AW: Intel zeigt Ivy-Bridge-E-Wafer in hoher Auflösung - User-News von Skysnake
Natürlich ist der aus Kupfer - und damit nochmal zurück auf 0, vielleicht kriege ich diesmal rüber, was ich sagen will:
Die Wärme hat im wesentlichen drei Wege zur Oberfläche des IHS (und dann weiter zum Kühler - aber der Teil ist immer gleich und somit vernachlässigbar):
- Eindimensionale Betrachtung: Senkrecht. DIE->LOT->IHS. Das Beste, aber durch die Grundfläche des Kerns limitert und somit immer gleich. Fließt in unsere Betrachtung aber als Basisweg ein, der bereits einen erheblichen Teil der Abfuhr übernimmt - selbst wenn andere Wege komplett wegfallen würden, blieben große Teile der Kühlleistung erhalten, das Potential für Verschlechterungen ist limitiert.
Ja jetzt kommen wir der Sache näher
Jetzt versteh ich, was du meinst. Du bezogst dich rein auf die Geometrie. Ja, das ist natürlich so. Mehr als Geometrie ist das nicht. Ob Thermostatik oder Themodynamik anwendbar ist, ist davon aber unberührt. Wie sind wir eigentlich darauf gekommen?
Da müssen wir böse aneinander vorbei geredet haben
- zweidimensional betrachtet: DIE-Fläche. Ein Teil der Wärme breitet sich vorher in alle 3/4 Richtungen (je nach Lage des Kerns - meist eine Seite am Rand anliegend) aus und nimmt von diesen anderen Bereich den ersten Weg. Limitieren kann hier zum einen die verfügbare Fläche - weswegen zusätzliches Silizium bei teildeaktivierten DIEs eine Temperaturverbesserung erbringen kann. Limitierend ist aber auch die Wärmeleitung selbst. Der DIE ist schließlich <0,5 mm dick, der Querschnitt für seitliche Ablenkung also stark begrenzt. Zudem hat man selbst bei teildeaktivierten DIEs nicht neben jedem Kern einen stillgelegten Bereich. => Mit Blick auf das Taktlimit (d.h. den heißesten Kern) ergibt sich bei SB-E: Kern1 (direkter Nachbar) quetscht einen Teil seiner Wärme durch 0,5 mm dünnes Silizium in einen benachbarten Bereich und gibt ihn da ab.
Absolut richtig!
Aber, du hast beim IHS eben schon die Phasenübergänge DIE->LOT->IHS hinter dir. Zudem eben die x mm Material. Das drückt dir deinen Temperaturgradienten doch schon etwas runter, wobei man schauen muss, inwieweit das wieder vernachlässigbar ist. Keine Ahnung, wie hoch die Temperaturdifferenz DIE<->IHS ist. Mehr als 10°C würde ich aber schon erwarten. Das reduziert dir dann aber eben auch wieder den Temperaturgradienten. Dadurch sinkt dann auch wieder der effektive Wärmestrom. Um quastistationären Fall ist das aber alles noch relativ gutartig, da kannste immer noch mit Thermostatik die Sache betrachten. Eklig wird es halt, wenn du die ganze Sache Thermodynamisch betrachten willst, also mit wechselnden Lasten, um wirklich die "echten" HotSpots zu betrachten, die aus Verlustleistungspulsen in einzelnen Chipbereichen resultieren, also einige (zehn)tausend Transistoren nur jeweils betrachtet/drüber gemittelt. Da bringt dir der IHS gar nichts in der Betrachtung, weil die Zeitskalen, und damit auch die Längenskalen zu kurz werden. Da interessiert faktisch nur noch die "Grund-/Ausgangstemperatur", die man vor dem Verlustleistungspuls erreichen kann. Da spielt der IHS dann wieder rein, aber das kannste eben auch wieder mit Thermostatik ermitteln. Der Knackpunkt ist halt echt diese Zeit- und Längenskala, und da die Verlustleistungsdichten so abartig hoch sind in Mikrochips, einer unserer Profs war immer ganz hin und weg davon, dass die Verlustleistungsdichte in Mikrochips in der Größenordnung von Kernreaktoren sei
, haste da echt nen riesen Problem. Deswegen darfste einfach Chips nicht durchgehend laufen lassen, und vor allem nicht zu große Areale "einfach" mal anknipsen. Sonst riechts nämlich
Hierdruch bleibt Kern1 etwas kühler. Kern2, der neben 1 liegt und an keinen deaktivierten Bereich angrenzt, kann nun seinerseits einen noch einmal geringeren Teil seiner Wärmeentwicklung in den Bereich von Kern1 ableiten. Im Worst Case (äußerst beiden Kerne sind deaktiviert) kommt dann noch einmal Kern 3 hinzu. In jedem Fall skaliert die zusätzliche Wärmeableitung am limitierenden Kern nicht direkt aus der DIE-Fläche deaktivierter Bereiche, sondern aus der Temperaturabsenkung an Nachbarkernen und der durch diese größere (bzw. überhaupt erst vorhandene) Temperaturdifferenz gesteigerte Wärmeabfuhr auch aus dem limitierenden Kern.
