Digital Thermal Sensor - revoluce v měření teploty
24.4.2006, Eagle , článek
Měření teploty čipů bylo vždy problematické. Analogový systém způsoboval závažné problémy s kalibrací, a tak různé základní desky ukazovaly u stejného procesoru rozdílné teploty, přestože se čip hřál úplně stejně. Díky novým procesorům Intel se tyto limitace staly minulostí. Na scénu přichází digitální měření teploty.
Kapitoly článku:
- Digital Thermal Sensor - revoluce v měření teploty
- Jak zjistit, že deska měří správně?
- Digitální termální sensor
Analogové měření aneb v čem je zakopán pes
První procesory jako například 386ky nebo Pentia měly tak malou spotřebu, že byly schopny fungovat i s pasivním chlazením. U těchto procesorů nebyl žádný důvod, proč měřit teplotu. Změna pak přišla s Pentiem II, které se vyhouplo až na téměř 30W. To už je hodnota, kterou bez ventilátoru lze na tak malé ploše uchladit jen s obtížemi.
Pentium II s jádrem Deschutes implementovalo interní teplotní diodu. Ta předávala své výsledky základní desce, jejíž úkolem bylo tyto údaje vyhodnotit. Tento systém používá většina procesorů dodnes. Jeho hlavním problémem je, že je značně nepřesný. Proč ?
Thermal Diode funguje na principu rozdílného proudu. Jedná se o klasický polovodič, u nějž se vzrůstající teplotou klesá odpor, a tudíž se zvyšuje proud. Vše vychází z Ohmova zákona, který říká, že (konstantní) napětí = odpor * proud. Teplotní čidlo tedy díky rozdílné teplotě poskytuje rozdílný proud. Ten pak putuje přes piny do základní desky, kde je tento proud změřen nějakým čipem (tzv. Sensor). Tento čip "převede" množství proudu na hodnotu ve stupních Celsia podle stanovených specifikací (ty například mohou říkat, že proud o 0,2 Ampérech je teplota 56 stupňů Celsia). K celé této "legraci" stačí dva piny - katoda a anoda čidla - a měřící senzor na základní desce.
"Chyba" nastává v okamžiku, kdy máme hovořit o nějaké přesnosti. Jak už je z popisu patrné, celá spolehlivost stojí a padá s tím, jak dobře je senzor nastaven a s jakou přesností dokáže měřit. A dále také závisí na kompenzaci. Faktem totiž je, že senzor převede údaj na teplotu, která často nepřipadá (z fyzikálního hlediska) v úvahu. Například procesor s teplotou 50 stupňů vysílá proud, který senzor vyhodnotí jako teplotu 20 stupňů. BIOS základní desky pak těchto 20 stupňů vezme a kompenzuje je přidáním konstanty například 25 stupňů. Uživateli je pak nahlášena teplota 45 stupňů. Velikost kompenzace je tak jeden z nejvýznamnějších faktorů ovlivňujících výslednou teplotu.
Různé základní desky používají různou velikost kompenzace. Proto je jeden konkrétní kus procesoru v rozdílných základních deskách i při jinak stejné dosažené teplotě jádra vyhodnocen jako jinak horký. Rozdíly mohou činit i více než 10 stupňů Celsia.
Vraťme se nyní k přesnosti. U té nejde jen o to, zda je konkrétní proud vyhodnocen správným údajem (např. oněch 0,2 Ampér jako 56 stupňů a ne třeba 35), ale taky o průběh.
V zásadě se můžeme setkat s dvěma typy nepřesnosti. Jedna je v grafu znázorněna jako Sensor 1. V takovém případě hlásí deska teplotu, která je nesmyslně nízká - typickým příkladem je třeba teplota procesoru 25 stupňů v klidu, když v reálu má být třeba 40. Nepřesnost je tedy způsobena rozdílem mezi reálnou a nahlášenou teplotou (v tomto případě rozdílem 15 stupňů). Důležité v tomto případě je, že delta je při změně tepelného výdaje procesoru u obou měření stejná. Jinými slovy pokud procesor v důsledku zatížení zvýší svoji reálnou teplotu z původních 40 stupňů na 60 stupňů (delta = 60 - 40 = 20), pak v ideálním případě ukáže dobře měřící Sensor 1 se špatným výchozím bodem teplotu 25 + 20 = 45 stupňů. Řešení tohoto problému je poměrně jednoduché a spočívá v již zmíněné kompenzaci.
