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摘要本文通過對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；動態功耗；溫度監控

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技術發展的瓶頸。CPU的溫升不僅影響CPU技術的進一步快速發展，而且直接影響CPU的穩定性和使用壽命。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境而有所不同。CPU的使用環境包括周圍溫度、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工作不斷產生的熱量累積；另一個方面是對CPU產生的熱量的導散。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。可見工作頻率f與芯片的動態功耗成線性正比例關系，供電電壓V的平方與芯片的動態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。對于已經選定的CPU來講，降低供電電壓和工作頻率，也是一條節省功率的可行之路。

3CPU的溫控技術[1][4][5]

3.1外部溫度監控技術

對CPU溫度監控通過“外部監測”措施—即通過主板CPU插座下面的熱敏電阻來監測CPU工作時的溫度。CPU插座內采用立式或貼片式的熱敏電阻。整個監測過程全部是由主板來負責，熱敏電阻直接將所監測到的數據傳給主板上的溫控電路，如果監測到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。采用此種方式的優點是體積小、價格低，使用方便，不過在監控處理器溫度時明顯存在缺陷，比如用此類監測方式得到的溫度往往是CPU底面的溫度，而不是內核溫度，溫度讀數是由監控芯片根據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，當核心溫度發生急劇變化時，表面溫度只有“小幅上揚”。Pentium4和AthlonXP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“TemperatureOffsetCorrection”(溫度偏差修正)的CPU內核心溫度監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部溫控技術。

3.2內部溫控技術

針對外部溫度監控技術的不足，CPU廠商在CPU內核里面加入了一個專門用于監測CPU溫度的熱敏二極管，將CPU溫度來引了“內部溫控”時代。在這里整個處理器溫度監控系統可分為外部控制型和內部控制型兩種基本結構。外部控制型監控系統，其實就是主板的溫度監控電路，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控功能。而內部控制型監控系統則是指CPU內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控電路相連。在整個監控過程中，當CPU工作時，熱敏二極管就將感應到的數據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據計算出CPU的內核溫度，如果計算出來的溫度高于預設溫度警戒線時，系統就會自動在瞬間切斷CPU核心電壓，使CPU停止工作并讓系統掛起來，從而可以很好地保護CPU不被燒毀。P2、P3及AthlonXP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：即當處理器內核溫度過高時，系統會發出一個HALT指令(HALT改指令的意思是在沒有要處理的指令和數據時將處理器掛起)，當CPU接收到HALT指令時，處理器會轉到相應的等待模式，這種模式只需要消耗較小的功率。

通過在CPU內核整合熱敏二極管來控溫已經是一種能很準確監控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或意外脫落時CPU被燒掉。但此類內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，這樣會導致數據因為未能及時保存而丟失，忽略了數據的價值往往要比一個CPU的價值要高的可能性。而且熱量不穩定可能導致系統不穩定，如果電腦死機或程序進入死循環，就會失去監控作用，也就無法保護微處理器了。

3.3熱量控制電路

為彌補第一代內部溫度監控技術的不足，Intel在Northwood核心P4中引入了第2代內部溫度監控技術—熱量控制電路(ThermalControlCircuit，英特爾又將它命名為熱量監視器(ThermalMonitoring))。P3、AthlonXP的溫控電路的特點是內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控系統，這套裝置像傳統的內部溫控技術一樣通過關閉系統來保護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，通過與內設參考電流的比較，系統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送一個PROCHOT#信號使熱量控制電路系統開始工作，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節作用。Pentium4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。當溫度正常的時候，ALUs(算術邏輯運算器)將會接受到一定的頻率。但當主板檢測到CPU的核心溫度達到一個特定的臨界值時，熱量控制電路就開始發送PROCHOT#信號，將空置的時鐘周期插入到正常的時鐘周期內，發送到CPU的調節信號如圖1所示。

圖1發送到CPU的調節信號

PROCHOT#激活的無效周期會將某些正常時鐘周期省略掉，使得最終發送給CPU邏輯運算單元的信號頻率就會有所降低，從而通過降低CPU的工作效能來達到降溫的目的。隨著溫度的降低，熱量控制電路將會開始減少空時鐘周期的數量以使CPU返回它原來的工作模式。只要CPU核心溫度比臨界值低1度時，熱量監視器就會停止發送過熱信號。熱量控制單元就會停止產生空的時鐘周期，CPU的性能也就恢復到正常值，過熱保護系統被激活只需十幾億分之一秒，我們還可以在Pentium4主板的BIOS中選擇超警戒溫度來進行控制。當處理器的任務周期(dutycycle)占全部周期的比例越大說明處理器的工作效率越高，其可以調節的比例在12.5%到87.5%之間，選擇的數值越小，則任務周期的比例越小，效率降幅反而越大，我們還可以利用PROCHOT#引腳功能保護主板的其它元件。當供電模塊的溫度超出警戒溫度時，監控電路輸出低電平到PROCHOT#，從而激活TCC，通過降低微處理器功耗來達到保護供電模塊及主板其它元件的目的。