Richtig richtig. Alles absolut richtig!
Die deaktivierten Kerne sind aber quasi Wärmesenken, weil Sie selbst eine Verlustleistungsdichte von 0, bzw durch den Kühler drüber quasi eine negative Verlustleistungsdichte haben. Im Lastwechsel (ja das wird jetzt eklig wenn man es genau machen will, da Thermodynamik) hast du einen maximalen Temperaturgradienten, genau wie zum Kühler drüber, nur das du eben sehr viel näher dran bist und keine Übergänge hast. Das hilft schon um Spitzen ab zu federn, wobei es für echte Hotspots ziemlich egal sein sollte, da im Endeffekt geometrisch gesehen zu weit weg, als das man einen direkten Einfluss darauf hätte.
Der Knackpunkt ist eigentlich folgender, und da kommen wir eben wieder auf die Thermostatik zurück
Wenn wir eine maximallast dauerhaft anlegen, stellt sich nach einer gewissen Zeitspanne ein thermisches Gleichgewicht ein, wir dürfen also Thermostatik verwenden. Dann kann es uns aber völlig egal sein, wie reponsiv die Anbindung der deaktivierten Kerne an die restlichen DIE-Bereiche ist. Was wichtig ist, ist der Temperaturgradient, bzw das besser gesagt einfach die Temperaturen auf dem DIE. Wenn der Temperaturgradient zwischen deaktivierten Chipteilen und aktivierten klein ist, dann kann man in guter Näherung die reale Verlustleistungsdichte, die ja eigentlich sehr sehr ungleichmäßig im Ort UND! in der Zeit ist, durch einen skalar ersetzen, also Raum und Ort eleminieren. Das ist eben legitim, da du nur "große" Zeitskalen betrachtest, in denen also eine Mittelung erfolgt über die sich ändernde Verlustleistungsdichte. Kurz um, du schaust halt nur noch den statischen Temperaturgradienten auf dem DIE selbst an, und der ist eben relativ gering. Mehr als ~10°C wirst du kaum haben, eher sogar weniger. Die Anbindung ist halt doch ganz gut. Am Ende läufts aber eben darauf hinaus, dass sich die Wärmestromdichte eben verringert durch die zusätzliche DIE-Size, und daher die Temperatur einfach bei sonst gleicher Geometrie niedriger ausfällt.