Druhým (a nutno říct že horším) případem je chybné měření ve smyslu nestejné delty. Toto je možné pozorovat v grafu pod Sensor 2. Problém je, že čip na základní desce, který měří proud, vyhodnocuje růsty nedostatečně přesně. Pokud zůstaneme u našeho příkladu, pak teplota v klidu může být nahlášena jako např. 38 stupňů (tedy rozdíl oproti realitě 2 stupně, což je zanedbatelné), avšak v zatížení nezměří 38 + 20 = 58, ale třeba jen 50. Namísto delty 20 stupňů tak změří deltu pouze 12 stupňů.
Oba dva uvedené problémy se u dnešních základních desek vyskytují hojně. Konkrétně třeba základní desky ASUS jsou vyhlášené tím, že měří chybně. Jednak mají chybnou kompenzaci, ale také měří chybně deltu. U procesorů Intel Pentium 4 pak hlásí klidovou teplotu třeba 32 stupňů a teplotu v zátěži 50 stupňů. V praxi je klidová teplota třeba 38 a zátěžová 62. K realitě mají tedy hodně daleko. Poněkud úsměvně pak působí tvrzení některých uživatelů, jakou že to mají krásně nízkou teplotu. Snad jediné spolehlivé jsou v tomto ohledu desky Intel.
S kompenzací souvisí jeden zajímavý úkaz. Někdy se stává, že teploty hlášené uživateli v Setupu BIOSu a pomocí měřících programů v operačním systému se významně liší (klidně o 10 stupňů). Někteří uživatelé to zdůvodňují tím, že BIOS a program každý měří něco jiného, jiným čidlem atp. Taková tvrzení se ovšem nezakládají na pravdě. Realita je totiž taková, že použito je jedno a to samé čidlo, jen dochází ke kompenzaci. BIOS má v zásadě možnost kompenzovat přímo v měřícím čipu (senzoru) nebo může kompenzovat pouze ve výpisu uživateli v Setupu. V druhém případě pak samozřejmě dochází k tomu, že programy působící v operačním systému přečtou hodnotu ze senzoru, ta však není kompenzována. Uživatel pak má dva údaje, z nichž ani jednomu patrně nemůže zcela věřit - kompenzace totiž nemusí být správná.
Některé základní desky (zejména v dobách socketu A) suplovaly absenci Thermal Diode procesoru čidlem umístěným uvnitř socketu, které se dotýkalo spodní části procesoru. Toto čidlo fungovalo naprosto stejně jako to v procesoru. Rozdíl byl pouze v tom, že často bylo lépe kalibrováno, ale na druhou stranu ukazovalo teplotu povrchu procesoru, nikoli jeho vnitřku. Změny v měření teploty byly navíc poměrně pomalé, neboť povrch procesoru se ohřívá mnohem pomaleji než přímo křemík, ve kterém probíhají výpočty.
První procesory jako například 386ky nebo Pentia měly tak malou spotřebu, že byly schopny fungovat i s pasivním chlazením. U těchto procesorů nebyl žádný důvod, proč měřit teplotu. Změna pak přišla s Pentiem II, které se vyhouplo až na téměř 30W. To už je hodnota, kterou bez ventilátoru lze na tak malé ploše uchladit jen s obtížemi.
Pentium II s jádrem Deschutes implementovalo interní teplotní diodu. Ta předávala své výsledky základní desce, jejíž úkolem bylo tyto údaje vyhodnotit. Tento systém používá většina procesorů dodnes. Jeho hlavním problémem je, že je značně nepřesný. Proč ?
Thermal Diode funguje na principu rozdílného proudu. Jedná se o klasický polovodič, u nějž se vzrůstající teplotou klesá odpor, a tudíž se zvyšuje proud. Vše vychází z Ohmova zákona, který říká, že (konstantní) napětí = odpor * proud. Teplotní čidlo tedy díky rozdílné teplotě poskytuje rozdílný proud. Ten pak putuje přes piny do základní desky, kde je tento proud změřen nějakým čipem (tzv. Sensor). Tento čip "převede" množství proudu na hodnotu ve stupních Celsia podle stanovených specifikací (ty například mohou říkat, že proud o 0,2 Ampérech je teplota 56 stupňů Celsia). K celé této "legraci" stačí dva piny - katoda a anoda čidla - a měřící senzor na základní desce.
"Chyba" nastává v okamžiku, kdy máme hovořit o nějaké přesnosti. Jak už je z popisu patrné, celá spolehlivost stojí a padá s tím, jak dobře je senzor nastaven a s jakou přesností dokáže měřit. A dále také závisí na kompenzaci. Faktem totiž je, že senzor převede údaj na teplotu, která často nepřipadá (z fyzikálního hlediska) v úvahu. Například procesor s teplotou 50 stupňů vysílá proud, který senzor vyhodnotí jako teplotu 20 stupňů. BIOS základní desky pak těchto 20 stupňů vezme a kompenzuje je přidáním konstanty například 25 stupňů. Uživateli je pak nahlášena teplota 45 stupňů. Velikost kompenzace je tak jeden z nejvýznamnějších faktorů ovlivňujících výslednou teplotu.
