Микропроцессор и его назначение. Арифметические сопроцессоры. Установка, настройка, замена и модернизация процессора. Система охлаждения процессора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лабораторная работа №1

Тема: Микропроцессор и его назначение. Арифметические сопроцессоры. Установка, настройка, замена и модернизация процессора. Система охлаждения процессора

«Мозгом» персонального компьютера является микропроцессор или центральный процессор - сверхбольшая интегральная схема в едином полупроводниковом кристалле. В англоязычной литературе его принято называть CPU (Central Processing Unit) - центральное процессорное устройство. В общем случае процессор включает в себя арифметически-логическое устройство, которое производит арифметические и логические операции над данными, регистры - в которых хранятся данные, счетчики адреса команд и данных, внешние интерфейсы для связи с остальными устройствами компьютера.

К параметрам процессоров можно отнести: максимальную тактовую частоту - частота работы ядра (Мгц);внешняя тактовая частота; кратность тактовой частоты; напряжение питания в В; разрядность внутренних регистров в бит; разрядность шины данных в бит; разрядность шины адреса в бит; максимальный объем адресуемой памяти; внутренний Кэш в Кбайт и тип Кэша; укороченные циклы памяти (есть/нет); встроенный сопроцессор; количество транзисторов; размер элемента на кристалле; тип корпуса; поддержка режима снижение энергопотребления; напряжение питания; время появления на рынке.

Микропроцессор - важная микросхема в системе, выполняющая команды программного обеспечения и в большинстве случаев определят скорость обработки информации. Современные процессоры содержат миллионы транзисторов, выгравированных на крошечном квадратике кристалла кремния, размер которого составляет примерно 2см² .Это наиболее дорогой компонент компьютера.

Параметры процессоров

Быстродействие компьютера во многом зависит от тактовой частоты, обычно измеряемой в Мгерцах. Она определяется параметрами используемого кварцевого резонатора, представляющего собой кристалл кварца, заключенный в небольшой оловянный контейнер. Под воздействием напряжения кварц вызывает колебания электрического тока с частотой, определяемой формой и размером кристалла. Этот переменный ток и есть тактовая частота. Обычный компьютер совершает миллионы таких циклов в сек. Наименьшей единицей времени для процессора является период тактовой частоты или просто такт. На каждую операцию затрачивается как минимум один такт. Например, обмен данными с памятью CPU 8086 выполняет за четыре такта плюс несколько циклов ожидания. Цикл ожидания - это такт, в котором ничего не происходит, он необходим для того, чтобы процессор не «убегал» вперед от менее быстродействующих узлов компьютера. Время, затрачиваемое на выполнение команд тоже не постоянно. В 8086 на выполнение одной команды уходит 12 тактов, в 386 - 4,5 такта, в 486 - 2 такта, в Pentium - 1 такт.

Важнейшим фактором, обусловливающим непрерывный и быстрый рост производительности процессоров, является совершенствование технологии их производства. По уровню используемой технологии все производители процессоров достаточно близки. В настоящее время стандартной стала технология с 0.25 мкм проектными нормами, которая позволяет выпускать процессоры с тактовыми частотами 400-600 МГц. Начинающая уже применяться 0.18 мкм технология обеспечит тактовые частоты 600-800 МГц и более. Значительный прогресс ожидается от перехода к медным межсоединениям вместо алюминиевых. Так, фирма AMD, лицензировавшая медную технологию у фирмы Motorola, планирует к концу года достичь тактовых частот 1 ГГц, используя 0.18 мкм технологию с медными межсоединениями.

Тип процессорного разъема определяет границы взаимозаменяемости процессоров, или общую для некоторой группы процессоров платформу. Поэтому платформу часто называют по типу процессорного разъема, например, платформа Socket 7, платформа Slot 1. В настоящее время для процессоров х86 применяются разъемы следующих типов: Socket 7, Socket 8, Socket 370, Slot 1, Slot 2.

Конструктив Socket 7 (корпус PGA - Pin Grid Array с разъемом матричного типа, 321 контакт) использовался фирмой Intel только в процессорах 5 поколения Pentium и Pentium MMX и продолжает использоваться в процессорах 6 поколения фирмами AMD, Cyrix, IDT. Для Pentium Pro был использован конструктив Socket 8 (PGA, 387 контактов). Для модульного процессора 6 поколения типа Pentium II был выбран другой конструктив - Slot 1 (печатная плата с краевым разъемом, 242 контакта), так как этот процессор - уже не отдельная микросхема, а целая сборка (модуль), состоящая из нескольких микросхем (собственно процессора и кэш-памяти 2 уровня) и размещенная в специальном картридже. Другие производители процессоров х86 (AMD, Cyrix, IDT) не имели лицензии Intel на протокол системной шины GTL+ и вынуждены были продолжать использовать Socket 7. Фирма Intel для процессоров Celeron, предназначенных для этого же сегмента, использовала сначала Slot 1 (это более дорогое решение) и только потом опять перешла к монолитной конструкции, но на основе нового разъема Socket 370 (корпус PPGA - Plastic PGA, 370 контактов). Процессоры типа Xeon также имеют модульную конструкцию, но в конструктиве Slot 2 (330 контактов), не совместимом со Slot 1.

Фирма Intel, таким образом довела сегментацию рынка до логического завершения (Slot 2 для серверов и рабочих станций, Slot 1 для производительных персональных компьютеров и Soсket 370 для компьютеров начального или стандартного уровня). Процессоры других фирм, используя другие типы разъемов, претендуют на те же самые сегменты рынка: Socket 7 - для стандартного (AMD, Cyrix, IDT) и производительного (AMD) уровня, Slot A - для производительного и более высокого уровня (AMD).

