Grundlagen zu den Temperaturen in einem Prozessor

Da ich immer wieder hier in diesem Zweig lese, dass es Unklarheiten bezüglich der Temperaturen in einem Chip gibt, möchte ich nun eine kleine Erklärung formulieren die diese Fragen füllen soll.

Inhalt:
1. Wie wird die Temperatur gemessen im Chip?
2. Wie hoch darf die Temperatur maximal sein?
3. Wissenswertes
4. Quellen


1. Wie wird die Temperatur gemessen im Chip?:

Es gibt nur wenige Methoden die hier bei Prozessoren im Computer zum Einsatz kommen. Generell wären dies:

1. Interne Ermittlung über die Schwellenspannung einer Diode
2. Interne Ermittlung mittels einer Kapazität
3. Interne Ermittlung mittels einer Widerstandsbrücke
4. Externe Ermittlung über einen NTC/PTC
5. Externe Ermittlung über Diode/Kapazität

1. Interne Ermittlung über die Schwellenspannung einer Diode:

Einen einfachen p-n-Übergang zu erzeugen ist im Bipolar- so wie im CMOS-Prozess kein großes Problem. Da man eh p- und n-Schichten benötigt zur Herstellung der Transistoren. Es ist auch die häufigste Methode die im Chip verwendet wird.
Denn die Diode ist zudem mit ca. -1mV pro Kelvin (K) Offset, bei einer Si-Diode, sehr genau zu bestimmten bis auf Konzentrationsunterschiede bei der Dotierung. Diese sind aber ohne ein Vormessen nicht zu ermitteln somit ist dies meist die Standartabweichung.
Es muss also nur immer mit einer Frequenz die Diode zum durchschalten gebracht werden und jedesmal der Schaltpunkt (Schwellenspannung) festgehalten werden. Das ist recht genau möglich da es der Punkt ist an dem der Strom erheblich steigt. Im Idealfall nimmt man an gegen Unendlich. Wenn man diese Spannung nun hat nimmt man die bei Raumtemperatur (20°C) üblichen 0,7V und vergleicht diese mit der gemessenen Spannung.

Rechenbeispiel:
Schwellenspannung bei 20°C = 0,7V
Schwellenspannung gemessen = 0,68V
Differenz = -0,02V = -20mV
Temperatur: -1mv = +1K / -20mV = +20K / +20K = +20°C / 20°C+20°C = 40°C

Somit kann also die Temperatur sehr genau ausgelesen werden. Abhängig ist es eben nur noch davon wie genau die Diode an den idealen 0,7V bei Si liegt und wie genau der Auswertechip (meist ein Produkt von Winbond) das Signal erfasst (hier können Störfrequenzen so wie Leitungswiderstände einen Einfluss noch haben).


2. Interne Ermittlung mittels einer Kapazität:

Funktioniert beinahe gleich wie bei der Diode nur das hier die Temperaturabhänigkeit einer Kapazität bewertet wird. Ist jedoch sehr selten da das Herstellen einer genauen Kapazität nicht so leicht möglich ist da der Ätzstop des Dielektrika (SiO2, Si3N4) nicht genau genug bestimmt werden kann. Selbst beim Trockenätzen kann die Detektion fehlerhaft sein.
Auch hier wird dann ein Drift in mv/K ausgewertet. Leider habe ich dazu nicht nähere Informationen da es eben unüblich ist.


3. Interne Ermittlung mittels einer Widerstandsbrücke:

Hier bei kommt die Wheatstone-Brücke zum Einsatz. Hier wird ebenfalls dann eine Veränderung in mV/K ermittelt. Auch dieses verfahren findet äuserst selten Einsatz nach meinem Kenntnisstand da hierzu im Idealfall Platin als Widerstandsmedium benötigt wird.


4. Externe Ermittlung über einen NTC/PTC:

durch den Fühler geschickt und die abfallende Spannung gemessen.Diese Methode war zu Zeiten wo man noch nicht über Dioden im Chip gemessen hat, am weitesten verbreitet. Bei Sockel A und Sockel 370 Systemen war dabei immer ein NTC oder PTC im Sockel-Loch untergebracht. Dadurch war auch gleich klar das der gemessene Wert weit von dem Realwert abweicht.
Hier wurde von den Winbond-Chip einfach ein Strom durch den Fühler geschickt und einfach die Spannung die abfällt gemessen. Je nach Winbond musste dann auch der Fühler sein da der Winbond die gemessene Spannung vergleicht mit einer ihm bekannten Kurve (Spannung in Abhängigkeit der Temperatur).


5. Externe Ermittlung über Diode/Kapazität:

Ein verfahren das wie intern funktioniert und dann eben im Sockel-Loch ein SMD-Kondensator oder eine SMD-Diode war. Auch hier vergleicht der Winbond mit einer ihm bekannten Skala.