Was einem halt klar werden muss ist, dass zwei Zeitskalen gibt. Einmal große Zeitskalen, in denen spielt die zeitliche Varianz der örtlichen Verlustleistungsdichte gar keine Rolle, und zusätzliche DIE-Size führt einfach zu einer besseren Anbindung, und damit sinkender Temperatur (werden wohl <10°C sein) und dann eben sehr kurze Zeitskalen, in denen dann Thermodynamik nur noch verwendet werden kann, aber eben auch nur noch kurze Längenskalen interessant sind, weil die thermische Anbindung so wichtig wird. Da spielt der IHS schon fast gar keine Rolle mehr, oder wenn maximal der untere Teil. Was relevant ist, ist die Frage Lot<->WLP, aber selbst das ist nur noch ne Nebensache. Da gehts wirklich dann nur noch darum, ob das Ding schmilzt, oder nicht, und da spielen eben 10°C mehr oder weniger eigentlich keine Rolle in der Betrachtung. Da kommts wirklich nur noch darauf an, wie viele Transistoren ich wie lange in welchem Areal schalten darf, ohne das mir der chip eben durchbrennt. Das sind aber soooo extrem kurze Zeitskalen, dass man die Areale mit gegebener Temperatur praktisch thermisch erstmal isoliert betrachten kann, und dann erst im nächsten Schritt wieder schauen kann, wie groß denn die Relaxationszeit ist, bis ich wieder erneut die Transistoren schalten darf.
Diese Art der Überlegungen ist aber völlig irrelevant für uns hier, weil wir eben daran wie der Chip aufgebaut ist, und wann wo welche Transistoren wie oft und lang schalten dürfen ja nichts ändern können. Was wir nur ändern können ist die Ausgangstemperatur, von der aus der Chip eben operiert, und da bewegen wir uns eben im bereich der großen Zeitskalen, womit eben wie oben ausgeführt das genaue Verlustleistungsprofil absolut irrelevant wird, und nur der Temperaturgradient wichtig ist, und da haben wir eben auf dem DIE nur relativ kleine Werte im Vergleich zum IHS/Kühler. Daher bedeutet kleine DIE-Size automatisch steigende Temperatur. Die Frage ist halt wie hoch! 5°C, 10°C oder 15°C? Und sind die 5, 10 oder 15 relevant? Also renne ich am Ende gegen ne Temperaturwand, oder macht vorher schon der Chip zu, weil die Signallaufzeiten nicht mehr eingehalten werden und ich Spannung wie blöd geben muss, und es eh keine Rolle spielt, das ich die Sache nicht mehr gekühlt bekomme, weil die Spannungen einfach extrem ungesund sind.
Die Sache ist halt, es sind nicht 10 oder 20% weniger DIE-Size, sondern man hat fast nur noch einen halb so großen DIE. Da ist man einfach an einem Punkt angekommen, wo man das nicht mehr unterschlagen kann. Es wird daher wirklich SEHR! spannend wie sich die Sache ausgeht. Deswegen wollte ich auch auf die Problematik hinweisen! Man muss es sich einfach sehr genau anschauen, ob es zum Problem wird, oder nicht. Der Grat ob Top oder Flop ist da extrem schmal.
- dreidimensional betrachtet: Der DIE in Einheit mit dem Heatspreader. Alternativ zum zweiten Punkt kann der seitliche Versatz auch erst im IHS erfolgen. D.h. die Wärme wird senkrecht über der Wärmequelle an Lot und IHS abgegeben und fließt dann seitlich ab - eben "heatspreading". Und hier stehen nicht 0,5 mm Silizium, sondern afaik 2-3 mm Kupfer für den Wärmeleit-Querschnitt zur Verfügung. Man hat bei diesem Weg somit den Nachteil, dass der Wärmestrom durch eine kleinere Fläche Lot muss, aber dafür steht danach grob eine 6 mal größere seitliche Wärmeleitkapazität zur Verfügung, als
im DIE selbst.
Äh da betrachtest du aber die Punkte isoliert. Das ist aber nicht statthaft. Du musst da berücksichtigen, dass die Verlustleistung eben eine Dichte ist, die man als Platte mit einem Gradientenfeld betrachten kann. Das führt dazu, dass du einen großteil eben nicht so einfach linear betrachten kannst, da eben von anderen Punkten bereits ein Wärmetransport partiell darüber erfolgt. Du musst da auch aufpassen bzgl der Orientierung der Flächen!