В зависимости от сложности процессора (числа выводов), его рассеиваемой мощности и назначения применяются различные типы корпусов:

DIP (Dual In-Line Package) - корпус с двухрядным расположением штырьковых выводов;

PGA (Pin Grid Array) - керамический корпус с матрицей штырьковых выводов;

PQFP (Plastic Quad Flat Pack) пластиковый корпус с выводами по сторонам квадрата;

SPGA (Staggered PGA) корпус с шахматным расположением выводов;

SQFP (Small Quad Flat Pack) миниатюрный корпус с выводами по сторонам квадрата;

PPGA (Plastic Pin Grid Array) термоустойчивый пластмассовый корпус SPGA;

TCP (Tape Carrier Package) миниатюрный корпус с расположенными по периметру ленточными выводами;

S.E.C.C. (Single Edge Connector Cartridge) печатная плата с краевым разъемом, на который смонтированы кристаллы процессора, кэш-памяти, охлаждающий радиатор и вентилятор.

Все 32-разрядные процессоры могут работать в двух режимах, между которыми обеспечивается достаточно быстрое переключение в обе стороны:

Real Mode - режим реальной адресации (или просто реальный режим), полностью совместимый с 8086. В этом режиме возможна адресация до 1Мбайта физической памяти.

Protected Virtual Address Mode (защищенный режим виртуальной адресации или защищенный режим). В этом режиме процессор позволяет адресовать до 4Гб физической памяти, через которые при использовании механизма страничной адресации могут отображаться до 16 терабайт виртуальной памяти каждой задачи.

Процессор или чип имеет аббревиатуру CPU (Central Processor Unit - центральный процессор) обычно вставляется в гнездо или слот на системной плате и считается мозгом компьютера. Большинство процессоров в 1999 году изготавливалась по 0.25 микронной технологии, а в 2000 году ей на смену пришла 0.18 и 0.13 микронная технология.

При появлении новой модели ПК, в большинстве случаев это обусловлено выпуском нового процессора.

Арифметические сопроцессоры

Вместе с любыми процессорами фирмы Intel (и их аналогами) могут использоваться сопроцессоры. Они выполняют операции с плавающей запятой, которые потребовали бы больших затрат машинного времени от основного процессора. Выигрыш можно получить только при выполнении программ, написанных с расчетом на использование сопроцессора. Сопроцессоры выполняют такие сложные операции как точное деление, вычисление тригонометрических функций, извлечение квадратного корня и нахождение логарифма в 10-100 раз быстрее основного процессора. Точность результатов при этом значительно выше той, которая обеспечивается вычислителями, входящими в состав самих процессоров. Операции сложения, вычитания и умножения выполняются основным процессором и не передаются сопроцессору. Система команд сопроцессора отличается от системы команд процессора. Выполняемая программа должна сама определять наличие сопроцессора и после этого выполнять написанные для него инструкции, в противном случае сопроцессор только потребляет ток и ничего не делает. Большинство современных программ, рассчитанных на использование сопроцессора, обнаруживает его присутствие и использует предоставленные возможности. Наиболее эффективно сопроцессоры используются в программах со сложными математическими расчетами: в электронных таблицах, базах данных, статистических программах, системах автоматизированного проектирования. В работе с текстовыми редакторами сопроцессор совершенно не используется. Фирма Intel выпускает следующие сопроцессоры: 8087, 287, 387SX, 387DX, 487SX на отдельных кристаллах, а начиная с процессора 486DX сопроцессоры встроены в микросхему процессора.

Шины процессора

Шина данных. Шина - набор соединений по которым передаются различные сигналы. Когда говорят о шине процессора имеют в виду шину данных в виде набора соединений или выводов для передачи/приема данных. Чем больше данных одновременно поступает на шину, тем больше данных передается по ней за определенный интервал времени и тем быстрее она работает. Данные в компьютере передаются в виде цифр через одинаковые промежутки времени. Для передачи единичного бита данных в определенный временной интервал посылается сигнал напряжения высокого уровня (около 5В), а для передачи нулевого бита данных - сигнал напряжения низкого уровня (около 0 В). Чем больше линий, тем больше битов можно передать за одно и то же время. В процессоре 286 для передачи и приема двоичных данных используется 16 соединений, поэтому его шина считается 16-разрядной. У 32-разрядного процессора (например 486) таких соединений вдвое больше, поэтому за единицу времени он передает вдвое больше данных, чем 16-разрядный процессор.

Количество разрядов в шине данных определяет способность процессора обмениваться информацией.

Внутренние регистры. Количество битов данных, которые может обработать процессор за один прием, характеризуется разрядностью внутренних регистров. В большинстве современных процессоров (от 386) внутренние регистры являются 32-разрядными.

В некоторых CPU внутренняя шина данных (разрядность внутренних регистров) отличается от внешней. Например, разрядность внутренней шины в процессорах 8088 и 386SX вдвое больше разрядности внешней шины. Такие CPU обычно являются дешевыми вариантами исходных ИС (интегральная схема). В 386SX внутренние операции - 32-разрядные, а связь с внешним миром осуществляется через 16-разрядную внешнюю шину. Это позволяет проектировать дешевые системные платы с 16-разрядной шиной данных, сохраняя при этом совместимость с 32-разрядным процессором 386.

Если разрядность внутренних регистров больше разрядности внешней шины данных, то для их полной загрузки необходимо несколько циклов считывания. Например в 386DX и 386SX внутренние регистры - 32-разрядные, но CPU 386SX для их загрузки необходимо выполнить два цикла считывания, а процессору 386DX достаточно одного.

