kostet.
Ein Grund warum aktuelle Nvidias kühler aber auch teurer sind: Die Chips sind einfach größer.

Wenn es nur um die Abwärme geht, kann man sich ein sehr einfaches Mudell für die CPU zunutze machen. Dann reicht es, die CPU als einfachen Widerstand zu betrachten. Für den gilt Leistung P=U*I (Spannung mal Strom.)
Da auch U=R*I (R ist der Innenwiderstand der CPU) gilt. kann man auch die Formel:
P=U²/R verwenden. Komplizierte Effekte durch mehrphasige Stromversorung außen vor gelassen kommt man so an gute Werte. Für die Wärmeabführung gilt das Flaschenhalsprinzip. Jedes Bauteil (DIE, Heatspreader, WLP, Kühler usw.) hat eine Wärmeleitfähigkeit. Also eine bestimmt Menga an Energie, die es pro °K Temperaturdifferenz pro Sekunde trasportieren kann. Wenn die bei einem Teil schlecht ist, staut sich die Energie im vor liegenden Bereich. Wie gut die Kühlung hinter diesem Flaschenhals ist, spielt dann kaum eine Rolle, da das Kalte Ende eines Wärmeleiters mindestens die Raumtemperatur hat. Desshalb kann man schlechte WLP auch nicht mit einer höheren Lüfterdrehzahl wett machen.
Viele Grüße,
Verata

€: Die einfachste Möglichkeit an einen guten Wert für den Innenwiderstand der CPU (für Volllast) zu kommen ist die TDP gegen die VID zu rechnen.

Danke fuer den bisherigen Thread

Nixdorf schrieb:

Daher bleibt es dabei, dass nach Sandy nur noch CPUs mit mehr als 95W (also Sockel 2011) Lot bekommen.

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Heisst das, mein 4930k (ivy-e hexacore) hat Lot und sollter somit evtl recht gut uebertaktbar sein?

Richtig, zumindest wird die Temperatur mit ordentlichem Kühler länger akzeptabel bleiben als die Spannungserhöhung.

?
Wenn ich die Frage richtig verstanden habe, fragst du doch, ob das Silicium selbst unter Paste/Lot, Heatspreader, WLP & Kühler in sich überhitzt?
Das könnte schon irgendwann passieren. Es ist nur eine Frage der Verhältnismäßigkeit.
Wärmeleitfähigkeit [http://de.wikipedia.org/wiki/Wärmeleitfähigkeit] von (laut Wikipedia):
Silicium: 150 W/(mK)
Kupfer: 401 W/(mK) (rein) Handelsware: 240…380 W/(mK)
Aluminium (99,5 %) 236 W/(mK)
div. Wärmeleitpasten: 9 W/(mK)

Zu beachten ist vermutlich auch: Silicium in CPUs ist dotiert - also nicht "rein" - die Wärmeleitfähigkeit wird vermutl. etwas schlechter (?) sein - keine Ahnung.
Anbei noch mal http://de.wikipedia.org/wiki/Wärmewiderstand verlinkt.
Mit den obigen Wärmeleitfähigkeiten hat man dann (bis auf die Länge) alle Werte zusammen, um die Wärmewiderstände berechnen zu können.
Kurz gesagt: diese werden addiert.

Hat man also:
(dünne) Schicht(en) Silicium
(dünne) Schicht Wärmeleitpaste / Lot
Heatspreader aus Kupfer oder Kupferlegierung
Wärmeleitpaste
Kühlkörper (welches Material auch immer)

Kann man daraus eine ganze Summe an Wärmewiderstanden addieren. Da dabei die Dicke/Länge relevant ist, ist eben bspw. auch die Dicke der Wärmeleitpaste relevant - das wird ja hier im Forum ständig runtergebetet (selbst wenn der Kühleranpressdruck das meiste eh von alleine macht).

Um auf die - wie ich sie verstanden habe - Frage zurückzukommen, ob denn die Wärmeleitfähigkeit bzw -leitung des Siliciums der CPU limitiert: ich reiße mich zu einem "Nein" hin. Ich habe eben mal nach der Formel unter Rechenbeispiel: http://de.wikipedia.org/wiki/Wärmeleitfähigkeit . Kurz überschlagen: Und kam da bei ein paar angenommenen Werten eines Ivy Bridge DIEs auf runde 840W, die durchs Silicium wohl ballern können. Ich glaube eher, dass es noch viel viel (!) mehr ist, da ich die Dicke des Silicium vermutlich viel zu hoch angesetzt habe.

