CPU溫控技術的分析及其對策

要　本文通過對CPU升溫原理的分析，列出當前幾種主要的溫控技術，并對它們的優(yōu)缺點進行分析，同時探索了各種不同的抑制CPU升溫或者降溫的措施，最后給出對CPU各種不同降溫措施的評價。

關鍵字　處理器；動態(tài)功耗；溫度監(jiān)控

1　引言
隨著CPU集成度和運行速度的不斷提高，其功耗也越來越大，導致CPU的運行溫度越來越高，并成為CPU技術發(fā)展的瓶頸。CPU的溫升不僅影響CPU技術的進一步快速發(fā)展，而且直接影響CPU的穩(wěn)定性和使用壽命。如何抑制CPU的溫升和迅速降低CPU的溫度成為CPU設計和使用的一個重點。CPU設計者主要從體系結構設計、集成電路半導體材料選擇、CPU內(nèi)功能電路布局、CPU幾何尺寸等方面把握CPU的理論功耗和表面散熱途徑。CPU在完成設計并成為產(chǎn)品以后，在使用的過程中，它的實際功耗和散熱效率會因不同的使用環(huán)境而有所不同。CPU的使用環(huán)境包括周圍溫度、氣壓、通風、供電電壓、時鐘頻率、散熱措施、負荷特點等。本文重點討論各種溫控技術，并且給出解決降溫的各種措施。

2　影響CPU溫升的因素 CPU的溫升取決于兩大方面，一個方面是CPU工作不斷產(chǎn)生的熱量累積；另一個方面是對CPU產(chǎn)生的熱量的導散。熱量增加和散熱不暢都會導致CPU的溫度上升，并造成對CPU的損傷。CPU的熱量來源于它的功耗，根據(jù)CPU功耗與供電電壓和工作頻率的關系可以看到供電電壓和工作頻率是影響CPU溫升的兩個重要因素。 CMOS電路CPU的動態(tài)功耗為P = CV2f，其中C表示電路負載大小，V表示供電電壓，f為工作頻率?？梢姽ぷ黝l率f與芯片的動態(tài)功耗成線性正比例關系，供電電壓V的平方與芯片的動態(tài)功耗成線性正比例關系，對于一顆CPU來說，電壓越高，時鐘頻率越快，則功率消耗越大。因此，在能夠滿足功能正常的前提下，盡可能選擇低電壓工作的CPU能夠在總體功耗方面得到較好的效果。對于已經(jīng)選定的CPU來講，降低供電電壓和工作頻率，也是一條節(jié)省功率的可行之路。

3　CPU的溫控技術[1][4][5]

3.1　外部溫度監(jiān)控技術 對CPU溫度監(jiān)控通過“外部監(jiān)測”措施—即通過主板CPU插座下面的熱敏電阻來監(jiān)測CPU工作時的溫度。CPU插座內(nèi)采用立式或貼片式的熱敏電阻。整個監(jiān)測過程全部是由主板來負責，熱敏電阻直接將所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳給主板上的溫控電路，如果監(jiān)測到CPU的工作溫度超過在BIOS中的預設值時就會自動斷電關機或報警。采用此種方式的優(yōu)點是體積小、價格低，使用方便，不過在監(jiān)控處理器溫度時明顯存在缺陷，比如用此類監(jiān)測方式得到的溫度往往是CPU底面的溫度，而不是內(nèi)核溫度，溫度讀數(shù)是由監(jiān)控芯片根據(jù)溫敏電阻的阻值變化計算得出，而且此類接觸式測試受外部環(huán)境影響較大。如果熱敏電阻與微處理器接觸不夠緊密，微處理器的熱量不能有效地傳送到，所測量溫度會有很大誤差。有些主板上采用SMD貼片熱敏電阻去測量微處理器溫度，其測量誤差比直立式熱敏電阻誤差更大，因為這種貼片元件很難緊密接觸到微處理器。故此類CPU溫控結果誤差性極大、反應不靈敏，所得結果僅僅只供參考。這就帶來了一個十分嚴重的問題∶表面溫度不能及時反映微處理器核心溫度變化，從而形成一個時間滯后的問題。因為核心溫度變化之后要經(jīng)過一段時間才能傳送到微處理器表面。相比之下，表面溫度反應十分遲鈍，其升溫速度遠不及核心溫度，當核心溫度發(fā)生急劇變化時，表面溫度只有“小幅上揚”。 Pentium 4和Athlon XP等最新的微處理器，其核心溫度變化速度達30～50℃/s，核心溫度的變化速度越快，測量溫度的延遲誤差也越大。在這種背景之下，如果再以表面溫度作為控制目標，保護電路尚未做出反應，微處理器可能早已燒壞。因此曾提出 “Temperature Offset Correction”(溫度偏差修正)的CPU內(nèi)核心溫度監(jiān)測溫度修正方案來糾正此種CPU溫控所帶來的偏差。所謂“溫度偏差修正”就是指當系統(tǒng)采用外部測量法時，必須在測量結果的基礎上增加一個溫度偏差值：即BIOS中顯示的溫度值=實際測試值 溫度偏差值。這個偏差值由主板熱敏電阻、臨界溫度等因素來決定，當系統(tǒng)設定以后它就是一個常量(通過刷新BIOS可以改變這個值)。這些措施在一定程度上可以減小誤差值。但是，問題仍不能得到根本性解決，比如對于突發(fā)事件(如風扇脫落)所帶來的溫度急劇提升完全不能及時做出反應。為此我們考慮采用內(nèi)部溫控技術。