В процессорах Pentium шина данных 64-разрядная, а регистры 32-разрядные. Такое построение учитывает, что в этом процессоре для обработки информации есть две 32-разрядные параллельные секции. Pentium похож на два 32-разрядных процессора, объединенных в одном корпусе, а 64-разрядная шина данных позволяет побыстрее заполнить рабочие регистры.

Шина адреса. Шина адреса представляет собой набор проводников, по которым передается адресная информация для выбора ячейки памяти, в которую или из которой пересылаются данные. По каждому проводнику передается один бит адреса, который является одной цифрой в адресе. Чем больше разрядов участвует в формировании адреса, тем больше количество адресуемых ячеек. Разрядность шины адреса определяет максимальный объем памяти, адресуемой процессором. В компьютерах применяется двоичная система счисления. Например в CPU 8086 и 8088 используется 20-разрядная шина адреса, поэтому они могут адресовать 2**20 (1048576 байт или 1 Мбайт) памяти. В CPU 286/386 - шина 24-разрядная (16 Мбайт памяти), 386DX/486/Pentium - 32-разрядная шина (4 Гбайта), Pentiun Pro/Pentium II - 36 разрядная шина (64 Гбайта памяти).

Шины данных и шины адреса независимы и разработчики микросхем выбирают их разрядности по своему усмотрению, но как правило, чем больше разрядов в шине данных, тем больше их в шине адреса.

Установка, настройка, замена и модернизация процессора

Корпус процессора типа PGA до недавнего времени был самым распространенным. Он использовался начиная с 80-х годов для процессора 286 и сегодня применяется для процессоров Pentium и Pentium Pro. На нижней части корпуса имеется массив штырьков, расположенных в виде решетки.

Корпус PGA вставляется в гнездо типа ZIF (Zerro Insertion Force - нулевая сила вставки). Гнездо ZIF имеет рычаг для упрощения процедуры установки и удаления чипа. Для большинства процессоров Pentium используется разновидность PGA-SPGA (, где штырьки на нижней стороне чипа расположены в шахматном порядке.

Корпуса SEC и SEP используется для процессоров Pentium II/III. Корпус этой микросхемы вставляется в разъем системной платы, называемой Slot1.

Порядок установки и удаления процессора. Большинство существующих на сегодняшний день процессоров устанавливаются на системную плату в гнезда типа ZIF (Socket) и Slot 1.

Установка процессора в гнездо ZIF

Для установки нового процессора в гнездо ZIF (рисунок 1.12) системной платы, необходимо выполнить следующие действия:

1. Для процессоров типа Socket найдите на процессоре контакт 1. Обычно один из углов микросхемы слегка скошен или помечен точкой, возле него и находится этот контакт.

2. Найдите контакт 1 в ZIF-гнезде процессора, находящемся на системной плате.

3. Поднимите зажимающий рычаг гнезда ZIF (рисунок 1.13).

4. Поместите микросхему в разъем, совместив контактные выводы с соответствующими отверстиями (рисунок 1.14 а). Если процессор в разъем не входит, проверьте, правильно ли он ориентирован и совпадают ли контакты.

5. Опустите зажимающий рычаг, чтобы зафиксировать микросхему в гнезде. Убедитесь, что ни один из выводов процессора не согнулся. Если все же у вас согнулся какой-либо вывод, извлеките процессор из гнезда, выровняйте согнутые выводы с помощью плоскогубцев с длинными и узкими губками и снова установите процессор.

Если вы неправильно вставите микропроцессор в гнездо, то компьютер не будет работать. Кроме того, возможно повреждение процессора и системной платы.

6. Установите теплоотвод процессора. Большинство теплоотводных устройств закрепляются либо на самом процессоре, либо крепятся к гнезду одним или несколькими зажимами. Будьте особенно осторожны, прикрепляя теплоотвод к гнезду, постарайтесь не царапать плату, чтобы не повредить припаянные к ней элементы или электрические соединения.

Удаление процессора из гнезда ZIF

Для удаления процессора из гнезда ZIF выполните следующие действия:

1. Разблокируйте и поднимите рычаг гнезда ZIF для освобождения контактов микропроцессора.

2. Аккуратно вытащите микропроцессор из гнезда.

Установка процессора в гнездо Slot -1(Intel) и Slot-A(AMD)

Для процессоров типа Slot необходимо:

1. Установить универсальный крепежный механизм, который состоит из стоек крепления процессора и механизма поддержки теплоотводного элемента Большинство процессоров для разъема Slot поставляются с установленным теплоотводным элементом - активным или пассивным.

2. Установите теплоотвод на корпус процессора .

3. Установите процессор в гнездо направляя краями по направляющим крепежных стоек (рисунок 1.18). При монтаже процессора соблюдайте осторожность, не нужно прилагать значительных усилий: можно повредить как сам процессор, так и системную плату или расположенные в непосредственной близости с разъемом Slot элементы.

Удаление процессора из гнезда Slot-1(Intel) и Slot-A(AMD)

Для того, чтобы удалить процессор установленный в Slot 1 необходимо выполнить следующие действия:

1. Установленный процессор удерживается на месте двумя зажимами с двух сторон. Отожмите эти зажимы и освободите процессор.

2. Аккуратно извлеките процессор из гнезда.

