Введение
В последнее время складывается такая ситуация, что развитие существующих средств охлаждения микропроцессоров не успевает за увеличением выделяемой ими тепловой мощности. Модернизация технологических процессов, влияющих на потребляемую отдельным транзистором мощность, на практике не позволяет эффективно «термокомпенсировать» всевозрастающее количество этих самых транзисторов на кристалле. И традиционные процессорные кулеры уже едва справляются с охлаждением новых горячих «камней».
Ранее охлаждение не имело смысла к своему существованию, так как большинство процессоров не имели большой мощности и впаивались намертво в материнскую плату, которая служила дополнительным теплоотводом. Когда появились первые «сокетные» (процессоры подключаемые к материнской плате через специальный разъём) процессоры, они потребовали специализированного охлаждения (тогда было достаточно маленького кулера). с течением времени выделяемая процессорами мощность неуклонно повышалась, кулеры худо-бедно эволюционировали: росла полезная площадь теплоотводов, увеличивались - диаметр вентилятора, скорость его вращения и, естественно, шум, но ничего принципиально нового так и не появилось.
От современных процессоров запросто можно ожидать 100 Вт выделяемого тепла. Итак, для начала сформулируем основные принципы эффективного отвода тепла от источника.
1) Эффективный подвод холодного теплоносителя к источнику тепла.
2) Эффективный теплообмен между источником тепла и теплоносителем.
3) Эффективный отвод горячего теплоносителя от источника тепла.
Рассмотрим, как они реализуются в существующих традиционных системах охлаждения, условно классифицируя по типу применяемого теплоносителя.
Охлаждение корпуса ПК
Правильное охлаждение процессора, равно как и других устройств ПК возможно лишь при правильном охлаждении корпуса ПК и правильной организации воздушных потоков внутри него. В насыщенном современными компонентами компьютере иногда наблюдается своеобразный эффект домино, связанный с лавинообразным нарастанием перегрева. Предположим, что в компьютере установлены мощные процессор, видеокарта, звуковая карта, парочка высокооборотных жестких дисков. Локальное охлаждение каждого элемента вроде бы обеспечивается нормально. Но собственные вентиляторы компонентов рассчитаны на прокачку поступающего воздуха с температурой не выше 30-35 градусов. Может сложиться ситуация, когда вентилятор будет получать воздух от процессора, сильно нагревающегося в процессе работы.
Естественно, что начнет перегреваться охлаждаемая им микросхема, что вызовет общее повышение температуры воздуха внутри корпуса. Все вентиляторы и микросхемы будут получать горячий воздух, и далее процесс примет лавинный характер, в итоге компьютер в лучшем случае зависнет, хотя не исключен и вариант выхода из строя какого- либо элемента. Симптомами проблем с охлаждением обычно служат периодические зависания компьютера без видимых внешних причин, неожиданные отказы в работе видеокарты, жестких дисков и других компонентов с высоким энергопотреблением. Иногда компьютер отказывается работать при повышении температуры наружного воздуха (зимой – при расположении вблизи отопительных приборов). Спецификация ATX в первой редакции предусматривала пассивный радиатор на процессоре, обдуваемый вентилятором на блоке питания. С возрастанием тепловыделения процессоров на них начали устанавливать отдельные вентиляторы. Современная спецификация ATX требует специальный воздухоотвод, располагающийся напротив процессора, по которому теплый воздух удаляется за пределы корпуса ПК. Современные стандарты по конструированию корпусов компьютеров среди прочего регламентируют и способ построения системы охлаждения. Начиная ещё с систем на базе Intel Pentium II, выпуск которых был начат в 1997 году, внедряется технология охлаждения компьютера сквозным воздушным потоком, направленным от передней стенки корпуса к задней.
