剖析CPU温度监控技术

 引言

       迄今为止还没有一种cpu散热系统能保证永不失效。失去了散热系统保护伞的“芯”，往往会在几秒钟内永远停止“跳动”。值得庆幸的是，聪明的工程师们开发出有效的CPU温度监控、保护技术。以特殊而敏锐的“嗅觉”随时监测CPU的温度变化，并提供必要的保护措施，使CPU免受高温下的灭顶之灾。在我们看来，探索这项技术如同开始一段神秘而有趣的旅程，何不与我们同行？

       CPU功耗和温度随运行速度的加快而不断增大，现已成为一个不折不扣的“烫手山芋”。如何使CPU安全运行，提高系统的可靠性，防止因过热而产生的死机、蓝屏、反复重启动甚至CPU烧毁，不仅是CPU所面临的困境，也是留给主板设计者的一个重要课题。为此，Intel率先提出了温度监控器（Thermal Monitor）的概念，通过对CPU进行温度控制和过热保护，使稳定性和安全性大大增加。

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                                                              图1  CPU插槽下的热敏电阻

       热敏电阻（Thermal Resistor ，简称Thermistor）体积小、价格低，使用方便，但用于检测CPU温度时存在着先天不足：

       1.热敏电阻是接触式测温元件，如果热敏电阻与CPU接触不够紧密，CPU的热量不能有效地传送到，所测量温度会有很大误差。有些主板上采用SMD贴片热敏电阻去测量CPU温度，其测量误差比直立式热敏电阻误差更大，因为这种贴片元件很难紧密接触到CPU。

       2.CPU的核心（die）发出热量由芯片封装向外部散热，CPU的表面温度和核心温度之间约有15℃～30℃的温差，同时因芯片封装形式不同，及环境温度的不同而难以确定。至今还没有一种技术能够把热敏电阻埋进芯片内部去，导致现在热敏电阻只能测量CPU的表面温度，而无法测量核心温度。

       总之，热敏电阻不仅测量精度难以保证，更重要的是无法检测到热源的真实温度。

       由于热敏电阻先天不足带来了一个十分严重的问题∶表面温度不能及时反映CPU核心温度变化，用专业术语说就是存在一个时间滞后的问题。因为核心温度变化之后要经过一段时间才能传送到CPU表面。图2反映了采用核心测温方式下保护电路起作用的情况，当核心温度达到CPU极限温度T2时，控制电路及时切断CPU的供电，否则只需几秒钟时间便会到达烧毁温度T3。相比之下，表面温度反应十分迟钝，其升温速度远不及核心温度，当核心温度发生急剧变化时，表面温度只有“小幅上扬”。Pentium 4和Athlon XP等最新的CPU，其核心温度变化速度达30～50℃/s，核心温度的变化速度越快，测量温度的延迟误差也越大。在这种背景之下，如果再以表面温度作为控制目标，保护电路尚未做出反应，CPU可能已经命归黄泉了。

                                                        图2 表面温度的时间滞后特性

       为了解决热敏电阻无法测量C PU核心真实温度的问题，Intel在Pentium Ⅱ和Celeroncpu中植入了热敏二极管（Thermal Diode，或简称作Thermodiode）直接测量CPU核心温度，开创了半导体测温技术的先河。此后的Pentium Ⅲ和Pentium 4芯片中都植入了热敏二极管，AMD在Athlon和DuronCPU中也植入了热敏二极管。现在许多主板都在监控芯片内设置有热敏二极管，用于检测芯片所在位置的环境温度。

       (小知识∶如何知道BIOS或测试软件显示的CPU温度是表面温度还是核心温度？)

       就目前来看，无论使用Intel还是AMD的CPU，已很少使用热敏电阻测量CPU表面温度了，所以BIOS与检测软件所显示的CPU温度都是指CPU的核心温度。而在Pentium Ⅱ以前，CPU温度通常是指表面温度；Pentium Ⅱ及以后的CPU内都集成有热敏二极管，所测量温度就是核心温度。不过，在过渡期内许多主板上仍在CPU插座下面保留了热敏电阻，这样就同时能检测到两个不同的CPU温度值，通常BIOS中显示的是CPU的外部温度，而检测软件所测试的是核心温度。

       热敏二极管又叫热敏PN结（Thermal PN junction），基于硅基PN结正向电压和温度的关系，其测温范围在-55℃～+150℃之间。与热敏电阻一样，热敏二极管属于变阻器件，其等效电阻值是由其工作温度所决定。