Запрещается устанавливать процессор фирмы AMD Athlon в гнездо Slot-1, рассчитанный только для процессоров фирмы Intel. Хотя процессор Athlon и совпадает с Slot-1, такие процессоры полностью не совместимы с подобной системной платой. Для процессора Athlon требуется системная плата со слотом Slot-A

На большинстве персональных компьютеров новый процессор распознается и автоматически конфигурируется самой материнской платой. Если компьютер сообщает об ошибке, запустите программу конфигурирования аппаратных средств BIOS, чтобы сконфигурировать установки его CMOS.

Ознакомьтесь с руководством ПК, чтобы убедиться, что не требуется переставлять перемычки на системной плате. Если это все же необходимо, прочитайте в документации производителя платы, как правильно установить на плате перемычки для работы с конкретным процессором. В документации находится схема, показывающая расположение перемычек, и таблица с вариантами их установки для разных типов процессоров.

Модернизация процессора

микропроцессор программный вентилятор информация

При создании процессора 486 и более поздних, учитывали тот факт, что может возникнуть необходимость в наращивании вычислительных возможностей, и разработали стандартные гнезда типа Socket, которые подходят для ряда процессоров. Таким образом, имея системную плату с гнездом типа Socket 3, можно устанавливать в него фактически любой процессор 486, а имея плату с гнездом Socket 7 - любой процессор Pentium. Чтобы максимально использовать возможности системной платы, можно установить самый быстрый процессор из числа поддерживаемых платой.

Для того чтобы правильно выбрать процессор на замену, необходимо точно знать, какой процессор в настоящее время установлен на ПК. Это поможет приобрести более быстрый процессор, совместимый с вашей системой.

При выборе нового процессора взамен старого, рекомендуется выбирать процессор приблизительно вдвое быстрее заменяемого. Например, если в настоящее время вы используете процессор с тактовой частотой 300 МГц, то его следует менять на что-либо не ниже 600 МГц.

Чаще всего проблемы в работе компьютера возникают «по вине» других устройств. Процессор является одним из важнейших устройств, поэтому его работоспособность сразу же повлияет на функционирование всей системы в целом. Выявить неисправность процессора можно только с помощью второго заведомо исправного процессора. Однако при этом можно «сжечь» исправный процессор, если, например, неверно выставлены перемычки питания на системной плате. Все действия с процессором необходимо выполнять с особой аккуратностью, а питание компьютера включать только после повторной проверки правильности установки процессора в гнезде и соответствующих перемычек на системной плате.

В последнее время широко стал использоваться еще один способ увеличить скорость работы процессора - разгон процессора.

Разогнать процессор - означает заставить его работать с большей частотой, чем указана производителем. При сертификации процессора, указывается частота, несколько меньше максимальной, с которой процессор может работать. Это создается для запаса надежности, гарантирующей стабильную и надежную работу процессора на заданной частоте. Разгон осуществляется путем изменения коэффициента

N = частота CPU/частота системной платы

Данный коэффициент определяется установкой на системной плате - для того чтобы ускорить работу процессора, достаточно изменить эту установку на ближайшую, более высокую. Коэффициент N выражается кратностью тактовых частот (процессора и платы), например 2х, 2.5х, 3х, 3.5х и т.д.

Разгон процессора является одной из самых распространенных причин возникновения проблем при работе процессоров. Разгон приводит к нагреванию процессора и, как следствие, выходу его из строя. Если вы пытаетесь «разогнать» процессор, то необходимо обращать внимание на температурный режим его работы. Проконтролировать температурный режим можно, или непосредственно прикоснувшись к радиатору процессора, или с помощью программных средств.

Система охлаждения процессора

Одним из важнейших вопросов, связанных эксплуатацией персонального компьютера является соблюдение теплового режима, температурного мониторинга и термоконтроль процессора. Только при корректно функционирующем температурном мониторинге совместно с правильно разработанными и сконфигурированными механизмами термоконтроля можно обеспечить оптимальный тепловой режим и реально гарантировать надежную работу процессора.

С ростом производительности процессоров повышается и их температура. Для предотвращения перегрева процессора, а также его стабильной и долговременной работы необходимо использовать дополнительные способы его охлаждения.

Особенно данный вопрос становится актуальным при использовании современных скоростных процессоров на основе платформ Athlon XP от фирмы AMD и относительно дешевых платформ на основе Pentium 4 от фирмы Intel.

Нагрев кристалла интегральной схемы (ИС) в процессе ее функционирования - факт очевидный и неизбежный. Протекание тока в проводнике (полупроводнике) обязательно сопровождается выделением в нем тепловой мощности, и поскольку сам проводник (полупроводник) имеет конечную теплопроводность, его температура оказывается выше температуры окружающей среды. Корпус микросхемы и различные внутренние защитные/изолирующие слои, которые, как правило, обладают меньшей теплопроводностью, чем проводниковые или полупроводниковые материалы, еще более затрудняют теплоотвод от кристалла ИС, существенно увеличивая его температуру.

В принципе, очень высокие (или наоборот, экстремально низкие) температуры были бы совсем не страшны, если бы не четкая зависимость правильного и надежного функционирования транзисторов ИС и структуры их межсоединений от температурных условий. В результате рабочий температурный диапазон для "среднестатистической" ИС составляет, как правило, от -40 до 125°C. Ограничение снизу является следствием различия коэффициентов теплового расширения кремниевой подложки, изолирующих/защитных слоев, слоев металлизации и т.п. (при низких температурах возникают внутренние механические напряжения - термомеханический стресс, что оказывает влияние на электрофизические свойства ИС и может привести даже к физическому разрушению кристалла). Ограничение сверху обусловлено ухудшением частотных и электрических свойств транзисторов (уменьшение тока, понижение порогового напряжения и т.п.). Для современных процессоров (в частности, Athlon XP и Pentium 4), отличающихся гораздо более тонкой микроструктурой и более комплексными корпусами, диапазон рабочих температур оказывается еще строже - от 0 до 100°C.

