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标题: 『转载』关于电压,温度和电子迁移现象的知识 [打印本页]

作者: aaa26999 时间: 2009-8-3 03:27
标题: 『转载』关于电压,温度和电子迁移现象的知识
关于电压,温度和电子迁移现象的知识.
我们知道超频中,伴随电压增加,温度提高,而电子迁移也是我们常听见的CPU杀手,究竟电子迁移时怎么回事,我首先要说,电子迁移在你使用电脑的时候就开始了,只不过随着温度提高更加明显而已.一句话:电子迁移和电压没有什么关系,但是和温度关系很大.还有,高压高频的CPU内部温度是比我们用软件看见的温度高许多的15-25度是很正常的,所以,不要以为45度就凉快,其实内部已经60度以上了.
关于CPU电压,电流和电子迁移

CPU,是电脑爱好者，最关注的一个电脑部件。特别是DIYer们，超频还是DIYer的必修课。可是这么一块小小的方块上，集中了人类众多科学技术的精华，多数DIYer都没有办法深入地了解它。于是在使用和探索的过程中就出现了许多并不十分正确的所谓技术和经验。有些流传还很广，影响很大。其中我接触得比较多的，最具典型意义的有两个讲法：
1.CPU超频之后稳定性降低。这时候就要加一点电压。理由是：由于功率增大，如果电压不增加，那么电流就会增大，就会使电子迁移现象加剧，从而使CPU不稳定，进而损坏CPU.
2.从上一个问题就引出了电子迁移的问题--电流大小是电子迁移现象的主要原因。
要分析上面的两个问题，就要对CPU的结构和工艺有一个大致的了解。现在的CPU,一般是在硅材料上制成的.用铝或者铜做连接线.其中最小的结构单位是三级管.宏观一点，要说到流水线，门电路等。但电流，电压和功耗等，最终还是与三极管的工作原理密切相关的。
如今的CPU,大家都知道是用CMOS工艺制成，就是说采用的是MOS-FET(金属-氧化物-半导体-场效应晶体管)有时也有一些CPU是bi-CMOS结构的，里面就有一些管子是bi-polar管（双极型晶体管）。
以MOS-FET为例，是在P型或N型衬底上建立两个非常接近的，与衬底极性相反的区域，构成源极和漏极。在两者之间的区域生成一层极薄的氧化硅的绝缘层，然后覆盖上电极，构成栅极。工作时电流从源极流入，如果栅极上有一定的电压，就会在栅极下形成沟道连接源极和漏极，电流就能通过，而在漏极形成输出。从漏极输出的电流再驱动其它管子的栅极。所以驱动MOS-FET管子的电压和电流都很小，能量主要消耗在电流从源极到漏极的跨越上。（有网友提醒，栅极和地之间也会有能量的消耗，仔细翻了一下比较专业的书籍，发现并不是这样，MOS管栅极和沟道形成一个电容，理论上说不消耗电能，栅极与地或者漏之间的电流是十分小的，虽然高频电流可以穿透却有个延迟.如果坐等栅极的电量消耗完我们现在就不会看到2G主频的CPU了。）
bi-polar略有不同，管子有两个相反的P-N结，集电极（相当于MOS管的源极）的电流平常无法穿过两个结到达发射极（相当于MOS管的漏极），但如果两个结之间的基区（基极-相当于MOS管的栅极）有一个与集电极同向的电压就能打破原来两个结之间的平衡，从而使电流通过。
这样bi-polar管中电流的能量主要消耗在穿越两重PN结上。所以bipolar比MOS管需要的电压和功率都大一些。
扩大到门电路，就涉及信号的问题了。一般电路里用高电平表示1，低电平表示0，某些时候要消去一些1，就要把一些电流的能量消耗掉（有时是把一些信号转为负信号，和1对消。实际是电子与空穴在某些管子里互相湮灭。多数是把1导入地线，用电阻消耗掉电流）.bi-polar一般不需要考虑控制极上的电量，因为控制极的电流会导出到发射极。而MOS管栅极上的电量消失得很慢（相对于管子的工作频率来说。--所以MOS管反应速度一般比bi-polar管慢。）要加快清除栅极电量，一般也是让它通过电阻导入地线。（CMOS管实际是由上一级电路“吸”回去再导入地的。所以CMOS管速度比较快一些）
这两方面大致是CPU主要的电能消耗了，而且最后都转化为热能。在一定的温度条件下，CPU对电流的消耗和一个恒值电阻很相似（有一个专业名称“特征电阻”好象就是指这个情况）。而CPU的信息处理能力和功耗（功率）并不成直接的关系。在这样的电路中，电压的增高会导致功率的增加，而且由P=u^2/R可以知道，功耗（功率或者说发热量）和电压的平方成正比。同时电流也会相应增大。就是说，同频的同样两颗CPU,其中一个增加一点电压后两者在工作时的功率也是不一样的，加电压的那一颗功率要大一些。虽然它们的处理能力没有任何区别。
另一方面，CPU和电阻还是有区别的，不同频率下CPU内管子的工作时间也不一样，很容易看出，频率越高，管子工作得越频繁，相应的，功耗也就越大。（有网友提醒了我“占空比”这个术语。这里表示感谢）就是说，两颗同样的CPU,超频后的一颗即使没有加电压，功率（发热）也会有一定增加。这时候功耗大致和频率成正比。
但是有人会反驳我说：我的CPU一开始没超上去，或者超上去了却不稳定，但是加了一点电压就好了，这不就说明加电压对CPU工作稳定有益吗？
不错，加电压的确可能使CPU在更高工作频率时更稳定，但是这并不是说CPU在高压下电流更校恰恰相反，超频之后的不稳定说明此时原来电压所能提供的电流不足以支持CPU的运行，加一点电压之后电流变大，才使CPU的管子都能“吃饱”.而且提高电压，会使管子的控制极工作电压提高，就是说，0和1之间的区别更明显，MOS管的栅极到达管子反应需要电平的充电时间缩短，而且由于栅极电场强度增加，沟道的打开会更迅速(也就是某网友说的-加电压能减小越过放大区的时间)。就是说相同的管子在不同电压下工作的极限频率是不一样的,提高一点电压也能使管子的速度提高一点.(当然不能无限提高,否则就算不计电子迁移,过高的电压也会把PN结击穿,使CPU不能工作)