4抑制CPU溫升的措施

4.1風冷散熱系統

風冷散熱系統由散熱片和風扇構成，判斷散熱片的好壞的重要依據是表面積的大小，采用眾多的鰭片來提高散熱效果。散熱片的內部和邊緣需要設置合理的導風通道，散熱片的切割面要磨光，以使其能與CPU表面完全結合。滾珠軸承的壽命、噪音、發熱量遠較含油軸承好。工作電壓為12v，耗電量在十瓦之內。不少人認為風扇轉速越高，那么在同一時間內，從CPU上帶走的熱量就越多，這樣CPU就越容易冷卻，事實并不是如此。如果風扇的轉速超過其標準值，那么風扇在長時間超負荷情況下運行時，從CPU上帶走的熱量就比在高速轉動過程中產生的熱量小，這樣時間運行得越長，熱量差也就越大，高速運轉的風扇不但不能起到良好的冷卻效果，反而使CPU溫度大幅提升；況且，散熱風扇的轉速越高，可能在運轉過程中產生的噪音就越大，嚴重的話可能讓風扇或者CPU報廢；另外，要想讓風扇高速運轉，還必須有較大的功率來提供動力源，而高動力源是從主板和電源中的高功率中獲得的，主板和電源在超負荷功率下就會經常引起系統的不穩定。所以，風扇轉速越高冷卻效果越好的說法是不成立的。從理論上分析，風扇功率越大散熱效果應該越好，但這樣的理論成立是在一定的前提之下的，也就是說在風扇的運行功率不超過額定運行功率的條件下，功率越大的風扇通常它的風力也越強勁，散熱的效果也越好。而風扇的功率與風扇的轉速又是直接聯系在一起的，也就是說風扇的轉速越高，風扇也就越強勁有力。不能片面地強調高功率，這需要同計算機本身的功率相匹配，如果功率過大，不但不能起到很好的冷卻效果，反而可能會加重計算機的工作負荷，從而會產生惡循環，最終縮短了CPU風扇的壽命。因此，用戶在選擇CPU風扇時，不能錯誤認為風扇功率大其散熱效果肯定會好，而應該根據夠用原則來選擇與自己電腦相匹配的風扇。并且在選擇好風扇之后能夠根據實際情況選擇合適的機箱，從而更好地降低CPU的溫度。

4.2半導體散熱系統

半導體制冷器由許多N型和P型半導體材料排列組成，N、P之間是銅、鋁等金屬材料，外面是絕緣和導熱良好的陶瓷片。通電后，電子由負極出發，經P型半導體吸收熱量，至N型半導體放出熱量。冷端接到CPU，熱端接到散熱片，由風扇將熱量排出。這種散熱系統消耗功率為10w至50w，增加了微機電源負擔，本身產生大量熱，容易造成半導體散熱片的高溫燒毀，低溫一面容易產生露。

4.3液氮散熱系統

液氮散熱系統的工作原理是將主板、CPU等部件密封于一個空間里并抽成真空，CPU被內部充滿液態氮的玻璃容器密封。進行類似水冷的循環散熱。，它的特點是冷卻能力強，但制造工藝復雜，容易結霜產生露水。

4.4軟件降溫

軟件降溫利用了CPU“空閑掛起”指令進行工作，從而實現了CPU的降溫及功耗的降低。“空閑掛起”就是指在一段時間內沒有接收到指令，CPU自動進入低耗能的休眠狀態，降溫軟件縮短了CPU進入休眠狀態的等候時間，從而減少了熱量的產生。降溫軟件占用約1%至3%的系統資源，使CPU下降3至10℃。但是當CPU進行實時多任務的工作時，CPU能夠得到“空閑掛起”的機會不大，這種情況下，軟件降溫的作用便失去了。

5結論

本文從CPU升溫的因素說起，接著詳細地介紹了當前幾種主要的CPU溫控技術，并分析每種溫控技術的優缺點，接著介紹了當前的幾種主要的CPU降溫措施。

參考文獻

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[4]陳忠民，P4憑什么燒不死？剖析CPU溫控技術http：//，2005年2月28日

[5]易建勛，微處理器(CPU)的結構與性能，清華大學出版社