При работе компьютера температура нагрева процессора может составлять до 90-95°C с очень слабой системой охлаждения, что укладывается в рассмотренный выше диапазон работы процессоров. Однако нормальная работоспособность процессора при высоких температурах не желательна, т.к. в металло-кремниевом процессоре компьютера имеют место не только чисто электрические явления, но и огромное количество электрохимических процессов и реакций, которые являются термоактивационными (их скорость исключительно сильно зависит от температуры). С течением времени они могут не только затруднить корректное функционирование процессора, но и даже привести к его полному отказу, хотя рабочие температуры при этом могут находиться во вполне безопасных пределах, если смотреть с электрической точки зрения.

Наиболее "влиятельны" по своему вредоносному воздействию две группы таких процессов.

Первая - электрохимическое разрушение металлизации (электромиграция). Под воздействием электрического поля и повышенной температуры атомы металла срываются со своих насиженных мест и мигрируют в прилегающие области. С течением времени толщина проводника может значительно уменьшиться (с резким увеличением активного сопротивления на этом участке), так что даже при относительно малом токе в условиях локального перегрева вполне вероятен обрыв (выгорание) участка дорожки и последующий за ним выход из строя группы транзисторов, функционального узла и всего процессора в целом. Несмотря на то, что 0.18-ти микрометровая технология производства процессоров Pentium 4 и Athlon XP закладывает высокую устойчивость к электромиграции и делает этот процесс практически равновесным, обеспечивая благоприятные условия для обратной диффузии, уже при температурах 75-85°C и выше равновесие нарушается.

Вторая группа явлений - деградация окисла. Технологически невозможно обеспечить идеальную чистоту пленки двуокиси кремния, используемой в качестве диэлектрика под затвором транзисторов. В ней всегда присутствуют примеси (обычно донорного типа), которые сосредотачиваются вблизи внутренней поверхности пленки (на границе раздела между диэлектриком и кремнием). Ионы примесей способствуют образованию побочных инверсных или обогащенных слоев (паразитных каналов) у поверхности полупроводника под диэлектриком, которые оказывают влияние на обратный ток p-n-переходов и величину пробивного напряжения. Под воздействием поля (в 0.18 мкм транзисторах напряженность поля достигает 10⁶ В/см) и градиентов температуры происходит дрейф и диффузия ионов в диэлектрике, что приводит к изменению свойств самого диэлектрика и существенным изменениям электропроводности и протяженности паразитных каналов в полупроводнике (следовательно - к нарушению нормального функционирования транзистора за счет значительных флуктуаций тока). Ситуация еще более усугубляется из-за немалого количества дополнительных ионов, которые мигрируют в окисел из других областей транзистора (высоколегированные исток и сток, омические контакты, поликремниевый затвор), которое происходит под воздействием высокой температуры.

По различным данным (результаты ускоренных испытаний нескольких серий зарубежных ИС), средний срок службы относительно простой в технологическом отношении ИС составляет 50-75 лет при температуре 60°C и всего лишь 1000-1500 ч при температуре 125°C. Масштабные испытания сложных ИС (процессоров) не проводились, однако некоторые полуэкспериментальные оценки их среднего срока службы оказываются гораздо не более 1000-1500 ч при температуре всего 85-90°C.

Таким образом, необходимо соблюдать корректный температурный режим процессора в допустимых пределах.

Рассмотрим наиболее распространенные на сегодняшний день платформы процессоров со стороны надежности при выходе из строя системы охлаждения.

Процессор Intel Pentium 4 обладает огромным запасом надежности, имея схему защиты от катастрофического перегрева и функцию термоконтроля Thermal Monitor. Однако для достижения оптимального соотношения между надежностью и производительностью систем на базе Pentium 4 необходимо использовать только самые эффективные средства охлаждения. В противном случае баланс между надежностью и производительностью нарушается.

Процессор AMD Athlon XP лишен встроенных средств защиты от перегрева, и подавляющее большинство систем на его основе не имеют корректно работающих механизмов термоконтроля. На данный момент системы на базе Athlon XP очень проблемны в тепловом плане и фактически ненадежны в части защиты от серьезных сбоев средств охлаждения. Тем не менее, системы с поддержкой термодиода этого процессора все-таки предоставляют некоторый минимальный уровень "тепловой" безопасности и с большущей натяжкой могут считаться надежными. Все это требует от продавцов систем на базе Athlon XP максимальной ответственности в части исполнения гарантийных обязательств по возврату/обмену отказавшей техники.

Системы охлаждения процессоров

Общепризнанным и наиболее распространенным средством охлаждения процессора являются на сегодня теплообменные аппараты (теплоотводы) принудительного воздушного охлаждения.

Теплооотводы подразделяются на пассивные (радиаторы) и активные (куллеры - вентиляторы), а также комбинированные.

Пассивные теплоотводы. Радиаторы

Радиатор является устройством, существенно облегчающим теплообмен процессора с окружающей средой. Площадь поверхности процессорного кристалла мала (на сегодня не превышает нескольких квадратных сантиметров) и недостаточна для эффективного отвода тепловой мощности. Благодаря своей ребристой поверхности, радиатор, установленный на процессоре, в сотни и даже тысячи раз увеличивает площадь его теплового контакта с окружающей средой, способствуя тем самым усилению интенсивности теплообмена и снижению рабочей температуры.

