Caracterização e análise térmica de um microprocessador de alta performance via método numérico.

Abstract

Este trabalho propõe uma análise térmica de um microprocessador de alta performance, a fim de avaliar a eficiência térmica de variadas configurações de construção física através de simulações computacionais em volumes finitos. Devido ao avanço da tecnologia, a quantidade de transistores acomodadas em um microchip dobra a cada 18 meses. Porém, a geração de calor também cresce constantemente, tornando-se um obstáculo a ser superado a fim de suprir a crescente demanda por processamento computacional. O estudo se baseou no microprocessador “Intel i5 3570K” e os modelos foram criados no software de desenho 3D SolidWorks da Dassault Systèmes S.A. Foram criados 5 modelos a partir da pesquisa acerca das configurações usuais dos microprocessadores e hipóteses de simplificação foram adotadas a fim de tornar possível a elaboração dos modelos. As simulações numéricas em volumes finitos foram realizadas no software Multiphysics da ANSYS, Inc., onde o problema de condução de calor foi aproximado. Para obter resultados mais abrangentes, variou-se os parâmetros para a resistência térmica de dissipador e a potência térmica de projeto (TDP). Foram analisadas as temperaturas máximas e mínimas atingidas no Die (núcleo), e a temperatura no centro geométrico da superfície superior do Difusor de Calor Integrado (IHS), tampa metálica que cobre o Die. Verificou-se que a diferença da solda de Índio com 0,2 mm de espessura para a pasta térmica Dow Corning TC-1996 com 0,025 mm de espessura foi de 1,9 e 2,5 ºC para a temperatura máxima no Die com TDP de 77 e 100 W, respectivamente, para resistências térmicas equivalentes do dissipador. Quantificou-se a importância de garantir uma espessura mínima para a pasta térmica, comparando espessuras de 0,025, 0,05 e 0,075 mm. Quanto à utilização do Die exposto, ficou clara a vantagem sobre as outras configurações. A temperatura máxima no Die foi de 9,7 a 11,9 ºC menor do que as observadas para a configuração mais usual de pasta térmica, com 0,025 mm de espessura, para a TDP de 77 W. Para 100 W, essa diferença aumentou para 12,6 a 15.5 ºC. Também se observou que a diferença entra as temperaturas máximas e mínimas foi menor nessa configuração, resultando em uma distribuição mais homogênea.

This study presents a thermal analysis of a high-performance microprocessor in order to evaluate the thermal efficiency of various physical construction configurations through computational simulations using finite volumes. Due to the advancement of technology, the number of transistors accommodated in a microchip doubles every 18 months. However, the generation of heat also grows constantly, becoming an obstacle to be surpassed in order to supply the growing demand for computational processing. The study was based on the Intel i5 3570K microprocessor and the models were created in the 3D drawing software SolidWorks from Dassault Systèmes S.A. Five models were created from the research of the usual microprocessor configurations and simplification assumptions were adopted to make modeling possible. Numerical simulations in finite volumes were performed using the software Multiphysics from ANSYS, Inc., where the heat problem was approximated. In order to obtain extended results, the parameters for the Thermal Design Power (TDP) and the heat sink’s thermal resistance were varied. It was explored the maximum and minimum temperatures reached in the Die (Core), and the temperature on the geometric center of the upper surface of the Integrated Heat Spreader (IHS). The difference for the maximum temperature in the Die between the 0.2 mm thick Indium weld and the 0.025 mm thick Dow Corning TC-1996 thermal compound was found to be, for equivalent heatsink thermal resistors, 1.9 and 2.5 °C for a TDP of 77 and 100 W, respectively. It was quantified the importance of ensuring a minimum thickness for the thermal paste, comparing thicknesses of 0.025, 0.05 and 0.075 mm. As for the use of an exposed Die, the advantage over the other configurations was clear. Die’s maximum temperature was found to be from 9.7 to 11.9 °C lower than those observed for the most usual configuration, with a 0.025 mm thick thermal paste layer, for a TDP of 77 W. For 100 W, the difference increased to 12.6 up to 15.5 °C. It was also observed that the difference between the maximum and minimum temperatures was lower in this configuration, resulting in a more homogeneous distribution.