Also vorher hat man wohl Probleme mit den anderen Wärmeübergängen .
Senkt man jedoch die Kühlleistung massiv, so bringt einem die Wärmeleitfähigkeit einfach mal nichts - dann wird die CPU so oder so zu warm.
Im Fall vom 4930 mag das Lot sicherlich helfen. Aber: durch insgesam weniger oder bessere Übergänge sollten mit den aktuellen riesigen Kühlertürmen die aktuellen Verlustleistungen mit links genommen werden. Ein weiteres (häufig nicht beachtetes Problem] ist auch noch die geringe Fläche auf der die Hitze sich entwickelt. Kann man ja gerne mal ins Verhältnis zur heimischen Herdplatte setzen.

edit: wenn man es richtig akademisch sehen will, kann man das Thema sicherlich noch extremst ausbreiten - ist wohl nicht angesagt und ich wäre auch der falsche Ansprechpartner Zusatz: Habe an Hand einer Beispielrechnung (hoffentlich richtig) überschlagen.

Verata schrieb:

Wenn es nur um die Abwärme geht, kann man sich ein sehr einfaches Mudell für die CPU zunutze machen. Dann reicht es, die CPU als einfachen Widerstand zu betrachten. Für den gilt Leistung P=U*I (Spannung mal Strom.)
Da auch U=R*I (R ist der Innenwiderstand der CPU) gilt. kann man auch die Formel:
P=U²/R verwenden. Komplizierte Effekte durch mehrphasige Stromversorung außen vor gelassen kommt man so an gute Werte. Für die Wärmeabführung gilt das Flaschenhalsprinzip. Jedes Bauteil (DIE, Heatspreader, WLP, Kühler usw.) hat eine Wärmeleitfähigkeit. Also eine bestimmt Menga an Energie, die es pro °K Temperaturdifferenz pro Sekunde trasportieren kann. Wenn die bei einem Teil schlecht ist, staut sich die Energie im vor liegenden Bereich. Wie gut die Kühlung hinter diesem Flaschenhals ist, spielt dann kaum eine Rolle, da das Kalte Ende eines Wärmeleiters mindestens die Raumtemperatur hat. Desshalb kann man schlechte WLP auch nicht mit einer höheren Lüfterdrehzahl wett machen.
Viele Grüße,
Verata

€: Die einfachste Möglichkeit an einen guten Wert für den Innenwiderstand der CPU (für Volllast) zu kommen ist die TDP gegen die VID zu rechnen.

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Ich stehe momentan nicht voll in der Materie, denke aber, dass du hier die Frequenz unterschlägst, denn die hat einen großen Einfluss auf die Leistungsaufnahme . Eine CPU ist kein Ohmscher Verbraucher
Demzufolge steigt die Leistungsaufnahme noch stärker an, denn die Spannung geht ja ins Quadrat in die Leistungsgleichung und zusätzlich kommt die Frequenz noch mit ins Spiel.


@khf-pred

Ich glaube vor kurzem ein bild gesehen zu haben, wo ein Extremübertakter mit seiner übertakteten CPU und Boardkombo über 2000Watt Leistungsaufnahme hatte.



Cu der Pry

Die CPU ist vereinfacht ein Ohm’scher Verbraucher. Ihr Innenwiderstand gilt aber immer nur für einen bestimmt Lastzustand. Für den Zustand Volllast auf allen Kernen bei einer Taktfrequenz ergibt sich ein ziemlich guter Wert. Die Frage, was die CPU intern tut ist eigentlich egal, da man sich hier einfach darauf verlassen kann, dass der erste Hauptsatz der Thermodynamik gilt. Die Zweipoltheorie ermöglicht es für einen Arbeitspunkt eine lineare Ersatzschaltung zu formulieren, die sich nach außen identisch verhält und die ist in diesem Fall ein schlichter Widerstand. Das bleibt sie auch unter Einbeziehung der Frequenz. Die einzige Änderung ist die, dass man nicht mehr im Gleichstrom rechnet. Da die CPU aber unpraktischer weise nicht mit Sinus-Wechselstrom betrieben wird, hilft die gut handhabbare komplexe Wechselstromrechnung nicht weiter. Die Möglichkeit mit Fourier-Reihen oder Differentialgleichungssystemen zu rechnen würde ich mir ersparen und mich mit dern Näherung im Gleichstrom zufrieden geben.

Ich meine mich entsinnen zu können dass die Leistungsaufnahme linear mit dem Takt und Quadratisch zur Spannung ansteigt. Da bei CPUs etwa 99,9% der Elektrischen in Wärmeenergie umgewandelt werden, führt dies natürlich auch zu einer annährend gleichen Steigerung der Abwärme.
Dadurch dass moderne CPUs aber zig Bereiche haben die alle anders Takten und eine andere Spannung bekommen, von der Stromstärke ganz zu schweigen, ist es natürlich sehr aufwändig all diese Faktoren in eine Formel zu packen.