Фундаментальной технической характеристикой радиатора является термическое сопротивление относительно поверхности процессорного кристалла -- величина, позволяющая оценить его эффективность в качестве охлаждающего устройства.

Термическое сопротивление выражается соотношением:

R_t = (T_c -- T_a)/P_h,

где: R_t -- термическое сопротивление радиатора,

T_c -- температура поверхности процессорного кристалла,

T_a -- температура окружающей среды,

P_h -- тепловая мощность, рассеиваемая процессором.

Термическое сопротивление измеряется в °С/Вт. Оно показывает, насколько увеличится температура процессорного кристалла относительно температуры в компьютерном корпусе при отводе определенной тепловой мощности через данный конкретный радиатор, установленный на процессоре.

Для примера возьмем платформу VIA Eden. Термическое сопротивление процессорного радиатора составляет здесь 6°С/Вт, тепловая мощность процессора равняется 3 Вт, а температура внутри системного блока лежит в пределах 50°C. Перемножив значения термического сопротивления радиатора и тепловой мощности процессора, мы получим 18°C. Это значит, что температура поверхности процессорного кристалла будет превышать температуру в системном блоке на 18°C и будет держаться соответственно на уровне 68°C, что соответствует нормативам на процессоры.

Рассмотрим другой пример. Если мы будем использовать радиатор от VIA Eden ESP, но уже с процессором AMD Athlon XP, тепловая мощность которого составляет порядка 40-60 Вт, то температура процессора достигнет 300°C и более, что привет к его «перегоранию». В данном случае при такой тепловой мощности нужен радиатор с гораздо меньшим термическим сопротивлением, чтобы он смог удержать температуру процессора в пределах безопасных 75-90°C.

Таким образом, зная величину термического сопротивления, мы сможем легко оценить целесообразность применения того или иного радиатора в наших конкретных эксплуатационных условиях.

На практике термическое сопротивление (суть тепловая эффективность) радиатора во многом зависит не только от площади ребристой поверхности, но и от его конструктивных особенностей и технологии изготовления. В настоящее время на рынке представлены пять радиаторов, задействованных в массовом производстве.

· «Экструзионные» (прессованные) радиаторы (рисунок 1.19). Наиболее дешевые, общепризнанные и самые распространенные на рынке, основной материал, используемый в их производстве -- алюминий. Такие радиаторы изготавливаются методом экструзии (прессования), который позволяет получить достаточно сложный профиль ребристой поверхности и достичь хороших теплоотводящих свойств.

· «Складчатые» радиаторы. Отличаются довольно интересным технологическим исполнением: на базовой пластине радиатора пайкой (или с помощью адгезионных теплопроводящих паст) закрепляется тонкая металлическая лента, свернутая в гармошку, складки которой играют роль своеобразной ребристой поверхности. Основные материалы -- алюминий и медь. По сравнению с экструзионными радиаторами, данная технология позволяет получать изделия более компактных размеров, но с такой же тепловой эффективностью (или даже лучшей).

· «Кованые» (холоднодеформированные) радиатор. Для их изготовления используется технология холодного прессования, которая позволяет изготавливать поверхность радиатора не только в форме стандартных прямоугольных ребер, но и в виде стрежней произвольного сечения. Основной материал -- алюминий, но зачастую в основание (подошву) радиатора дополнительно интегрируют медные пластины (для улучшения его теплоотводящих свойств). Технология холодного прессования характеризуется относительно малой производительностью, поэтому «кованые» радиаторы, как правило, дороже «экструзионных» и «складчатых», но не всегда лучше в плане тепловой эффективности.

· «Составные» радиатор. Во многом повторяют методику «складчатых» радиаторов, но обладают вместе с тем весьма существенным отличием: здесь ребристая поверхность формируется уже не лентой-гармошкой, а раздельными тонкими пластинами, закрепленными на подошве радиатора пайкой или стыковой сваркой. Основной используемый материал -- медь. Как правило, «составные» радиаторы характеризуются более высокой тепловой эффективностью, чем «экструзионные» и «складчатые», но это наблюдается только при условии жесткого контроля качества производственных процессов.

· «Точеные» радиаторы (рисунок 1.23). На сегодня это самые продвинутые и наиболее дорогие изделия. Они производятся прецизионной механической обработкой монолитных заготовок (обрабатываются на специализированных высокоточных станках с ЧПУ) и отличаются наилучшей тепловой эффективностью. Основные материалы -- алюминий и медь. «Точеным» радиаторам вполне по силам вытеснить с рынка все остальные типы радиаторов, если себестоимость такой технологии будет снижена.

Активные теплоотводы. Куллеры

На сегодня даже самые современные радиаторы не справляются задачей охлаждения процессора: в условиях естественной конвекции воздуха, т.е. когда скорость движения воздушных масс мала, «штатной» тепловой эффективности радиаторов оказывается недостаточно для поддержания приемлемой рабочей температуры процессора. Кардинально уменьшить термическое сопротивление радиатора можно только одним способом -- создать условия вынужденной конвекции теплоносителя, т.е. воздуха. Для этих целей практически каждый процессорный радиатор оборудуется вентилятором, который продувает его внутреннее межреберное пространство

На сегодня в процессорных куллерах находят применение в основном осевые (аксиальные) вентиляторы, формирующие воздушный поток в направлении, параллельном оси вращения пропеллера (крыльчатки).