Die Fläche, die zur Wärmeleitung im DIE Beiträgt ist der Querschnitt vom DIE, soweit klar. Beim IHS ist es aber nicht der Querschnitt (dicke des IHS) der Beiträgt, sondern die Kontaktfläche, und dann eben aufsteigend Fächerförmig durch die Dicke des IHS. Wenn du also sagen wir mal 1mm² Fläche nimmst dann ist die seitliche Anbindung eben der eine Millimeter mal dicke des DIE und zum IHS aber einfach nur 1mm². Erst dahinter wirds dann mehr, aber wir gehen ja von einem nahezu konstanten Temperfeld auf dem DIE aus, also <10°C Abweichung zwischen wärmsten und kältestem Bereich. Was du da immer berücksichten musst ist die Weglänge vom zu betrachtenden Temperaturpunkt bis hin zum IHS. Das ist jetzt blöd zu erklären, aber ich versuchs mal. Die Randbereiche vom IHS tragen schon sehr viel weniger bei zur Wärmeleitung als die Bereiche direkt über dem DIE-Areal, das man betrachten will, einfach weil da dann wirklich cm dazwischen liegen. Durch nen kleineren DIE vergrößert sich diese mittlere Leitungslänge, die man zurücklegen muss, um vom Punkt der Verlustleistung zu dem Punkt zu kommen, der zur Kühlung beitragen soll. Durch die deaktivierten Kerne und den großen DIE hast du realtiv viel unter dem IHS abgedeckt, UND! auch noch areale gehabt, die ja unter sich gar nichts hatten, was "beheizt" wurde. Die hatten also gar keinen direkten Wärmestrom ab zu führen, sondern konnten(können) im IHS selbst eben zu einer Aufteilung des Wärmestroms beitragen. Mit IB-E wird das komplett anders. Du hast nicht mehr diese "toten" Areale, die dann im IHS besonders gut den Wärmestrom von benachbarten Areale aufnehmen können, und der DIE schrumpft eben an sich auch noch ziemlich zusammen, womit nur noch ein kleinerer Teil direkten kontakt hat, also quasi Abstand "~0mm". Der IHS wird dadurch in seiner Funktionalität massiv eingeschränkt, da sich einfach die Länge der durchschnittlichen Strecke, die der Wärmestrom im IHS nehmen muss massiv vergrößert.
In der Realität wirken alle drei Wege zusammen - die Frage ist aber: In welchem Verhältnis? Denn nur der zweite wird durch einen Verzicht auf zusätzliche DIE-Fläche beeinflusst. Dieses Problem kann man jetzt entweder simulieren, oder man guckt sich einfach mal die Flächen an:
Ein Kern von 4x5 mm kann nach oben über 20 mm² Lot die Wärme an den IHS abführen. Dort kann sie direkt auf 20 mm² an den Kühler abgegeben werden (Weg1), oder über 4+4+5+5 *2-3 mm Kantenfläche (also min. 36 mm²) im Kupfer weitergeleitet werden (Weg 3). Alternativ kann die Wärme über 4+5+5 *<0,5 mm Kantenfläche (also <7 mm². Nur 3 Kanten, da die Kerne heute alle am Rande des DIEs liegen) erst im Silizium weitergeleitet werden und dort dann an Lot und IHS übergeben werden.
Ruyven, die Betrachtung kannst du so nicht machen. Du darfst da nicht die reinen Querschnitte vergleichen. Damit unterschlägst du die Phasenübergänge und eben auch die Gesamtfläche, die sich reduziert, was sehr wichtig ist, da wir ja wie gesagt davon ausgehen können, dass die "toten" Areale im statischen Lastfall nicht signifikant kälter sein werden, als der Rest, so lange man eben große Zeitskalen anschaut, was wie oben versucht aus zu führen die einzig für uns interessante/relevante ist.
Meine Meinung: Dieser Querschnitt ist einfach winzig, im Vergleich zu den Alternativen.