Beide Verfahren (4. und 5.) sind auch entsprechend der Bauteiltoleranzen ungenau.




2. Wie hoch darf die Temperatur maximal sein?:

Die maximale Temperatur eines jeden Prozessors gibt der Hersteller in den Spezifikationen jedes mal erneut an.

Ich habe jedoch bereits in der Vergangenheit schon einmal erweitert etwas dazu verfasst das möchte ich nun gerne zitieren:

Ich denke damit ist zur wirklichen Auswirkung der Temperatur im Chip alles gesagt auch im Hinblick aufs OCen.



3. Wissenswertes:

Hier ein paar Wikipedia-Links wo man nochmals einiges nachlesen kann.

• Diffusion: http://de.wikipedia.org/wiki/Diffusion
• Elektromigration: http://de.wikipedia.org/wiki/Elektromigration
• CMOS: http://de.wikipedia.org/wiki/Complem..._Semiconductor
• Bipolar: http://de.wikipedia.org/wiki/Insulat...lar_Transistor
• Silicium: http://de.wikipedia.org/wiki/Silicium
• Flip-Chip: http://de.wikipedia.org/wiki/Flip-Chip-Montage
• SOI: http://de.wikipedia.org/wiki/Silicon_on_insulator
• Diode: http://de.wikipedia.org/wiki/Diode
• Wheatstone-Brücke: http://de.wikipedia.org/wiki/Wheatstone-Brücke
• Kapazität/Kondensator: http://de.wikipedia.org/wiki/Kondensator_(Elektrotechnik)
• ASIC (Winbond ist bei der Auswertung quasi ein ASIC): http://de.wikipedia.org/wiki/Anwendungsspezifische_Integrierte_Schaltung

4. Quellen:

Weitestgehend stammen alle Hintergrundinformationen aus meinem eigenen Wissen daher können sich auch Fehler eingeschlichen haben. Ich bitte daher ausdrücklich alle Elektrotechniker hier um Feedback falls ihr Fehler findet!
Ansonsten findet ihr erweitertes in den Links oben.

Erweiterung 1:
Inhalt:
1. Verschiedene Sockel

• Sockel A, 370, 7
• Sockel 754, 939, AM2, AM2+
• Sockel 478
• Sockel 775

2. Kühlermaterial
3. Wichtiges
4. Kühler-Paste-Temperatur-Liste

1. Sockel:

• Sockel A, 370, 7:
  Bei diesen Sockeln kommt die zwei bis drei Nasen Halterung zum Einsatz. Vom Grundprinzip her wird an diesen Nasen immer auf irgend eine Art eine Halteklammer befestigt die den Kühler auf den Prozessor drückt. Bei sockel 7 waren die Chips noch im Keramik oder Metallgehäuse. Bei Sockel A und 370 kommt der Kühler dierekt auf den Chip. Einzigste Ausnahme sind die Pentium3 Celeron diese haben ein Metallgehäuse noch drauf ähnlich dem des Pentium4.
  Bei diesen Sockeln ist immer ertwas Vorsicht geboten bei der Kühlerinstallation am meisten dann wenn der Kühler dierekt auf den Chip kommt. Die Nasen können zum einen bei zu viel Druck brechen zum anderen kann der Chip z.B. durch um 180° verdrehte Kühler beschädigt werden.
  Generell gilt für diesen Sockel das Kühler mit größerem Gewicht zum Transport abgenommen werden sollten da auch hier leicht die Nasen abbrechen können.
• Sockel 939 und co:
  Hier findet man annähernd die Halterung des Sockel A wieder nur nicht mehr am sockel selbst sondern an einem Modul. Die Prozessoren sitzten ab Werk im Gehäuse und sind nicht gefährdet. Auch hier gilt, das Gewicht ist begrenzt. Die Montage ist bei den meisten Kühlern jedoch sehr leicht da die neuen Halteklammern leicht ein zu hängen sind.
• Sockel 478:
  Bei diesem Sockel kommt ein recht bewährtes Retantionmodul zum Einsatz. Der Kühler wird hierbei mit zwei Spannklammern am Modul befestigt. Da der Pentium4 ab Werk in einem Metallgehäuse sitzt ist er bei der Montage wenig gefährdet. Das aufsetzten des Kühlers ist zudem einfacher da die Ausrichtung vorgegeben wird und ein Verdrehen um 180° nichts ausmacht. Aber auch für diesen Sockel gilt das es eine Gewichtsgrenze gibt nach der es gefährlich wird und das Modul brechen kann.
• Sockel 775:
  Die Pushpins sind ja in fast aller Munde. Nun es wird immer wieder Kretik an deren Festigkeit laut.
  Zuerst einmal aber ein paar Vorteile dieser Befestigung. Der Kühler kann in 90° Winkeln befestigt werden. Wierum ist dabei egal aber im Idealfall so das die warme Luft nach oben richtung Netzteil oder nach hinten zum Gehäuselüfter geht.
  Nun zur Stabilität der Pins, es kommt dabei schwer auf den Hersteller des Kühlers an. Bei den Boxedkühlern und Billigkühlern versagen diese gerne einmal. Bei teureren Marken wie Scythe heben sie bomben fest. Mein Mugen mit ordentlich Gwicht hängt sicher an den Pins und ich würde sie auch gegen nichts tauschen wollen. Jedoch ist es für den Extremfall sicher besser ein schwerer Kühler wird dierekt verschraubt. Das gilt im übrigen für alle Sockel mit Mountingholes.