Ходовая часть вентилятора может быть построена на подшипнике скольжения (sleeve bearing, - наиболее дешевая и недолговечная конструкция), на комбинированном подшипнике (one sleeve one ball bearing - один подшипник скольжения плюс один подшипник качения, - наиболее распространенная конструкция), и на двух подшипниках качения (two ball bearings, самая дорогая, но в то же время очень надежная и долговечная конструкция). Электрическая часть вентилятора представляет собой миниатюрный электродвигатель постоянного тока.

Фундаментальной характеристикой любого вентилятора является его производительность -- величина, показывающая объемную скорость воздушного потока. Выражается она в кубических футах в минуту (cubic feet per minute, CFM). Чем больше производительность вентилятора, тем он более эффективно продувает радиатор, уменьшая термическое сопротивление последнего. Типичные значения расхода -- от 10 до 80 CFM.

Второй очень важной характеристикой вентилятора является скорость вращения крыльчатки (выражается в об/мин). Чем быстрее вращается крыльчатка, тем выше производительность вентилятора. Типичные значения скорости -- от 1500 до 7000 об/мин.

Еще одна важная характеристика вентилятора -- это его типоразмер. Как правило, чем больше габариты вентилятора, тем выше его производительность. Наиболее распространенные типоразмеры -- 60х60х15 мм, 60х60х20 мм, 60х60х25 мм, 70х70х15 мм, 80х80х25 мм.

Эксплуатационными параметрами, являются уровень шума и срок службы вентилятора.

· Уровень шума вентилятора выражается в децибелах и показывает, насколько громким он будет в субъективном восприятии. Значения уровня шума вентиляторов лежат в диапазоне от 20 до 50 дБА. Человеком воспринимаются в качестве тихих только те вентиляторы, уровень шума которых не превышает 30-35 дБА.

· Срок службы вентилятора выражается в тысячах часов и является объективным показателем его надежности и долговечности. На практике срок службы вентиляторов на подшипниках скольжения не превышает 10-15 тыс. часов, а на подшипниках качения -- 40-50 тыс. часов.

Комбинированные системы охлаждения

Комбинированные теплоотводы. При охлаждении процессора ПК обычно используются комбинированные теплоотводы, включающие в себя как радиатор, так и вентилятор, что обеспечивает высокую эффективность охлаждения процессора.

Строение и особенности функционирования вентиляторов

Современные вентиляторы постоянного тока строятся на одно- или двухфазовых вентильных двигателях. Собственно, сами эти двигатели можно условно разделить на две основные составляющие: схему управления и индукторную машину. Индукторная машина представляет собой связку ротор-статор, где ротором является кольцевой постоянный магнит, а статором -- четырехполюсный (гораздо реже -- шестиполюсный) индуктор.

Что же касается схемы управления, то она реализуется производителями по-разному. Наиболее распространенный вариант основывается на использовании микросхемы-драйвера с интегрированным датчиком Холла (обычно используются микросхемы Analog Technology ATS276/277 или их клоны), которая осуществляет согласованную коммутацию фаз индуктора, позволяя последнему индуцировать вращающееся магнитное поле в пространстве статор-ротор и привести в движение ротор. Наряду с простыми схемами, в некоторых вентиляторах могут применяться гораздо более сложные и многофункциональные микросхемы-драйверы, имеющие тахометрический контроль, цепи защиты питающей сети и детектирования стопора крыльчатки (например -- микросхема Sanyo LB1663). Но пока, к сожалению, подобные схемы управления не получили широкого признания среди производителей и являются скорее исключением, чем правилом. Посмотрим теперь механическое обустройство вентилятора, а именно - его подшипники. Как уже было отмечено, вал ротора (крыльчатки) может быть закреплен в корпусе вентилятора тремя способами:

· подшипником скольжения

· «комбинированным» подшипником (один подшипник скольжения, другой -- качения)

· двумя подшипниками качения

Подшипники скольжения. В недалеком прошлом этот подшипник пользовался немалой популярностью у производителей благодаря низкой себестоимости и относительно простой технологии «приготовления» вентиляторов на его основе. Сам подшипник скольжения представляет собой бронзовую втулку, стальной вал ротора закрепляется в подшипнике с помощью пластикового стопорного кольца, дополнительно к этому втулка зажимается двумя резиновыми прокладками (сальниками), одетыми на вал с каждого ее торца (сальники служат в качестве препятствия вытеканию смазки из зазора вал-подшипник).

Недостатками использования подшипника скольжения являются:

Первый недостаток. Так как между внутренней поверхностью подшипника и валом имеется небольшой зазор, в процессе вращения вал крыльчатки «дребезжит» внутри подшипника (иными словами, наблюдаются биения вала). В результате он оказывает сильное абразивное действие на подшипник: в поперечном сечении отверстие подшипника приобретает форму эллипса вместо окружности (наблюдается так называемая эллипсность подшипника). В итоге вал начинает вращаться неустойчиво, весьма значительно повышается уровень шума (в спектре шума вентилятора появляются резкие импульсные всплески -- скрипы, стуки и т.п.), а также увеличивается потребление мощности от питающей сети, что сопровождается ощутимым нагревом вентилятора. В случае дисбаланса крыльчатки все это может привести к быстрому разрушению подшипника и выходу вентилятора из строя.

Второй недостаток. Вытекание смазка в зазоре вал-подшипник (несмотря на сальники и прочие предосторожности. Как результат, трущаяся пара вал-подшипник начинает взаимодействовать «насухо», падает скорость вращения крыльчатки и существенно возрастает уровень шума.