说到电子迁移，有人就会想到量子力学，好象是很深奥的东西。其实不然。这个现象其实与我们高中物理课本里《碰撞与动量守恒》有密切的关系。众所周知，金属导体里运动着的电子是有动量的。它与金属原子碰撞，就能使原子的运动状态有些微的改变。虽然一个电子的作用十分微小，但聚沙成塔，长年累月定向运动的电子其动量的积累就足以使导体的一些物理特性有所改变。
所以，电子迁移的发生和程度与电子器件的结构，材料与工艺都有很密切的关系。简要说吧，目前CPU的工艺是在硅材料上制成晶体管，再覆盖上二氧化硅的绝缘层（当然管子的各极都要露出来）然后在绝缘层上布上铝材料的导线，使各独立的管子连在一起成为能工作的单元。有时覆盖绝缘层和布铝线的过程要重复7-8次。就是说现在的CPU是以铝作为导线的。铝是一种轻金属，电子对它的作用十分明显，如果布线不太合理，比如有突兀的直角等，电流就会把一些铝推到导线的一边，而使另一边变细。久而久之，变细的部分可能会断路，或者变粗的部分搭到其它电路，造成短路。（而且是个加速过程且不可逆）这时芯片一般都不能工作了，我们就说芯片烧掉了。
“电子迁移”对CPU的危害是十分严重的。据说多数成品的CPU最后都死于这位著名杀手的刀下。可是它与那些因素有关呢？这就要讨论电子动能动量来源的问题了。金属导体中，有大量作热运动的自由电子。如果我们在导体两端加上电场，形成电势差（就是电压啦）这些电子就会沿电场方向运动，就形成了电流。定向的大量电子运动是电子迁移的必要条件。所以电流越大，电子迁移的现象越严重这是对的。但是不是它就是电子迁移现象最重要的因素呢?
有人说提高电压，使电子的能量和动量提高，电子迁移现象就会更明显吧。“事实上CPU一通电就有电子迁移的问题~~~~只是很轻而已，加大电压后电子迁移就明现了，”--引用某网友的句子（事实上最初我也是这么认为的。）呵呵，这就有待商榷了。自由电子热运动的能量其实是十分大的。比起CPU工作电压（最多5伏）高了至少1个数量级。所以，如果不计电压升高带来的电流改变,增加的这一点电压对单个电子的能量增加几乎起不到什么作用.
但是另一个因素却对自由电子的能量起决定性的作用,那就是温度.要详细的了解就要请学过量子力学和热力学的朋友帮忙了.(记得应该是和绝对温度的4/3次方成正比)。正常运行情况下的CPU至少有20度的温升，（内核温度还要再加10-30度）如果超频,功率增加后内核与外界的温度差还会增加.可以想见它对电子能量的影响!况且温度升高也回会使铝原子本身的热运动加强,使电子迁移更容易发生.所以温度对电子迁移的影响无疑比电流或者电压明显得多.(不过加电压超频不仅增加电压,更增加电流,功率增加更是明显.间接的,CPU的温度也会有很明显的上升--结果就不用说了吧?)
从上面所说的大家就可以明白,CPU的散热有多重要.不仅对超频者来说,就是一般玩家也要重视自己CPU的温度.
不过也有一个好消息.大家都知道,如今的CPU制造正在向铜芯片工艺迁移.铜原子的质量远大于铝,电阻也小许多,所以铜芯片不仅发热少,而且电子迁移十分微弱.与铝芯片相比,电子迁移几乎可以忽略不计.不过铜芯片工艺十分复杂,要用上"纯铜"芯片,我们还要等上几年.(现在的"铜芯片"应该是部分铜导线,大部分还是铝线.能明显提高性能,但对电子迁移改善不大.)所以以后我们可能就不会再有电子迁移的讨论了.当然,如果玩家有液氮制冷等先进武器,以上的讨论对他来说现在意义也是不大的.

作者: albert2kiss 时间: 2009-8-3 04:42
这文太老了，有些材料上的东西都过时几代了；
铝那是早都不用的东西；
采用铜芯那也是N久以前的事儿了，
电子迁移，温度控制好就OK了

作者: aaa26999 时间: 2009-8-3 05:17
:a33:我火星了

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