       二、温度监控：从单纯显示到温度监控

       在热敏电阻为主要测温手段时期，测得的CPU表面温度经放大器将微弱信号放大后经A/D转换，将模拟信号转换成数字信号后再通过数据线发送给BIOS芯片（如图3），数据进入BIOS芯片后，BIOS或监控软件就能在屏幕上显示了。

                                                       图3  温度信号处理电路

       温度显示系统是一种被动的体系，无法对温度进行调节。一旦测得CPU温度超出设定温度，电脑可以发出声光报警，以提醒电脑用户进行人为干预。这种系统用于目前发热量大的CPU基本上没有安全可言。如果散热系统发生问题后，没等用户反应过来，CPU就已经烧毁了。因此，Intel提出了温度监控的概念，让系统具有自我调控能力，一旦CPU温度超出所设定的极限温度，系统将通过降低供电电压、降低芯片工作频率和加强冷却等手段进行主动降温，甚至自动关机，以确保CPU安全。  温度监控技术有两个鲜明的特点∶一是cpu内置热敏二极管直接测量核心温度，二是主板上设置监控芯片（如图4）。Intel首先在Pentium Ⅱ及CeleronCPU中植入热敏二极管，并公开了具有温度监控技术的主板设计指南，这一举措得到主板制造商的积极响应，各具特色的所谓的“智能主板”如雨后春笋，一时精彩纷呈。一些有实力的主板制造商还自行开发监控芯片（如MSI的CoreCell等），温度监控技术在短短几年内便有了很大进步，不断完善温度监控功能。

                                       ;                      图4 各种硬件监控芯片

       实际监控系统所采取的主动降温措施中，哪种方法更有实际意义呢？下面我们进行一个简短的分析。

       芯片的功耗（发热量）由静态功耗和动态功耗两部分组成（如图5），静态功耗是因为漏电流引起的。由P=V2/R可知，在芯片等效电阻R不变的情况下，功耗P与电压V的2次方成正比，降低供电电压可以极大地降低静态功耗。所以这些年来芯片工作电压从5V降到3.3V，甚至降到目前的1V以下。我们当然希望这个数值进一步降低，但如果没有k值更高的栅极材料，就无法保证在低电压下完成晶体管开启和关闭动作。所以，降低电压的手段毕竟还是有限的。而且由于CPU内集成的晶体管数量的按摩尔定律逐年增加，众多晶体管并联后使得等效电阻值不断减少，集成电路内层与层之间的绝缘层变薄也使得层间泄漏电流增加，所以CPU的静态功耗一直趋于上升态势。

                                                      图5 芯片工艺进步 泄漏功耗增加

       芯片的动态功耗P = CV2f，其中C表示电路负载大小，V表示供电电压，f为工作频率。可见f与芯片的动态功耗成正比，频率愈高则消耗的功率也愈高。降低CPU的时钟频率虽然是降低动态功耗的有效手段，但是，电脑用户总是希望程序能够执行得更快，通过降低频率来降温的手段是难以被用户所接受的。

       既然降低电压和频率的降温方法都有很多现实困难，所以利用风扇带走热量就成了一种最简便可行的方法。近几年来，CPU风扇的尺寸越来越大、转速越来越高，使得排气量越来越大，这在一定程度上缓解了CPU温度高居不下的问题。但是风扇扇叶尺寸过大、转速过高，又带来了噪音问题，而且环境温度过高也会影响散热效果，所以又必须增加机箱风扇，使得噪音问题进一步加剧。 为了降低噪音和节省能耗，在CPU温度不太高的时候让风扇保持低速运转，在不得已的情况下才提高转速，就成了一个被大家普遍认可的温度控制方案。因此，大多数温度监控系统实际上就是一个“温度-转速控制系统”，很多温度监控芯片也是针对这种需要而设计的。 
三、第一代温度监控系统，并不可靠 

       cpu温度监控系统根据控制电路所处的位置，可分为外部控制型和内部控制型两种基本结构。外部控制型监控系统，现在被称为第一代温度监控技术，它有三种基本存在形式∶一种是采用独立的控制芯片，如WINBOND的W83627HF、ITE的IT8705、IT8712等，这些芯片除了处理温度信号，同时还能处理电压和转速信号（如图6）；第二种形式是在BIOS芯片中集成了温度控制功能；第三种形式是南桥芯片中集成温度控制功能。在现行的主板中，三种形式同时存在，如果主板说明书中没有特别说明，我们一时难以判断监控硬件的准确位置。

