Enfriamiento de transistores y microprocesadores

Juan Cortes

 EL ENFRIAMIENTO DE LOS TRANSITORES Y MICROPOCESADORES

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EL ENFRIAMIENTO DE LOS TRANSITORES Y MICROPOCESADORES

Cortes Rivera Juan Manuel

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Contenido

Resumen        2

Objetivos        2

Introducción        2

Métodos actuales        3

Propuestas a futuro        11

Conclusiones        11

Referencias        11

Resumen

En este proyecto se tratará el tema del enfriamiento en transistores y microprocesadores, dando a conocer los orígenes de dicha problemática, sus repercusiones y las formas actuales en las que dicho problema es solventado. Posteriormente se indagará en nuevas tecnologías para el enfriamiento de estos dispositivos.

Objetivos

Dar a conocer los principios que originan la necesidad de un sistema de enfriamiento en transistores y microprocesadores.

Investigar métodos actuales utilizados para tratar con este problema.

Dar a conocer las propuestas más llamativas que se plantean a futuro para tratar con este problema.

Introducción

Los transistores son dispositivos electrónicos cuyo funcionamiento se basa en el principio de operación de los semiconductores, el cual esta fuertemente ligado a distintos factores físicos, entre ellos la temperatura. Un microprocesador es, en esencia, un conjunto de circuitos integrados que, a su vez, contienen millones (o miles de millones) de transistores, por lo que la temperatura también juega un papel importante en el funcionamiento y operación de éstos.

Los transistores son utilizados en su mayoría como amplificadores de corriente y voltaje, lo que implica que sean utilizados en circuitos eléctricos. El problema es que todo circuito eléctrico real intrínsecamente disipará energía en forma de calor debido al efecto Joule, hecho que, después de un tiempo prolongado de funcionamiento del circuito, indefectiblemente provocará un aumento de temperatura en el ambiente de funcionamiento del transistor (que regularmente es “cerrado”, es decir no hay un buen intercambio térmico con el ambiente fuera), provocando de manera no deliberada un cambio en el funcionamiento del transistor.  En muchas aplicaciones el aumento de temperatura no es lo suficientemente significativo como para ser considerado un problema que pueda dañar o provocar un mal funcionamiento del circuito completo.

En el caso de los microprocesadores, estos se componen de una cantidad inmensa de transistores por lo que los efectos en los cambios de temperatura son notorios a partir de ciertas temperaturas (normalmente determinadas por el fabricante). Los microprocesadores cuentan con un oscilador de cristal (normalmente hecho de cuarzo) que determina la frecuencia del reloj. El reloj es la capacidad que tiene el microprocesador de realizar una serie de “instrucciones” (como determinar los colores de un pixel, una operación matemática u otra cosa) por segundo.  En los microprocesadores existe un espacio entre transistores que funciona como una especie de “batería” que almacena cargas eléctricas, utilizadas para energizar los transistores, dichas baterías requieren ser repuestas por cada ciclo y la velocidad con la que se reponen dichas cargas depende de un cierto voltaje aplicado. El problema es que dicho flujo de electrones genera ciertas “colisiones” que a su vez generan calor, elevando la temperatura del circuito.  

Normalmente, el aumento de temperatura del circuito es algo que los fabricantes ya toman en cuenta al momento de determinar las condiciones de operación del transistor o microprocesador, por lo que estos mismos tienen un cierto rango de temperaturas en los que pueden funcionar correctamente (en el caso de los microprocesadores también se cuenta con una temperatura máxima de operación). No obstante, las condiciones de uso (temperatura ambiental, humedad, alta o baja presencia de partículas de polvo), el desgaste debido al tiempo de uso, y muchos otros factores no pueden ser controlados por el fabricante si no por el usuario final del microprocesador. Debido a lo anterior es que frecuentemente las temperaturas de funcionamiento superan el rango seguro de operación y frecuentemente se presenta un fenómeno conocido como “estrangulamiento térmico” (el microprocesador se “limita” a si mismo, bajando el voltaje y la velocidad del reloj cuando detecta que la temperatura es demasiado alta).

De manera análoga, el mero hecho de contar con un rango seguro de temperatura, es algo que restringe el potencial de los microprocesadores.  Lo anterior es debido a que para obtener un mejor rendimiento del mismo es necesario aplicar un mayor voltaje con el fin de obtener un aumento en la velocidad del reloj, hecho que a su vez genera un aumento de temperatura, exponiendo el microprocesador a superar la temperatura máxima segura. Además, en los rangos altos de temperaturas los componentes internos del microprocesador se van desgastando más rápidamente, acortando la vida útil del procesador.

Es debido a todo lo anterior que la industria de los microprocesadores se ha dado a la tarea de investigar e implementar diversos métodos de enfriamiento para los microprocesadores.

Métodos actuales

Al día de hoy se cuenta con un puñado de métodos de enfriamiento que han sido implementados de manera exitosa, cada uno con sus ventajas y desventajas, en el enfriamiento de microprocesadores; tanto para aquellos destinados al uso doméstico como para aquellos utilizados en aplicaciones industriales y en ambientes de investigación.

La estrategia más eficaz a la hora de prevenir el sobrecalentamiento de un circuito integrado complejo consiste en transportar la energía que disipa en forma de calor a otros objetos sólidos o gaseosos que estén en contacto con él. Para optimizar este proceso los fabricantes de microprocesadores colocan un disipador metálico en la superficie del chip que, precisamente, es el responsable de extraer el calor disipado por el núcleo del semiconductor. El problema es que ese calor debe ser transportado a alguna parte. Y, además, con la eficacia necesaria para evitar que la temperatura se incremente más de la cuenta.  En este punto es donde entran en juego los distintos métodos que, junto con el disipador metálico, forman el sistema de enfriamiento del procesador.

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