Různé základní desky používají různou velikost kompenzace. Proto je jeden konkrétní kus procesoru v rozdílných základních deskách i při jinak stejné dosažené teplotě jádra vyhodnocen jako jinak horký. Rozdíly mohou činit i více než 10 stupňů Celsia.
Vraťme se nyní k přesnosti. U té nejde jen o to, zda je konkrétní proud vyhodnocen správným údajem (např. oněch 0,2 Ampér jako 56 stupňů a ne třeba 35), ale taky o průběh.
V zásadě se můžeme setkat s dvěma typy nepřesnosti. Jedna je v grafu znázorněna jako Sensor 1. V takovém případě hlásí deska teplotu, která je nesmyslně nízká - typickým příkladem je třeba teplota procesoru 25 stupňů v klidu, když v reálu má být třeba 40. Nepřesnost je tedy způsobena rozdílem mezi reálnou a nahlášenou teplotou (v tomto případě rozdílem 15 stupňů). Důležité v tomto případě je, že delta je při změně tepelného výdaje procesoru u obou měření stejná. Jinými slovy pokud procesor v důsledku zatížení zvýší svoji reálnou teplotu z původních 40 stupňů na 60 stupňů (delta = 60 - 40 = 20), pak v ideálním případě ukáže dobře měřící Sensor 1 se špatným výchozím bodem teplotu 25 + 20 = 45 stupňů. Řešení tohoto problému je poměrně jednoduché a spočívá v již zmíněné kompenzaci.
Druhým (a nutno říct že horším) případem je chybné měření ve smyslu nestejné delty. Toto je možné pozorovat v grafu pod Sensor 2. Problém je, že čip na základní desce, který měří proud, vyhodnocuje růsty nedostatečně přesně. Pokud zůstaneme u našeho příkladu, pak teplota v klidu může být nahlášena jako např. 38 stupňů (tedy rozdíl oproti realitě 2 stupně, což je zanedbatelné), avšak v zatížení nezměří 38 + 20 = 58, ale třeba jen 50. Namísto delty 20 stupňů tak změří deltu pouze 12 stupňů.
Oba dva uvedené problémy se u dnešních základních desek vyskytují hojně. Konkrétně třeba základní desky ASUS jsou vyhlášené tím, že měří chybně. Jednak mají chybnou kompenzaci, ale také měří chybně deltu. U procesorů Intel Pentium 4 pak hlásí klidovou teplotu třeba 32 stupňů a teplotu v zátěži 50 stupňů. V praxi je klidová teplota třeba 38 a zátěžová 62. K realitě mají tedy hodně daleko. Poněkud úsměvně pak působí tvrzení některých uživatelů, jakou že to mají krásně nízkou teplotu. Snad jediné spolehlivé jsou v tomto ohledu desky Intel.
S kompenzací souvisí jeden zajímavý úkaz. Někdy se stává, že teploty hlášené uživateli v Setupu BIOSu a pomocí měřících programů v operačním systému se významně liší (klidně o 10 stupňů). Někteří uživatelé to zdůvodňují tím, že BIOS a program každý měří něco jiného, jiným čidlem atp. Taková tvrzení se ovšem nezakládají na pravdě. Realita je totiž taková, že použito je jedno a to samé čidlo, jen dochází ke kompenzaci. BIOS má v zásadě možnost kompenzovat přímo v měřícím čipu (senzoru) nebo může kompenzovat pouze ve výpisu uživateli v Setupu. V druhém případě pak samozřejmě dochází k tomu, že programy působící v operačním systému přečtou hodnotu ze senzoru, ta však není kompenzována. Uživatel pak má dva údaje, z nichž ani jednomu patrně nemůže zcela věřit - kompenzace totiž nemusí být správná.
Některé základní desky (zejména v dobách socketu A) suplovaly absenci Thermal Diode procesoru čidlem umístěným uvnitř socketu, které se dotýkalo spodní části procesoru. Toto čidlo fungovalo naprosto stejně jako to v procesoru. Rozdíl byl pouze v tom, že často bylo lépe kalibrováno, ale na druhou stranu ukazovalo teplotu povrchu procesoru, nikoli jeho vnitřku. Změny v měření teploty byly navíc poměrně pomalé, neboť povrch procesoru se ohřívá mnohem pomaleji než přímo křemík, ve kterém probíhají výpočty.
