CPU ร้อน หรือ ความร้อนขณะที่ CPU ทำงาน เกิดขึ้นได้อย่างไร ?

ความร้อนขณะที่ CPU ทำงาน เกิดขึ้นได้อย่างไร ?

ทันทีที่เรากดปุ่มเปิดเครื่องคอมพิวเตอร์ หน่วยประมวลผลกลาง (CPU) ที่อยู่ภายในเคสของเราก็มีอุณหภูมิสูงขึ้นทันที ถ้ายังไม่ได้ทำอะไรอุณหภูมิของ CPU ก็อาจจะอยู่ที่ประมาณ 30-40 องศาเซลเซียส แต่พอเราเรนเดอร์วิดีโอ หรือเล่นเกม 3 มิติ ภาพสุดอลังการ อุณหภูมิของ CPU ก็จะสูงขึ้นไปอีกทันที อาจจะเด้งไปถึง 80-90 องศาเซลเซียส เลยทีเดียว และหากคุณถอดฮีตซิงก์ระบายความร้อนออกมันจะร้อนกว่านั้นอีก ถามว่าร้อนขนาดไหน ? ก็ร้อนจนคุณสามารถย่างเนื้อบน CPU ได้เลยล่ะ

วิดีโอจาก https://youtu.be/zAEXuONMJCQ

เป็นเรื่องน่าประหลาดใจมาก ที่ CPU ซึ่งเป็นชิปแผ่นเล็กๆ จะสามารถสร้างความร้อนได้มากขนาดนี้ ความลับของมัน คือ อะไร ? ทำไมเวลา CPU ทำงานถึงเกิดความร้อน มาลองอ่านคำตอบกันสักหน่อยดีกว่า

คอมพิวเตอร์ไม่เข้าใจภาษามนุษย์ มันรู้จักแค่เลข 1 กับ 0

ก่อนอื่นเราต้องเข้าใจหลักการทำงานเบื้องต้นของคอมพิวเตอร์ก่อน ไม่อย่างนั้นเราอาจจะงงว่าทำไม CPU ถึงร้อน ?

เรื่องนี้ขออธิบายโดยเริ่มจากการรับรู้ข้อมูลของคอมพิวเตอร์ เวลาที่เราป้อนข้อมูลไปยังคอมพิวเตอร์เนี่ย ไม่ว่าเราจะพิมพ์อะไรลงไป ข้อมูลจะถูกแปลงให้อยู่ในรูปแบบของ "เลขฐานสอง" ตัวอย่างเช่น เมื่อเราพิมพ์ว่า thaiware คอมพิวเตอร์ก็จะได้รับข้อมูล (หลังจากแปลงรูปแบบแล้ว) ตามรูปแบบดังนี้ 01110100 01101000 01100001 01101001 01110111 01100001 01110010 01100101

ภาพจาก https://pixabay.com/images/id-63527/

บางคนอาจจะมีคำถามเกิดขึ้นในใจว่า ทำไมต้องทำให้มันยุ่งยากขนาดนี้ด้วยฟะ !? คือ ปัญหานี้ไม่ได้เกิดจากความหาทำของคนสร้างคอมพิวเตอร์นะครับ แต่มันเป็นข้อจำกัดตามกฏฟิสิกส์

ข้อมูลที่เกิดขึ้นในคอมพิวเตอร์อยู่ในลักษณะของ "สัญญาณไฟฟ้า" โดยถูกกำหนดค่าการรับรู้สถานะสัญญาณไฟฟ้าเอาไว้แค่ว่า "เปิด" หรือ "ปิด" ค่าเปิด และค่าปิด ถูกแทนด้วยเลขฐานสอง คือ 0 = ปิด และ 1 = เปิด

ตามทฤษฎีแล้ว การเพิ่มค่าให้มากกว่านี้ มันก็เป็นไปได้ครับ แต่ แต่ แต่เดี๋ยวก่อนเทคโนโลยีของคอมพิวเตอร์ในยุคเริ่มต้นเนี่ย มันก็ไม่ได้ทันสมัยเหมือนในยุคปัจจุบันนี้ การจะวัดแรงดันของสัญญาณไฟฟ้าให้ละเอียดเป๊ะไม่คลาดเคลื่อนเลยแม้แต่นิดเดียวไม่ใช่เรื่องง่าย การจะให้มันจับค่าข้อมูลเพื่อประเมินว่าแรงดันนี้เป็นของค่า 2, 3, 4, A, B, C,...Z ฯลฯ เป็นเรื่องที่ทำได้ยาก และถึงทำได้โอกาสผิดพลาดก็สูงกว่าการใช้เลขฐานสองอยู่ดี