Как минимум один вентилятор установлен в блоке питания компьютера (многие современные модели имеют два вентилятора, что позволяет существенно снизить скорость вращения каждого из них, а, значит, и шум при работе). В любом месте внутри корпуса компьютера можно устанавливать дополнительные вентиляторы для усиления потоков воздуха. Обязательно нужно следовать правилу: на передней и левой боковой стенке воздух нагнетается внутрь корпуса, на задней стенке горячий воздух выбрасывается наружу. Также нужно проконтролировать, чтобы поток горячего воздуха от задней стенки компьютера не попадал напрямик в воздухозабор на левой стенке компьютера (такое случается при определённых положениях системного блока относительно стен комнаты и мебели). Какие вентиляторы устанавливать, зависит в первую очередь от наличия соответствующих креплений в стенках корпуса. Шум вентилятора главным образом определяется скоростью его вращения, поэтому рекомендуется использовать медленные (тихие) модели вентиляторов. При равных установочных размерах и скорости вращения, вентиляторы на задней стенке корпуса субъективно шумят несколько меньше передних: во-первых, они находятся дальше от пользователя, во-вторых, сзади корпуса расположены почти прозрачные решётки, в то время как спереди — различные декоративные элементы. Часто шум создаётся вследствие огибания элементов передней панели воздушным потоком: если переносимый объём воздушного потока превышает некий предел, на передней панели корпуса компьютера образуются вихревые турбулентные потоки, которые создают характерный шум.
Охлаждение процессора
Со времени появления первых микропроцессоров прошло уже более 30 лет. Микроэлектронная технология успела далеко шагнуть за этот период, и если раньше компьютер был уделом только избранных, то теперь он стал неотъемлемой частью жизни каждого из нас. Но вместе с переходом компьютеров из категории роскоши в разряд, так сказать, средств передвижения, неминуемо образовалась масса серьезных проблем. Ни для кого не секрет, что высокопроизводительные процессоры сильно нагреваются при работе, иными словами — рассеивают большую тепловую мощность. И без дополнительных средств охлаждения быстродействующее «кремниевое сердце» современного компьютера обойтись уже не может. Проблема обеспечения оптимальной рабочей температуры процессора в последние годы начинает проявлять себя в полный рост, становясь самым настоящим краеугольным камнем на пути к созданию надежной, эргономичной и высокопроизводительной компьютерной системы. Общепризнанным и наиболее распространенным средством охлаждения процессора являются на сегодня так называемые кулеры (или, говоря по научному — теплообменные аппараты принудительного воздушного охлаждения). В общем случае они являются сочетанием металлической оребренной пластины (радиатора) и воздушного насоса (вентилятора), и служат для поддержания рабочей температуры процессора в пределах допустимых нормативов, обеспечивая его правильное и надежное функционирование.
Устройства для охлаждения процессора
Радиатор
По своей сути радиатор является устройством, существенно облегчающим теплообмен процессора с окружающей средой. Площадь поверхности процессорного кристалла чрезвычайно мала (на сегодня не превышает нескольких квадратных сантиметров) и недостаточна для сколько нибудь эффективного отвода тепловой мощности, измеряемой десятками ватт. Благодаря своей оребренной поверхности, радиатор, будучи установленным на процессоре, в сотни и даже тысячи раз увеличивает площадь его теплового контакта с окружающей средой, способствуя тем самым усилению интенсивности теплообмена и кардинальному снижению рабочей температуры. «Экструзионные» (прессованные) радиаторы. Наиболее дешевые, общепризнанные и самые распространенные на рынке, основной материал, используемый в их производстве — алюминий. Такие радиаторы изготавливаются методом экструзии (прессования), который позволяет получить достаточно сложный профиль оребренной поверхности и достичь.
«Складчатые» радиаторы. Отличаются довольно интересным технологическим исполнением: на базовой пластине радиатора пайкой (или с помощью адгезионных теплопроводящих паст) закрепляется тонкая металлическая лента, свернутая в гармошку, складки которой играют роль своеобразной оребренной поверхности. Основные материалы — алюминий и медь. По сравнению с экструзионными радиаторами, данная технология позволяет получать изделия более компактных размеров, но с такой же тепловой эффективностью (или даже лучшей).
«Кованые» (холоднодеформированные) радиаторы (Рис.4). Для их изготовления используется технология холодного прессования, которая позволяет «ваять» поверхность радиатора не только в форме стандартных прямоугольных ребер, но и в виде стрежней произвольного сечения. Основной материал — алюминий, но зачастую в основание (подошву) радиатора дополнительно интегрируют медные пластины (для улучшения его теплоотводящих свойств). Технология холодного прессования характеризуется относительно малой производительностью, поэтому «кованые» радиаторы, как правило, дороже «экструзионных» и «складчатых», но далеко не всегда лучше в плане тепловой эффективности.