2. Material:
Ein Kühler besteht in den meisten Fällen aus Aluminium und/oder Kupfer. Diese beiden Metalle sind nicht all zu teuer und haben einen guten Wärmeleitwert. Zudem unterstützt man die Kühler heute mit den Heatpipes. In diesen wird die Wärme nochmal mit Hilfe eines speziellen Mittels besser abgeleitet und kann auf größere Flächen verteilt werden. Generell gilt es heute eine große Fläche zu haben die mit möglichst leisen Lüftern gekühlt werden kann. Die Lüftergrößen sind bei modernen guten Kühlern 92mm und größer. Meistens 120mm da diese Lüfter schon recht große Luftmengen bei sehr kleinen Drehzahlen fördern können.


3. Wichtiges:
Generell ist es wichtig bei einer Kühlerinstallation mit Besonnenheit und Ruhe ans Werk zu gehen. Gerade bei den Pushpins von Intel geht schnell etwas kaputt wenn Gewalt ins Spiel kommt. Auch können Kühler zum Teil verkippen.
Ein weiterer wichtiger Punkt gilt für neue Kühlkörper. Viele haben eine Folie an der Stelle wo die CPU sitzen soll. Diese ist auf jeden Fall zu entfernen da sie meisten stark isoliert und die Temperaturen ins unermessliche getrieben werden können.
Sollte der Lüfter einmal gewechselt werden, so ist bei diesem Wechsel zu beachten das der neue Lüfter dann auch richtig sitzt. Zudem sollten die Temperaturen am Anfang beobachtet werden wo sie sich hinbewegen.



4. Kühler-Paste-Temperatur-Liste
Muster:

Kühler|Paste|Temperatur Idle|Temperatur Load|Bild

(Bei Bild ein Bild von der Load Temperatur)


To be continued

Version: 1.1.0
Stand: 18.12.2008

Grüße Tobi

 

Tut mir leid, das übersteigt meine Kompetenzen bei weitem da ich doch stark fixiert bin auf Halbleitertechnik und weniger auf Wärmephysik. Zudem besitzte ich nicht alle verschiedenen Pasten und es gibt auf dem Markt rund 30. Alle zu Testen, zu beschreiben und noch festzustellen mit welchem Kühler sie am besten gehen und vorallem bei welcher CPU würde eine Testserie von weit über 1000 Versuchen ergeben. Das kann man allerhöchstens in einem extra Thema mit Hilfe der User ermöglichen. Für eine Einzelperson schlicht unmöglich.

 

Sicherlich ist es möglich Grundlagen zu erfassen. Jedoch stößt man auch hier schnell an die Gernze der Machbarkeit. Ich besitzte so. 775, so. A, so. 478 und so. 7 Systeme anhand deren ich was zeigen kann. Man braucht aber zumindest noch ein so. 939/AM2/AM2+ um auch hier etwas darsetellen zu können.

Ich würde mir das so vorstellen:
1. Grundlagen
2. Wichtiges bei den einzelnen Sockeln:
- Sockel 7/370/A
- Sockel 478
- Sockel 754/939/AM2/AM2+
- Sockel 775
3. CPU - Paste - Kühler Tabelle zu der Jeder User Angaben machen kann und es wird ergänzt.

 