จาก Vaccum Tubes สู่ Transistors

ตอนนี้เรารู้แล้วว่าคอมพิวเตอร์ทำงานด้วยข้อมูลที่อยู่ในรูปแบบของเลขฐานสองที่ประกอบไปด้วยเลข "0" กับเลข "1" ซึ่งในคอมพิวเตอร์ก็ต้องมีเครื่องมือที่ใช้ในการสร้างค่าเลขฐานสองเพื่อใช้ในการคำนวณตรรกะ (Logic circuitry) โดยสมัยแรกก็จะใช้หลอดสุญญากาศ (Vacuum tube) ทำหน้าที่เป็นสวิทช์ (ปิด = 0 เปิด = 1) เราขออนุญาตไม่อธิบายหลักการทำงานเชิงลึกนะครับ เพราะมันจะยาวออกทะเลไปจากหัวข้อของบทความนี้ไปไกล แต่หลักการคร่าวๆ คือ เมื่อตัวหลอดมีประจุไฟฟ้า (อิเล็กตรอน) วิ่งผ่าน (Charge) จะเท่ากับ "1" และเมื่อประจุไฟฟ้าถูกปล่อยออก (Discharge) ก็จะมีค่าเท่ากับ "0" ซึ่งในคอมพิวเตอร์หนึ่งเครื่อง ก็จะมีเจ้าหลอดสุญญากาศนี้เพียบเลย

ภาพจาก https://www.historyofthecoldwarpodcast.com/episode-40-nsa-early-cold-war/vacuum-tubes/

อย่าง ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) เครื่องคอมพิวเตอร์ดิจิทัลอิเล็กทรอนิกส์อเนกประสงค์เครื่องแรกของโลก ที่ถูกสร้างขึ้นมาสำหรับใช้ในการคำนวณวิถีการโจมตีของอาวุธในแบบต่างๆ ในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 2 จะมีหลอด Vaccum Tubes 17,468 หลอด เลยทีเดียว แล้วยังมี ไดโอดคริสตัล 7,200 ตัว, รีเลย์ 1,500 ตัว และตัวต้านทาน 70,000 ตัว และตัวเก็บประจุอีก 10,000 ตัว ผลที่ได้ คือ เครื่อง ENIAC นี้หนักถึง 27 ตัน สูง 2.4 เมตร กว้าง 0.9 เมตรและยาว 30 เมตร (100 ฟุต) ต้องใช้เนื้อที่ในการติดตั้งทั้งหมดมากถึง 167 ตารางเมตร (1,800 ฟุต²) และใช้พลังงานไฟฟ้าในการทำงานสูงถึง 150,000 วัตต์เลยทีเดียว แน่นอนว่าขณะทำงานมันร้อนมากอย่างไม่ต้องสงสัย

ภาพจาก https://www.columbia.edu/cu/computinghistory/eniac.html

แต่ในเวลาถัดมา ในปี ค.ศ. 1926 (พ.ศ. 2469) ยูเลียส เอดการ์ ลิเลียนเฟลด์ วิศวกร และนักฟิสิกส์ชาวเยอรมันได้จดสิทธิบัตรทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้า (Field-effect transistor) แต่ในเวลานั้นยังไม่สามารถสร้างได้จริง

ต้องรอจนถึงปี ค.ศ. 1947 (พ.ศ. 2490) จอห์น บาร์ดีน, วอลเตอร์ เฮาเซอร์ แบรตเทนและวิลเลียม ชอกลีย์ นักฟิสิกส์ชาวอเมริการ่วมกันคิดค้นทรานซิสเตอร์จุดสัมผัส (Point-contact transistor) สิ่งนี้ได้ทำให้วงการอิเล็กทรอนิกส์สามารถสร้างอุปกรณ์ได้ในราคาถูก และมีขนาดเล็กลง จากผลงานนี้ทำให้พวกเขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ. 1956 (พ.ศ. 2499) เลยล่ะ

Transistor เป็นอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ (Semiconductor) ที่สามารถทำหน้าที่เป็นสวิตช์ได้เหมือนกับ Vacumm Tube แต่ Transistor มีขนาดเล็กกว่า, ใช้พลังงานต่ำกว่า และต้นทุนการผลิตต่ำกว่า แถมใช้พลังงานต่ำกว่า มันจึงถูกใช้เป็นสวิทช์แทนที่หลอดสุญญากาศอย่างรวดเร็วมาจนถึงปัจจุบัน

อย่างไรก็ตาม ไม่ใช่ว่า การทำงานของ Transistor จะไม่มีความร้อนเกิดขึ้น ในโครงสร้าง CPU เพียงหนึ่งตัว ประกอบไปด้วย Transistor จำนวนมหาศาลอัดแน่นอยู่ในนั้น ขอยกตัวอย่างสมาร์ทโฟน iPhone 12 ที่ใช้ CPU รุ่น Apple A14 Bionic ภายในนั้นประกอบไปด้วย Transistor ถึงประมาณ 11,800,000,000 ตัวเลยทีเดียว