                                                      图6 第一代热量监控系统框图

       图7是一个以MIC284为核心CPU温度监控电路，该电路只能控制CPU风扇的转速，但它可以将温度信号通过SMBus端口传送给BIOS芯片，以实现更多控制功能。

                                                   图7  一个实际的监控电路

       小知识∶什么是SMBus？

       SMBus是System Management Bus（系统管理总线）的缩写，是1995年由Intel提出的。SMBus只有两根信号线：双向数据线和时钟信号线。PCI插槽上也给SMBus预留了两个引脚（A40为SMBus 时钟线，A41为SMBus 数据线），以便于PCI接口卡与主板设备之间交换信息。

       SMBus的数据传输率为100kbps，虽然速度较慢，却以其结构简洁造价低廉的特点，成为业界普遍欢迎的接口标准。Windows中显示的各种设备的制造商名称和型号等信息，都是通过SMBus总线收集的。主板监控系统中传送各种传感器的测量结果，以及BIOS向监控芯片发送命令，也是利用SMBus实现的。

       监控芯片通常是可编程的ASIC微控制器，应用软件经BIOS将控制命令和数据经接口电路发送给监控芯片，修改其控制参数，一些监控软件正是通过这种途径来显示和调整CPU电压和风扇转速的。

       监控芯片是温度监控系统的核心，其质量优劣对控制性能有很大的影响。但由于监控芯片种类繁多，在功能和性能上有很大差异，给使用和鉴别带来一定困难。

       首先，各种监控芯片在控制功能上有很大差异（譬如某个芯片可以控制两个风扇，多数则只能控制一个风扇），通常引脚数越多，功能越强。

       其次，即便功能相同的芯片，性能上也会有差别，其中一个重要的区别在数据位的不同（譬如MAX6682的分辨率是10位，TC1024为9位，FMS2701为8位），位数少的芯片输出的数据精度自然也就降低了（8位芯片温度转换误差为±3℃）。另一个性能差别在采   第一代cpu温度监控技术建立在依靠外援的基础上，当CPU过热而超过极限温度时，由系统向CPU发出HLT命令，让系统暂停。因为热量可能导致系统不稳定，如果电脑死机或程序进入死循环，就会失去监控作用，也就无法保护CPU了。同时，由于构成监控系统的元器件较多，战线拉得很长，导致反应速度慢，无法及时跟踪CPU温度变化。而现在的CPU不仅核心温度高，而且升温速度快（最高可达50℃/s），一旦灾难来临必有“远水不解近渴”之忧患。

       四、第二代温度监控技术，Pentium 4烧不死的秘密

       为了弥补第一代温度监控技术的缺陷，提高监控能力，Intel开发了第2代温度监控技术。

       第二代温度监控系统的一个突出特点是在CPU内部集成了温度控制电路（Thermal Control Circuit，TCC），由CPU自身执行温度控制功能，同时，CPU内设置了两个相互独立的热敏二极管，D1是本地热敏二极管，所测信号提供给TCC，D2则为远端热敏二极管，其测量结果用于实现主板控制功能及显示核心温度，如图8。

                                                    图8  第2代温度监控系统框图

       我们先看看TCC是如何发挥作用的。TCC定义了两种工作状态：激活态和非激活态。TCC的状态与PROCHOT＃信号的电平高低相对应，PROCHOT＃为低电平时，TCC为激活态，否则处于非激活态。当CPU核心温度达到警戒温度（Warning Temperature）时，温度检测电路将PROCHOT＃信号置为低电平，从而激活TCC。TCC激活后，采取“抑制任务周期”（Throttle duty Cycle）的方式（如图9），使CPU有效频率下降，从而达到降低功耗的目的。当CPU的温度降低后（低于警戒温度1℃以上），TCC回到非激活态，CPU恢复到“标称频率”。可见，TCC实质上是一个由CPU温度控制的频率调节器。

                                                          图9  TCC激活时，任务周期减少

       如果发生灾难性冷却失败的情况，使CPU温度超出极限温度（thermal Trip），TCC将设THERMTRIP#信号为低电平，BIOS芯片检测到这一变化后，直接关闭CPU时钟信号，并通过PWM控制器封锁VRM向CPU供电，直到温度降到极限温度以下，RESET#信号有效，THERMTRIP#才会重新变为高电平，系统才能继续工作。否则THERMTRIP#总为低电平，系统就停留在暂停状态。“当CPU离开风扇的时候”，Pentium 4CPU之所以能够安然无恙，答案就在这里。 