Zudem führt sind die unmittelbar benachbarten Bereiche der CPU beim limitierenden Kern eben nicht stillgelegt, sondern selbst aktiv - wir haben also einen winzigen Querschnitt UND auch noch ein sehr geringes Temperaturgefälle. Da fließt kaum Wärme. Umgekehrt hat man zwischen DIE und IHS ein sehr großes Temperaturgefälle (denn der IHS wird ja gekühlt) und eine recht große Fläche. Der Wärmeleitwert auf den ersten µm im Lot und den Übergängen ist zwar relativ schlecht, aber wenn es um Wärmeverteilung geht, wird das zum Teil durch die umso bessere Wärmeleitung&großen Querschnitt des Kupfers dahinter kompensiert.
Geh von dem "aktiv/nicht aktiv" weg gedanklich. Das überflutet einen mit zu viel Information und verschränkt einen den Blick aufs wesentliche. Für uns sind wie gesagt nur große Zeitskalen interessant. Da "sieht" der IHS usw aber praktisch gar nicht, ob da jetzt DIE-Areale selbst aktiv sind, oder nur von den benachbarten Arealen aufgeheizt werden, und wenn man sich die Tempverteilung in dem statischen Fall anschaut, dann wird die relativ gleichverteilt sein, sobald sich eben mal ein thermisches Gleichgewicht eingestellt hat. Stell dir einfach das Bild mit den Fächern aus jedem Raumpunkt vor, und stell dir dann vor, wie sich diese Fächer überlagern. Je mehr Sie sich überlagern, desto höher ist die Wärmestromdichte, und je weiter man vom Ausgangspunkt des Fächers weg ist, desto weniger trägt der Bereich zum Wärmeleitung bei. Also eigentlich ein Fächer, der am Ausganspunkt völlig undurchsichtig ist, und dann immer durchsichter wird. Die Transparenz kann man dann gleich setzen mit der Wärmestromdichte. Jetzt überlager das alles, und du wirst "leicht" erkennen, das durch den Wegfall der deaktivierten Kerne und die gleichzeitig auch noch sonst gesunkene DIE-Size das ganze viel dichter gepackt ist, also die Temp ansteigen muss. Das Problem ist echt, dass sich einfach die Grundfläche so verkleinert, und dadurch eben auch der IHS weniger effektiv arbeitet, da die mittlere Distanz innerhalb der die Wärmeleitung erfolgt sprunghaft ansteigt. Da reden wir ja schnell von Distanzen im Bereich von nem cm, und nicht mehr im Bereich von nem Millimeter, oder gar nur dem Bruchteil davon. Man muss sich da immer die Frage stellen, was sieht denn effektiv jeder Punkt des Chips, und da ist die Entfernung eben sehr sehr sehr wichtig. Je weiter etwas weg ist, desto unbedeutender wird es für den jeweiligen Punkt.
Wenn bei SB-E insgesamt mehr als 5% des Wärmestroms die Kerne seitlich verlässt, würde mich das überraschen. Mehr als 10% halte ich für unmöglich (außer ein Kern grenzt direkt an einen deaktivierten Bereich - aber das tun maximal vier). Und diese <5% entfallen keineswegs vollständig, wenn es keine deaktivierten Bereich mehr gibt, sondern es reduziert sich eben nur geringfügig der Temperaturgradient, der einen Teil der Wärme in diese Richtung fließen lässt. Statt 5% sinds dann vielleicht nur 4%. Die Gesamtkühlleistung sinkt um einen satten Prozentpunkt - demgegenüber stehen die Sparmaßnahmen durch die neue Architektur.
Das unterschätzt du massiv. Das mag für Verlustleistungspulse gelten, weil die eben ballistisch zu betrachten sind, aber nicht für lange Zeitskalen.
Da interessiert es nur, wie warm die deaktivierten Kernbereiche relativ zu den anderen sind. Mehr als 10°C Temperaturunterschied würde ich nciht erwarten, und damit tragen die deaktivierten Kerne in der gleichen Größenordnung zur Wärmeabgabe bei wie die aktiven Kerne.