Erweiterung 1

Erweiterung 1:
Inhalt:
1. Verschiedene Sockel

• Sockel A, 370, 7
• Sockel 754, 939, AM2, AM2+
• Sockel 478
• Sockel 775

2. Kühlermaterial
3. Wichtiges
4. Kühler-Paste-Temperatur-Liste

1. Sockel:

• Sockel A, 370, 7:
  Bei diesen Sockeln kommt die zwei bis drei Nasen Halterung zum Einsatz. Vom Grundprinzip her wird an diesen Nasen immer auf irgend eine Art eine Halteklammer befestigt die den Kühler auf den Prozessor drückt. Bei sockel 7 waren die Chips noch im Keramik oder Metallgehäuse. Bei Sockel A und 370 kommt der Kühler dierekt auf den Chip. Einzigste Ausnahme sind die Pentium3 Celeron diese haben ein Metallgehäuse noch drauf ähnlich dem des Pentium4.
  Bei diesen Sockeln ist immer ertwas Vorsicht geboten bei der Kühlerinstallation am meisten dann wenn der Kühler dierekt auf den Chip kommt. Die Nasen können zum einen bei zu viel Druck brechen zum anderen kann der Chip z.B. durch um 180° verdrehte Kühler beschädigt werden.
  Generell gilt für diesen Sockel das Kühler mit größerem Gewicht zum Transport abgenommen werden sollten da auch hier leicht die Nasen abbrechen können.
• Sockel 939 und co:
  Hier findet man annähernd die Halterung des Sockel A wieder nur nicht mehr am sockel selbst sondern an einem Modul. Die Prozessoren sitzten ab Werk im Gehäuse und sind nicht gefährdet. Auch hier gilt, das Gewicht ist begrenzt. Die Montage ist bei den meisten Kühlern jedoch sehr leicht da die neuen Halteklammern leicht ein zu hängen sind.
• Sockel 478:
  Bei diesem Sockel kommt ein recht bewährtes Retantionmodul zum Einsatz. Der Kühler wird hierbei mit zwei Spannklammern am Modul befestigt. Da der Pentium4 ab Werk in einem Metallgehäuse sitzt ist er bei der Montage wenig gefährdet. Das aufsetzten des Kühlers ist zudem einfacher da die Ausrichtung vorgegeben wird und ein Verdrehen um 180° nichts ausmacht. Aber auch für diesen Sockel gilt das es eine Gewichtsgrenze gibt nach der es gefährlich wird und das Modul brechen kann.
• Sockel 775:
  Die Pushpins sind ja in fast aller Munde. Nun es wird immer wieder Kretik an deren Festigkeit laut.
  Zuerst einmal aber ein paar Vorteile dieser Befestigung. Der Kühler kann in 90° Winkeln befestigt werden. Wierum ist dabei egal aber im Idealfall so das die warme Luft nach oben richtung Netzteil oder nach hinten zum Gehäuselüfter geht.
  Nun zur Stabilität der Pins, es kommt dabei schwer auf den Hersteller des Kühlers an. Bei den Boxedkühlern und Billigkühlern versagen diese gerne einmal. Bei teureren Marken wie Scythe heben sie bomben fest. Mein Mugen mit ordentlich Gwicht hängt sicher an den Pins und ich würde sie auch gegen nichts tauschen wollen. Jedoch ist es für den Extremfall sicher besser ein schwerer Kühler wird dierekt verschraubt. Das gilt im übrigen für alle Sockel mit Mountingholes.

2. Material:
Ein Kühler besteht in den meisten Fällen aus Aluminium und/oder Kupfer. Diese beiden Metalle sind nicht all zu teuer und haben einen guten Wärmeleitwert. Zudem unterstützt man die Kühler heute mit den Heatpipes. In diesen wird die Wärme nochmal mit Hilfe eines speziellen Mittels besser abgeleitet und kann auf größere Flächen verteilt werden. Generell gilt es heute eine große Fläche zu haben die mit möglichst leisen Lüftern gekühlt werden kann. Die Lüftergrößen sind bei modernen guten Kühlern 92mm und größer. Meistens 120mm da diese Lüfter schon recht große Luftmengen bei sehr kleinen Drehzahlen fördern können.


3. Wichtiges:
Generell ist es wichtig bei einer Kühlerinstallation mit Besonnenheit und Ruhe ans Werk zu gehen. Gerade bei den Pushpins von Intel geht schnell etwas kaputt wenn Gewalt ins Spiel kommt. Auch können Kühler zum Teil verkippen.
Ein weiterer wichtiger Punkt gilt für neue Kühlkörper. Viele haben eine Folie an der Stelle wo die CPU sitzen soll. Diese ist auf jeden Fall zu entfernen da sie meisten stark isoliert und die Temperaturen ins unermessliche getrieben werden können.
Sollte der Lüfter einmal gewechselt werden, so ist bei diesem Wechsel zu beachten das der neue Lüfter dann auch richtig sitzt. Zudem sollten die Temperaturen am Anfang beobachtet werden wo sie sich hinbewegen.



4. Kühler-Paste-Temperatur-Liste
Muster:

Kühler|Paste|Temperatur Idle|Temperatur Load|Bild

(Bei Bild ein Bild von der Load Temperatur)




To be continued

 

Erweiterung 1 Updatet am 20.4.2008

Ihr könnt schonmal mit der Angabe zu der Kühler-Paste-Temperatur Liste beginnen.

Und zwar nach diesem Muster:

Kühler|Paste|Temperatur Idle|Temperatur Load|Bild

(Bei Bild ein Bild von der Load Temperatur)