样速率上，如果采样速率低（例如FMS2701的采样速率为1s），必然增加信号延迟，无法及时跟踪CPU温度的变化。

 小知识∶警戒温度与极限温度有什么不同？

        cpu警戒温度（warning temperature）和极限温度（thermal trip）都是指核心温度，但它们所代表的意义有所不同。警戒温度是能够保证CPU稳定运行的温度；极限温度也叫最高核心温度（Maximum die temperature）或关机温度（Shutdown temperature），是防止CPU免于烧毁的温度。

       各款CPU的警戒温度和极限温度值是制造商根据CPU的制造工艺和封装形式及封装材料确定的，并在技术白皮书中给出。为防止用户自行设定而带来危险，Intel已将Pentium 4CPU的警戒温度和极限温度写入TCC内的ROM单元中，用户无法修改它们。

       现在有不少主板的BIOS中也可以设置警戒温度和关机温度，不过可选的数值都比较保守，例如警戒温度最大值为70℃、关机温度为85℃，这是远低于TCC内设定值的。      

  兼顾性能和可靠性是第2代温度监控技术的优秀之处。由公式P = CV2f（其中C是等效电容容量；V是工作电压）可知，频率f与能耗P之间是一种线性关系，降低频率是减少发热量的有效途径。这种通过降低有效频率实现降温的措施，比之以前那种关断时钟信号的做法显然要聪明一些，避免了因强行关闭CPU，而导致数据丢失的情况。

       Pentium 4CPU中的PROCHOT＃引脚还有另外两个实用的功能。其中的一个功能是向主板发出报警信号——PROCHOT＃引脚为低电平时，说明CPU核心温度超过了警戒温度，此时CPU工作在较低的频率上。如果超出警戒温度（电脑用户利用工具软件可以获得这个信息），应及时检查散热器安装是否妥当，风扇转速是否正常。

       PROCHOT＃引脚的另一个功能是可以保护主板上的其他元件。PROCHOT＃引脚采用双工设计——信号既可以从这根信号线出去，也能进得来。主板设计者可利用这一特性为供电模块提供保护，当供电模块的温度超出警戒温度时，监控电路输出一个低电平到PROCHOT＃引脚以激活TCC，通过降低CPU功耗来达到保护供电模块的目的。

       可见，Pentium 4CPU不仅能自保平安，还能对供电电路提供保护，细微之处体现出设计者的良苦用心。同时，将TCC集成到CPU内不仅对自身更加安全，也简化了主板设计，降低了主板制造成本。可以说，第2代温度监控技术是一个给CPU制造商与下游主板厂商带来双赢的技术。

       小知识∶如何设置BIOS中的“Processor speed throttling”？

       Pentium 4主板的BIOS中通常有“Processor speed throttling ”之类的选择项，用于选择超警戒温度后CPU任务周期（duty cycle）占全部周期的比例，在CPU频率不变的情况下，这个比例越大说明CPU的工作效率越高。其中有“Automatic”和“On demand” 两种选择，“Automatic（自动）”表示任务周期的占空比为50％，也就是说比正常频率低一半；“On demand（按要求）”下面有12.5%、25％、…、87.5%等多种选择，选择的数值越小，则任务周期的比例越小，降频幅度也越大。

       五、温度控制，仅靠降频是不够的

       以降低频率为手段来保障CPU安全，是第2代温度监控技术的主要思想。但是这种技术也存在明显的缺陷：当温度超过警戒温度时，虽然可以勉强运行，但系统整体性能却随着CPU频率的下调而降低到一个很低的水平。假如一个3.8GHz的CPU只能长期工作在2GHz的速度上，这等于让用户花钱买了奔驰，却只能当奥拓使用。如果真是这样的话，第二代温度监控技术就算不上成熟的技术，而只不过是个苟且小计。

       在系统性能不受损失的前提下保证CPU安全稳定运行，这才是我们希望看到的结果。事实上，影响CPU温度的因素，除了频率外，还有CPU供电质量和散热效率。所以，Pentium 4温度监控系统采取了全面的监控措施，把频率、电压和散热三个控制参数视为保障CPU安全运行的三驾马车，如图10。