ในทรานซิสเตอร์ทุกตัวจะประกอบไปด้วยชิ้นส่วนที่อนุญาตให้สัญญาณไฟฟ้าไหลผ่าน หรือไม่ก็ปิดกั้นไม่ให้สัญญาณไฟฟ้าไหลผ่านได้ (เปรียบได้กับ 0 หรือ 1 ที่เรากล่าวไปข้างต้นนั่นเอง) ตามหลักฟิสิกส์แล้วเมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านอะไรสักอย่าง มันจะมีความร้อนเกิดขึ้น จะร้อนขนาดไหนก็ขึ้นอยู่กับปริมาณไฟฟ้าที่ไหลผ่าน อย่างไรก็ตาม ในเมื่อ Transistor ต้องทำหน้าที่เป็นสวิทช์ด้วย มันจึงต้องมีกำแพงกั้นสัญญาณไฟฟ้าอยู่ในตัว เมื่ออิเล็กตรอนที่กำลังวิ่งชนเข้ากับกำแพงกั้น การกระแทกนั้น ทำให้มีพลังงานความร้อนเกิดขึ้น ลองจิตนาการถึงภาพน้ำจากแม่น้ำที่กำลังไหลลงทะเล แต่เราเอาเขื่อนไปกั้นปิดไว้ เขื่อนก็จะต้องรองรับแรงกระแทกนั้นไว้ใช่ไหมล่ะ

ภาพจาก https://pixeljoint.com/pixelart/130104.htm?sec=showcase

แม้ว่าทรานซิสเตอร์มันอันเล็กนิดเดียว ความร้อนที่เกิดขึ้นในทรานซิสเตอร์แค่ตัวเดียวมันไม่ได้ร้อนอะไรมากมาย แต่อย่าลืมว่าภายใน CPU หนึ่งตัวอัด Transistor เป็นหมื่นล้านตัว เมื่อรวมพลังสามัคคีกันความร้อนจึงเพิ่มสูงขึ้นจนย่างเนื้อได้อย่างในคลิปด้านบน เป็นเหตุผลที่คอมพิวเตอร์ถึงต้องมี Heatsink ช่วยระบายความร้อนออกจาก CPU นั่นเอง

CPU เป็น Semiconductor ไม่ใช่ Superconductor

มีอีกหลายเหตุผลที่ทำให้การทำงานของ CPU มีความร้อนขึ้น นอกเหนือไปจากพลังงานความร้อนที่เกิดจากการชนของอิเล็กตรอน แต่โดยรวมแล้ว เราสามารถกล่าวได้ว่าเป็นข้อจำกัดของ Semiconductor

ไม่ว่าเมื่อไหร่ก็ตาม เมื่อกระแสไฟฟ้าเดินทางผ่านวัสดุอะไรก็ตาม มันจะมีแรงต้านทานเกิดขึ้นพร้อมกับความร้อน ไม่เชื่อลองเอามือจับสายไฟของเครื่องใช้ไฟฟ้าเวลาที่มันทำงานดู เราจะสัมผัสได้ว่าสายไฟมีความร้อนเกิดขึ้น

แม้เทคโนโลยีในตอนนี้จะสามารถสร้าง Superconductor (สภาพนำยวดยิ่ง) ปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ที่เกิดขึ้นกับวัสดุบางชนิด ณ อุณหภูมิที่ต่ำมาก ที่จะทำให้วัสดุนั้นมีความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์ และไม่มีสนามแม่เหล็กภายในวัสดุนั้น หมายความว่ากระแสไฟฟ้าจะสามารถไหลในวงจรที่มีสายไฟที่มีสภาพตัวนำยวดยิ่งอย่างไม่จำกัดโดยไม่มีการสูญเสียกำลังเลยแม้แต่น้อย จึงไม่มีความร้อนเกิดขึ้น แต่ Superconductor ยังคงเป็นเทคโนโลยีที่เกิดขึ้นในห้องทดลองเท่านั้น ด้วยข้อจำกัดของสภาพแวดล้อม และวัสดุที่สามารถเข้าสู่สภาพนำยวดยิ่งได้ ทำให้เรายังไม่สามารถนำมาผลิตเป็นอุปกรณ์ในชีวิตประจำวันได้

ก็หวังว่าบทความนี้จะช่วยไขข้อข้องใจให้คุณผู้อ่านได้บ้างนะครับ ถึงเหตุผลที่ทำให้ CPU มีความร้อนเกิดขึ้น อันที่จริงยังมีอีกหลายปัจจัยที่สามารถเพิ่มอุณหภูมิให้ CPU ได้อีก แต่เราไม่ได้กล่าวถึง ไม่ว่าจะเป็นลมร้อนจาก GPU, ฮาร์ดดิสก์, อากาศร้อนภายในห้อง, พัดลมดูดอากาศภายในเคสคอมพิวเตอร์ (ที่อาจจะจัดวางไม่ดี) ฯลฯ

ไม่ว่าจะด้วยเหตุผลใด เราควรทำระบบระบายความร้อนภายในเคสให้ดีที่สุดเท่าที่จะทำได้นะครับ เพราะเวลาที่ CPU ร้อนเกินไป มันจะส่งผลให้คอมพิวเตอร์ของเราทำงานได้ไม่เต็มประสิทธิภาพ และอย่างร้ายแรงก็อาจทำให้เครื่องพังได้เลยทีเดียว

อ่านบทความ : พัดลม Heatsink หรือ ชุดระบายความร้อนด้วยน้ำ แบบไหนระบายความร้อนคอมพิวเตอร์ ได้ดีกว่ากัน ?