Ba nguồn tạo nhiệt từ chip bán dẫn
Anh em đã hiểu nhiệt hoạt động và di chuyển giữa các vật thể như thế nào. Giờ hãy nói về nguồn gốc của nó từ đâu. Tất cả các thiết bị điện tử kỹ thuật số đều được tạo thành từ hàng triệu hoặc thậm chí hàng tỷ transistor. Về cơ bản, transistor là những công tắc được điều khiển bằng dòng điện, bật và tắt hàng tỷ lần mỗi giây. Bằng cách kết nối một số transistor lại với nhau, chúng ta có thể tạo thành cấu trúc phức tạp của một chip máy tính.
Khi các transistor này hoạt động, chúng tiêu tán năng lượng từ ba nguồn: Chuyển mạch (switching), ngắn mạch (short-circuit) và rò điện (leakage). Năng lượng chuyển mạch và ngắn mạch đều được coi là nguồn nhiệt động vì chúng bị ảnh hưởng bởi việc transistor bật và tắt. Còn điện rò rỉ thì được coi là giá trị tĩnh vì nó không đổi, và không bị ảnh hưởng bởi hoạt động của transistor.
Hãy bắt đầu với nhiệt lượng từ chuyển mạch.
Để bật hoặc tắt một transistor, phải đặt điện áp gate xuống mức ground (logic 0) hoặc Vdd (logic 1). Tuy nhiên, việc này không đơn giản như lúc bật công tắc vì điện áp cổng này có một mức điện dung rất nhỏ. Anh em có thể coi đây là một loại pin sạc kích thước siêu nhỏ. Để kích hoạt cổng, phải nạp điện cho pin vượt qua một ngưỡng điện áp nhất định. Khi sẵn sàng tắt cổng transistor, cần xả lượng điện đó. Mặc dù các cổng này siêu nhỏ, nhưng có hàng tỷ cổng như vậy trong chip hiện đại và chúng sẽ thực hiện chuyển đổi bật tắt hàng tỷ lần mỗi giây.
Một lượng nhiệt nhỏ được tạo ra mỗi khi điện tích cổng đó bị xả xuống điện cực ground. Để tính toán năng lượng chuyển mạch, chúng ta nhân hệ số hoạt động (tỷ lệ trung bình của các transistor chuyển đổi ở bất kỳ chu kỳ nào), tần số, điện dung cổng và bình phương điện áp lại với nhau.
Bây giờ hãy xem xét năng lượng ngắn mạch. Điện tử kỹ thuật số hiện đại sử dụng một kỹ thuật gọi là CMOS. Các transistor được sắp xếp sao cho không có đường dẫn trực tiếp nào để dòng điện chạy xuống điện cực ground. Trong ví dụ về cổng logic NOT ở hình trên, có hai transistor bổ sung. Mỗi khi transistor phía trên bật, transistor phía dưới tắt, và ngược lại. Điều này đảm bảo rằng đầu ra là 0 hoặc 1 và là nghịch đảo của giá trị đầu vào.
Tuy nhiên, trong quá trình chuyển đổi các transistor bật và tắt, có một khoảng thời gian rất ngắn mà cả hai transistor đều dẫn điện đồng thời. Khi một bộ đang tắt và bộ khác đang bật, chúng sẽ dẫn điện khi đạt đến điểm giữa. Điều này là không thể tránh khỏi và tạo ra một đường dẫn tạm thời để dòng điện chảy trực tiếp sang điện cực ground. Chúng ta có thể cố gắng hạn chế điều này bằng cách làm cho các transistor chuyển đổi nhanh hơn giữa trạng thái bật và tắt, nhưng không thể loại bỏ hoàn toàn tình trạng đó.
Khi tần số vận hành của chip tăng lên, sẽ có nhiều thay đổi trạng thái hơn và nhiều tình huống ngắn mạch tức thời hơn. Điều này làm tăng lượng nhiệt tỏa ra từ chip. Để tính toán năng lượng ngắn mạch, chúng ta nhân dòng điện ngắn mạch, điện áp hoạt động và tần số chuyển mạch lại với nhau.
Cả hai ví dụ trên đều là nguồn nhiệt động. Nếu muốn giảm chúng, cách dễ nhất là chỉ cần giảm tần số vận hành, tức là xung nhịp của chip. Điều này thường không thực tế vì nó sẽ làm chậm hiệu năng của chip. Một lựa chọn khác là giảm điện áp hoạt động của chip. Giải pháp này hợp lý hơn. Chip trước đây chạy ở mức 5V trở lên, trong khi CPU hiện đại hoạt động ở mức khoảng 1V.
Bằng cách thiết kế transistor để hoạt động ở điện áp thấp hơn, chúng ta có thể giảm lượng nhiệt thất thoát thông qua năng lượng động. Hai dạng năng lượng động kể trên cũng là lý do tại sao CPU và GPU của anh em nóng lên khi ép xung (overclock). Lúc đó anh em đang tăng tần số vận hành, và thường là cũng sẽ phải tăng điện áp cấp cho chip. Điện càng mạnh thì xung càng cao. Và xung càng cao thì càng tạo ra nhiều nhiệt mỗi chu kỳ.
Loại nhiệt cuối cùng được tạo ra trong thiết bị điện tử kỹ thuật số là năng lượng rò rỉ. Chúng ta thích nghĩ rằng transistor hoàn toàn bật hoặc tắt, nhưng đó không phải là cách chúng hoạt động trong thực tế. Luôn có một lượng dòng điện rất nhỏ chảy qua ngay cả khi transistor ở trạng thái không dẫn điện. Đây là một công thức rất phức tạp, và tác động của hiệu ứng này ngày càng trở nên tồi tệ hơn khi chúng ta tiếp tục thu nhỏ kích thước transistor.