点击看原图

                                                       图10  Pentium 4cpu温度监控方案

       在供电方面，单纯采用多相供电结合大电容滤波的传 统方法已难以满足Pentium 4（Prescott）CPU的要求，为此，Intel制定了新的电压调节标准VRD10，将VID（电压识别码）从VRM9的5位升级到6位，使电压调整精度更高。VRD10还首次公开了Dynamic VID（动态电压识别码）技术，可根据CPU负荷变化随时调节供电电压，见缝插针地降低功耗。此外，Dynamic VID技术还能限制电流突变，避免CPU偶然烧毁的可能。有关Pentium 4CPU的最新供电规范，请参阅本刊2004年第13期“全面掌握Prescott主板最新供电技术”一文。

       在散热方面，Intel在Pentium 4 processor Thermal and Mechanical Design Guidelines（Pentium 4CPU热量和构造设计指南）中要求，CPU的散热器必须具有足够强的散热能力，以便及时将CPU所产生的热量带走。同时要求风扇能够输出转速信号，以实现对风扇的监控，防止因风扇停转而导致CPU过热的情况发生。由于CPU所产生的热量因工作负荷变化而有很大变化，因此也要求风扇转速按需要自动调节，以降低不必要的能源消耗和噪音污染。

       小知识∶如何判断风扇是否具有测速功能？

       有些电脑BIOS中显示风扇转速为0，而实际上风扇却在正常旋转，通常是因为风扇没有测速功能。风扇是否具有测速功能，可以从风扇连线的数目来区别，具有测速功能的风扇至少有三根线，通常红色线为＋12V，黑色线为地线，黄色线或白色线就是测速信号线。如果还有第四根线——一根蓝色的信号线，那是用于变频调速的脉宽调制信号PWM，如图11。

                                                          图11  CPU风扇插头引脚定义

       下面以ADT7436监控芯片为核心的Pentium 4CPU温度监控系统实例进行解剖，如图12。先看看风扇的情况，图中TACH是风扇电机速度信号，监控电路使用PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）控制风扇电机的转速，从PWM信号可以看出三只风扇都是可以调速的。

                                             图12  温度监控系统实例

北桥芯片是cpu与BIOS芯片进行数据交换的桥梁，监控芯片与北桥芯片三个信号中，SDA是SMBus双向数据线，它既可以将电源电压、CPU核心温度、风扇转速和环境温度等全部监控信息发送给BIOS实现进行显示，也可以由BIOS将来自系统的命令发送给监控芯片（前面已经介绍过，监控芯片是可编程的ASIC，所以完全有能力处理这些来自系统的命令），实现控制参数的修改或调节功能；SCL是来自系统的时钟信号，这是监控芯片与北桥芯片以及监控芯片与CPU之间进行同步通信的必要条件；SMBALART＃在此定义为监 控芯片通过SMBus接口发往BIOS芯片的报警（ALART）信号。

       监控芯片与CPU之间通过4个引脚进行联络：CPU将电压识别码VID发送给监控芯片，由它可算出CPU理论电压值（来自电源模块的Vcore才是CPU的实际电压值）；D2+和D2-是CPU核心温度信号（“D”在此表示Diode，而不是Data），当CPU温度超过警戒温度时，CPU通过PROCHOT＃信号通知监控芯片，而当电源模块电流超标时，监控芯片将PROCHOT＃信号置为低电平，激活CPU内的TCC，对CPU和供电模块进行降温。这些控制功能完全体现了第2代温度监控技术的特点。

       六、现有技术并不完善

       CPU温度监控系统在电脑中虽然毫不起眼，人们很少去注意它，但它对整个系统来却起着十分重要的作用，像一位藏在后面的天使，默默地守护着我们的电脑。从1993年Intel推出第一款奔腾CPU以来，十年之间主频提升了数十倍，期间CPU技术的发展已不再是简单的频率提升，系统设计者必须在性能、耗电量、噪音和热量四个因素之间进行综合平衡。正因为如此，温度监控技术经历了从无到有、逐渐成熟的发展过程，从一个侧面见证了CPU的发展史。据说即将推出的Pentium 4 6XX系列CPU将集成Enhanced SpeedStep技术，CPU自身温度监控功能得到强化。

       我们也应看到，现有的监控技术水平还远没有达到理想的状态，在温度测量精度、监控系统的及时性和降温技术的有效性等方面还有待提高，电压、频率和散热三个子系统目前处于各自为战的状态。未来的温度监控技术必然朝着更精确、更有效、更智能的方向发展。

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