Третий недостаток. Для предотвращения эллипсности подшипника и увеличения срока службы вентилятора зазор вал-подшипник стараются сократить. Однако при недостаточной (или некачественной) смазке внутри подшипника старт двигателя затрудняется, что приводит к росту потребления тока и увеличению рассеиваемой мощности (в запущенных случаях -- к стопору крыльчатки и выходу вентилятора из строя). В конечном итоге, срок службы вентилятора никак не увеличивается, а наоборот, только сокращается.

Четвертый недостаток. Вентиляторы на подшипниках скольжения не способны надежно функционировать в условиях высокой температуры окружающей среды. Уже при температурах выше 50-60°C срок службы таких вентиляторов резко сокращается, и на практике не превышает 5 тыс. часов.

Все эти недостатки, а также невысокое качество выпускаемых изделий со стороны некоторых производителей, ставят под серьезное сомнение целесообразность применения вентиляторов на подшипниках скольжения в системах охлаждения компьютеров, где в первую очередь важна их надежность, а не солидные с виду технические характеристики. Такие вентиляторы, конечно, очень дешевы, чем обычно и привлекают покупателей.

«Комбинированный» подшипника - симбиоз подшипника скольжения и подшипника качения. Подшипник скольжения в такой конструкции играет лишь вспомогательную роль (выступает в качестве своеобразного шунта). Основная нагрузка ложится здесь уже на плечи шарикового подшипника. И так как трение качения меньше трения скольжения, старт двигателя облегчается, рассеваемая вентилятором мощность уменьшается. Также комбинированная конструкция менее восприимчива к весовому дисбалансу крыльчатки. Биения вала в значительной мере гасятся подшипником качения, и вероятность возникновения эллипсности втулки или ее механического разрушения сведена к минимуму (это имеет место только при условии соблюдения строгих технических норм на производстве и тщательном контроле качества готовых изделий). «Комбинированные» вентиляторы могут нормально функционировать даже в сложных эксплуатационных условиях (при высоких температурах окружающей среды и повышенной влажности воздуха).

Однако по-прежнему остается нерешенной принципиальная проблема утечки масла из зазора между валом и втулкой, которая может обернуться падением оборотов крыльчатки и повышением уровня шума, производимого вентилятором. В последнее время эту неприятность пытаются замять путем использования вязких или даже консистентных смазок. Но в некоторых изделиях это только усугубляет ситуацию: смазка все равно вытесняется из зазора, или, что еще хуже, загустевает с образованием твердых микрочастиц. Это может привести к тому, что вал просто заклинивает, и вентилятор выходит из строя.

Вентиляторы на двух подшипниках качения предпочтительнее и является наиболее оптимальным решением для процессорных кулеров. Важнейшее преимущество структуры из двух подшипников качения -- это высокая надежность и долговечность вентиляторов на их основе. Два шарикоподшипника гармонично дополняют друг друга, обеспечивают легкий старт двигателя и устойчивое вращение крыльчатки. Потребляемая мощность у таких вентиляторов, как правило, ниже, чем у изделий на комбинированном подшипнике или подшипнике скольжения, что существенно облегчает тепловой режим и повышает надежность их функционирования. Ко всему прочему, вентиляторы на двух подшипниках качения нетребовательны к смазке, проблема утечки масла уничтожена в них как класс.

Второе главное преимущество -- вентилятор на двух подшипниках качения представляет собой отлично сбалансированную конструкцию. Спиральная пружина, устанавливаемая на валу между первым подшипником и крыльчаткой, в значительной мере нейтрализует возможный дисбаланс ротора, а остаточные биения вала взаимно компенсируют два подшипника качения. Как результат, вентилятор стабильно функционирует практически в любом положении относительно вектора силы тяжести.

Наконец, третье главное преимущество -- вентиляторы на двух подшипниках качения способны надежно и долговременно функционировать в условиях очень высоких температур окружающей среды (вплоть до 70-90°C)

Недостатком таких вентиляторов является их высокая стоимость. В технологическом отношении высококачественные миниатюрные подшипники качения являются очень сложными и трудоемкими изделиями (стоимость одного высокоточного подшипника качения может достигать 3-5 долларов и даже выше, в то время как стоимость миниатюрного подшипника скольжения обычно не превышает 10 центов). Поэтому высокие цены, по которым предлагаются качественные вентиляторы -- явление объективное и неизбежное.

Техническое обслуживание теплоотводов

Техническое обслуживание теплоотводов заключается в своевременной чистке радиатора охлаждения и смазке подшипников вентилятора.

Во время эксплуатации компьютера внутри корпуса системного блока скапливается большое количество пыли, которая затягивается вентиляторами блока питания и дополнительными вентиляторами охлаждения. Пыль также оседает на ребрах радиатора, образуя «шубу» и уменьшая тем самым теплоотдачу радиатора. Вследствие чего повышается температура процессора.

Чистка радиатора производится следующим образом:

· Аккуратно удалите радиатор с процессора.

· Продуйте радиатор сильной струей воздуха. Для этого можно воспользоваться баллончиком со сжатым воздухом или пылесосом.

· Установите радиатор на место.

Смазка подшипника вентилятора включает следующие действия :

· Аккуратно удалите радиатор вместе с вентилятором с процессора.

· Обычно вентилятор крепится к радиатору с помощью четырех крепежных винтов. Удалите крепежные винты и освободите вентилятор.

· Удалите защитную фольгу, расположенную в центре вентилятора. (рисунок 1.31)

· Под защитной фольгой находится отверстие для заправки смазки.

· С помощью шприца с иглой нагнетите через отверстие смазку внутрь вентилятора.

· Заклейте защитную фольгу и соберите вентилятор с радиатором.

· Установите теплоотвод на место.

Размещено на Allbest.ru