3.2 內(nèi)部溫控技術 針對外部溫度監(jiān)控技術的不足， CPU廠商在CPU內(nèi)核里面加入了一個專門用于監(jiān)測CPU溫度的熱敏二極管，將CPU溫度來引了“內(nèi)部溫控”時代。在這里整個處理器溫度監(jiān)控系統(tǒng)可分為外部控制型和內(nèi)部控制型兩種基本結構。外部控制型監(jiān)控系統(tǒng)，其實就是主板的溫度監(jiān)控電路，它有三種基本存在形式∶一種是采用獨立的控制芯片，，這些芯片除了處理溫度信號，同時還能處理電壓和轉(zhuǎn)速信號；第二種形式是在BIOS芯片中集成了溫度控制功能；第三種形式是南橋芯片中集成溫度控制功能，目前新一代南橋芯片都有溫度監(jiān)控功能。而內(nèi)部控制型監(jiān)控系統(tǒng)則是指CPU內(nèi)核心中整合的熱敏二極管，這個熱敏二極管的正負兩極作為CPU兩個針腳直接來通過主板CPU插座和主板的溫度監(jiān)控電路相連。 在整個監(jiān)控過程中，當CPU工作時，熱敏二極管就將感應到的數(shù)據(jù)變化傳輸給主板的溫控電路，由主板的一個特定邏輯運算電路通過所接收到的數(shù)據(jù)計算出CPU的內(nèi)核溫度，如果計算出來的溫度高于預設溫度警戒線時，系統(tǒng)就會自動在瞬間切斷CPU核心電壓，使CPU停止工作并讓系統(tǒng)掛起來，從而可以很好地保護CPU不被燒毀。P2、P3及Athlon XP處理器都是采用了此種技術。這種方法反饋回來的溫度并不是很準確，往往要比CPU核心溫度低5度左右。為防止它的處理器過熱燒毀推出了S2K 總線斷開技術：即當處理器內(nèi)核溫度過高時，系統(tǒng)會發(fā)出一個HALT指令(HALT 改指令的意思是在沒有要處理的指令和數(shù)據(jù)時將處理器掛起)，當CPU接收到HALT指令時，處理器會轉(zhuǎn)到相應的等待模式，這種模式只需要消耗較小的功率。 通過在CPU內(nèi)核整合熱敏二極管來控溫已經(jīng)是一種能很準確監(jiān)控CPU核心溫度的方法了，而且配合主板的溫控電路就能即時保護過熱的CPU，使其不至于在風扇突然停轉(zhuǎn)或意外脫落時CPU被燒掉。但此類內(nèi)部溫控技術存在一個弊端，那就是在CPU溫度過高時通過直接關閉電腦來達到保護的目的，這樣會導致數(shù)據(jù)因為未能及時保存而丟失，忽略了數(shù)據(jù)的價值往往要比一個CPU的價值要高的可能性。而且熱量不穩(wěn)定可能導致系統(tǒng)不穩(wěn)定，如果電腦死機或程序進入死循環(huán)，就會失去監(jiān)控作用，也就無法保護微處理器了。

3.3　熱量控制電路 為彌補第一代內(nèi)部溫度監(jiān)控技術的不足，Intel在Northwood核心P4中引入了第2代內(nèi)部溫度監(jiān)控技術—熱量控制電路(Thermal Control Circuit，英特爾又將它命名為熱量監(jiān)視器(Thermal Monitoring))。P3、Athlon XP的溫控電路的特點是內(nèi)部僅擁有一個熱敏二極管不同，而Northwood核心P4的熱量控制電路擁有兩套熱敏二極管。其中一套熱敏二極管偵測CPU的溫度值并傳輸給主板上的硬件監(jiān)控系統(tǒng)，這套裝置像傳統(tǒng)的內(nèi)部溫控技術一樣通過關閉系統(tǒng)來保護CPU，不過只是在緊急情況才會自動關閉。第二套熱敏二極管放置在CPU內(nèi)核溫度最高的部位，幾乎觸及ALU單元，并作為熱量控制電路的一個組成部分。在CPU工作中，這兩套熱敏二極管的電阻會因溫度而變化，因此通過它的電流也會隨著CPU的核心溫度而變化，通過與內(nèi)設參考電流的比較，系統(tǒng)能夠判斷當前電流是否達到了臨界點。如果CPU最熱的地方超過一定值，第二套熱量溫控裝置會發(fā)送一個PROCHOT#信號使熱量控制電路系統(tǒng)開始工作，通過減小CPU的負載來降溫，其實這套熱敏二極管起到波動調(diào)節(jié)作用。Pentium 4的熱量控制機制并非是減少時鐘頻率，而是減少其輸出的有效工作頻率。

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