CPU溫控技術(shù)的分析及其對策

本文通過對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CPU各種不同降溫措施的評價(jià)。

1　引言

隨著CPU集成度和運(yùn)行速度的不斷提高，其功耗也越來越大，導(dǎo)致CPU的運(yùn)行溫度越來越高，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)和使用的一個重點(diǎn)。

CPU設(shè)計(jì)者主要從體系結(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，在使用的過程中，它的實(shí)際功耗和散熱效率會因不同的使用環(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，一個方面是CPU工作不斷產(chǎn)生的熱量累積；另一個方面是對CPU產(chǎn)生的熱量的導(dǎo)散。熱量增加和散熱不暢都會導(dǎo)致CPU的溫度上升，并造成對CPU的損傷。

CPU的熱量來源于它的功耗，根據(jù)CPU功耗與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溫升的兩個重要因素。

CMOS電路CPU的動態(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。可見工作頻率f與芯片的動態(tài)功耗成線性正比例關(guān)系，供電電壓V的平方與芯片的動態(tài)功耗成線性正比例關(guān)系，對于一顆CPU來說，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。對于已經(jīng)選定的CPU來講，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。

3　CPU的溫控技術(shù)[1][4][5] 3.1　外部溫度監(jiān)控技術(shù)

對CPU溫度監(jiān)控通過“外部監(jiān)測”措施—即通過主板CPU插座下面的熱敏電阻來監(jiān)測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。整個監(jiān)測過程全部是由主板來負(fù)責(zé)，熱敏電阻直接將所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳給主板上的溫控電路，如果監(jiān)測到CPU的工作溫度超過在BIOS中的預(yù)設(shè)值時(shí)就會自動斷電關(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，所測量溫度會有很大誤差。有些主板上采用SMD貼片熱敏電阻去測量微處理器溫度，其測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。這就帶來了一個十分嚴(yán)重的問題∶表面溫度不能及時(shí)反映微處理器核心溫度變化，從而形成一個時(shí)間滯后的問題。因?yàn)楹诵臏囟茸兓笠?jīng)過一段時(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)30～50℃/s，核心溫度的變化速度越快，測量溫度的延遲誤差也越大。在這種背景之下，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)測溫度修正方案來糾正此種CPU溫控所帶來的偏差。所謂“溫度偏差修正”就是指當(dāng)系統(tǒng)采用外部測量法時(shí)，必須在測量結(jié)果的基礎(chǔ)上增加一個溫度偏差值：即BIOS中顯示的溫度值=實(shí)際測試值+溫度偏差值。這個偏差值由主板熱敏電阻、臨界溫度等因素來決定，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)定以后它就是一個常量(通過刷新BIOS可以改變這個值)。這些措施在一定程度上可以減小誤差值。但是，問題仍不能得到根本性解決，比如對于突發(fā)事件(如風(fēng)扇脫落)所帶來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)核里面加入了一個專門用于監(jiān)測CPU溫度的熱敏二極管，將CPU溫度來引了“內(nèi)部溫控”時(shí)代。在這里整個處理器溫度監(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，同時(shí)還能處理電壓和轉(zhuǎn)速信號；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CPU內(nèi)核心中整合的熱敏二極管，這個熱敏二極管的正負(fù)兩極作為CPU兩個針腳直接來通過主板CPU插座和主板的溫度監(jiān)控電路相連。  在整個監(jiān)控過程中，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，由主板的一個特定邏輯運(yùn)算電路通過所接收到的數(shù)據(jù)計(jì)算出CPU的內(nèi)核溫度，如果計(jì)算出來的溫度高于預(yù)設(shè)溫度警戒線時(shí)，系統(tǒng)就會自動在瞬間切斷CPU核心電壓，使CPU停止工作并讓系統(tǒng)掛起來，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熱燒毀推出了S2K 總線斷開技術(shù)：即當(dāng)處理器內(nèi)核溫度過高時(shí)，系統(tǒng)會發(fā)出一個HALT指令(HALT 改指令的意思是在沒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。

通過在CPU內(nèi)核整合熱敏二極管來控溫已經(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)存在一個弊端，那就是在CPU溫度過高時(shí)通過直接關(guān)閉電腦來達(dá)到保護(hù)的目的，這樣會導(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)，就會失去監(jiān)控作用，也就無法保護(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)部僅擁有一個熱敏二極管不同，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)一樣通過關(guān)閉系統(tǒng)來保護(hù)CPU，不過只是在緊急情況才會自動關(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組成部分。在CPU工作中，這兩套熱敏二極管的電阻會因溫度而變化，因此通過它的電流也會隨著CPU的核心溫度而變化，通過與內(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最熱的地方超過一定值，第二套熱量溫控裝置會發(fā)送一個PROCHOT#信號使熱量控制電路系統(tǒng)開始工作，通過減小CPU的負(fù)載來降溫，其實(shí)這套熱敏二極管起到波動調(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)將會接受到一定的頻率。但當(dāng)主板檢測到CPU的核心溫度達(dá)到一個特定的臨界值時(shí)，熱量控制電路就開始發(fā)送PROCHOT#信號，將空置的時(shí)鐘周期插入到正常的時(shí)鐘周期內(nèi)，發(fā)送到CPU的調(diào)節(jié)信號如圖1所示。

圖1  發(fā)送到CPU的調(diào)節(jié)信號

PROCHOT#激活的無效周期會將某些正常時(shí)鐘周期省略掉，使得最終發(fā)送給CPU邏輯運(yùn)算單元的信號頻率就會有所降低，從而通過降低CPU的工作效能來達(dá)到降溫的目的。隨著溫度的降低，熱量控制電路將會開始減少空時(shí)鐘周期的數(shù)量以使CPU返回它原來的工作模式。只要CPU核心溫度比臨界值低1度時(shí)，熱量監(jiān)視器就會停止發(fā)送過熱信號。熱量控制單元就會停止產(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Pentium4主板的BIOS中選擇超警戒溫度來進(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，通過降低微處理器功耗來達(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，采用眾多的鰭片來提高散熱效果。散熱片的內(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)速超過其標(biāo)準(zhǔn)值，那么風(fēng)扇在長時(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)動過程中產(chǎn)生的熱量小，這樣時(shí)間運(yùn)行得越長，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，要想讓風(fēng)扇高速運(yùn)轉(zhuǎn)，還必須有較大的功率來提供動力源，而高動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，也就是說在風(fēng)扇的運(yùn)行功率不超過額定運(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，如果功率過大，不但不能起到很好的冷卻效果，反而可能會加重計(jì)算機(jī)的工作負(fù)荷，從而會產(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)，不能錯誤認(rèn)為風(fēng)扇功率大其散熱效果肯定會好，而應(yīng)該根據(jù)夠用原則來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)龤?，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)沒有接收到指令，CPU自動進(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“空閑掛起”的機(jī)會不大，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. WiCOM 2006.International Conference on

[3] Bishop Brock and Karthick Rajamani.Dynamic Power Management for Embedded Systems. SOC Conference， 2003. Proceedings. IEEE International [Systems-on-Chip]

[4] 陳忠民，P4憑什么燒不死？剖析CPU溫控技術(shù)  http：//www.pcpop.com ，2005年2月28日

[5] 易建勛，微處理器(CPU)的結(jié)構(gòu)與性能，清華大學(xué)出版社

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