(Und diese Betrachtung müsste eigentlich noch weiter relativiert werden:
Auch das Substrat verteilt Wärme und ist sehr gut angebunden. Auf einer von drei Seiten grenzen Kerne an ihren L2 Cache - diese relativ gute On-DIE-Wärmeverteilmöglichkeit steht den Kernen so oder zur Verfügung. Eine weitere Kante ist von den deaktivierten -oder eben fehlenden- Bereichen weggerichtet. Von den oben berechneten drei Kanten ist also eigentlich nur eine überhaupt durch die Änderung betroffen. Weitere Krümelkackerei wäre die Betrachtung der limitierenden Hotspots im engeren Sinne. Schließlich wird nicht dem ganzen Kern zu heiß, sondern nur einem winzigen Teil davon. Ziel ist es, diese Wärme 0,1-1 mm weiter zu leiten. Wieviel Einfluss kann da wohl ein 15 mm entfernter Teil des DIEs ausüben, im Vergleich zum 15 µm entfernten IHS? ...)
Absolut richtig, nur das Problem an der Sache ist, das PAckage ist praktisch durch die Pins/Federn vom Mainboard thermisch isoliert. Da wird nur wenig Wärme abtransortiert, und nach oben zum IHS hast du einen Luftspalt, da trägt also nichts zusätzlich zur Wärmeleitung bei.
Das Package führt eigentlich nur zu einem. Du erhöhst die Wärmekapazität und kannst damit Spitzen auf kleinen Zeitskalen besser abpuffern, verlänger aber eben die Relaxationszeit des Systems, also dämpft es einfach, und auf der anderen Seite erhöhst du damit eben auch wieder die ANbindung von nicht aktiven DIE-Bereichen.Zur wärmeabfuhr im Sinne einer Senke trägt es auf großen Zeitskalen aber kaum bei.
Sieht man ja auch ganz deutlich auf Wärmebildern. Hinter dem Sockel ist das MB zwar recht groß, aber du hast halt im Vergleich zum Kühler null Oberfläche, und das PCB an sich leitet die Wärme auch vergleichsweise schlecht ab. Deswegen sieht man den Sockel ja auch so schön. Was du da hast ist Wärmetransport duch Konvektion und Wärmestrahlung, das werden für den Sockelbereich war nur <10W sein, die du da an Wärme abführen kannst. Das kannste voll vergessen. Die Anbindung der einzelnen Chipbereiche durch einen Alternativweg hat da einen viel größeren Einfluss, wobei da auch praktisch nur die ersten 1 bis maximal 10mm relevant sien werden, also der Wärmetransport von einem Ende des DIEs zum anderen Ende des DIEs über das Package wirst du vernachlässigen können.
Scheiß niveauvolle Diskussionen
Aber immerhin ist das hier nicht das WPW, wo man z.T. noch eine halbe Stunden Quellenrecherche für ein solides Post investieren muss.
WPW?
Naja, ich nehm mir da schon die Zeit für, auch mal was nochmal nach zu schlagen, und nach "Quellen" zu suchen, die das einfach nochmals besser erklären. Der Post hier hat jetzt halt auch gut 90 min gedauert
Das ist halt ECHT scheis komplex, und man muss so viele Seiteneffekte beachten und bewerten, das ist echt nicht mehr feierlich. Mir ist z.B. auch erst jetzt als ich es versucht habe zu erklären bewusst geworden, dass die wegfallenden Kerne ja nicht nur die DIE-Size an sich reduzieren, sondern eben auch noch die mittlere Wärmeleitungslänge im IHS vergrößern
Das hatte ich gar nicht bedacht, als ich den Artikel geschrieben habe, das macht die Problematik aber noch größer....
Wir also echt spannend, wie sich die Temperaturen bei IB-E insbesondere bei MAX-OC entwickeln. Für den stock betrieb würde ich ja wie gesagt keine Probleme erwarten. Das könnte erst bei einem nochmaligen Shrink passieren. Die Max-Luft-OCler könnten sich aber wohl wirklich umschauen müssen.
Ist aber schon lustig, auf was man alles achten muss, und wie leicht man SAchen übersieht.
aber artet teils echt in Arbeit aus 
Da sah es auf jeden Fall relativ gutartig aus. Also die Hotspots absolut fern ab von gut und Böse, aber eben sehr sehr stark lokalisiert, und der Rest dann fast gleich warm.