«Составные» радиаторы. Во многом повторяют методику «складчатых» радиаторов, но обладают вместе с тем весьма существенным отличием: здесь оребренная поверхность формируется уже не лентой-гармошкой, а раздельными тонкими пластинами, закрепленными на подошве радиатора пайкой или стыковой сваркой. Основной используемый материал — медь. Как правило, «составные» радиаторы характеризуются более высокой тепловой эффективностью, чем «экструзионные» и «складчатые» но это наблюдается только при условии жесткого контроля качества производственных процессов.
«Точеные» радиаторы. На сегодня это самые продвинутые и наиболее дорогие изделия. Они производятся прецизионной механической обработкой монолитных заготовок (обрабатываются на специализированных высокоточных станках с ЧПУ) и отличаются наилучшей тепловой эффективностью. Основные материалы — алюминий и медь.
Вентиляторы
На сегодня в процессорных кулерах находят применение в основном осевые (аксиальные) вентиляторы, формирующие воздушный поток в направлении, параллельном оси вращения пропеллера (крыльчатки)
«Ходовая» часть вентилятора может быть построена на подшипнике скольжения (sleeve bearing, наиболее дешевая и недолговечная конструкция), на комбинированном подшипнике — один подшипник скольжения плюс один подшипник качения (one sleeve -one ball bearing, наиболее распространенная конструкция), и на двух подшипниках качения (two ball bearings, самая дорогая, но в то же время очень надежная и долговечная конструкция). Ну, а электрическая часть вентилятора повсеместно представляет собой миниатюрный электродвигатель постоянного тока.
Виды охлаждения процессора
Схемы воздушного охлаждения
Перейдем теперь к традиционному аэрогенному (воздушному) охлаждению. При всех его недостатках, оно обладает главным преимуществом — простотой и дешевизной реализации. Определенные же доработки позволяют по-новому взглянуть на дальнейшие перспективы воздушного охлаждения применительно к охлаждению все более мощных процессоров. Итак, на приведена традиционная схема отвода тепла от микропроцессора, отражающая положение вещей в подавляющем большинстве системных блоков.
Самые распространенные корпуса сегодня — различные xTower, в которых материнская плата расположена вертикально. Находящийся сверху вентилятор (установленный в блоке питания) высасывает воздух из корпуса, и создающееся разрежение заполняется воздухом, поступающим из отверстий внизу корпуса (если нет других отверстий). Этим создается элементарное поступление потока холодного воздуха внутрь корпуса. Вентилятор на процессоре нагнетает воздух в теплоотвод, подсасывая его из внутрикорпусного пространства. Игольчатые теплоотводы практически не применяются в кулерах, гораздо более распространены пластинчато-ребристые теплоотводы, и их ребра направлены либо вертикально (как в нашем случае), либо горизонтально.
В случае вертикального расположения имеет место очевидное короткое замыкание воздушных потоков. Выдуваемый вниз теплоотвода теплый воздух под действием конвекции поднимается вверх и опять засасывается вентилятором (имеет место так называемая рециркуляция). В этом случае не выполняются два необходимых условия — подвод и отвод теплоносителя. Соответственно, КПД кулера существенно падает. Элементарное перекрытие нижнего потока на теплоотводе позволяет выиграть пару градусов, однако остается открытым вопрос: почему производители печатных плат все-таки продолжают делать сокеты с таким расположением? Горизонтальное расположение несколько улучшает ситуацию, и на данный момент является оптимальным при прочих равных условиях.
Thermaltake в свое время вышла на рынок, предложив радиальное расположение ребер — весьма интересное решение для горизонтального расположения материнской платы в корпусе. Но опять же, в GoldenOrb вентилятор был расположен внутри теплоотвода, отъедая львиную долю его полезной площади, поэтому, даже несмотря на дикий шум, эффективность его была очень далека от революционной. Странным оказалось решение этой проблемы в DragonOrb: вентилятор вынесли наружу, но вместо того чтобы продолжить обрубки теплоотвода вовнутрь, там расположили круговой ряд убогих торчащих медных пластинок. Многие производители подхватили инициативу и предложили вполне приличные кулеры с радиальными медными ребрами (т.е. расходящимися от центра к краям). Хотя, в последнее время подобных решений не так уж и много, а нынешние флагманские кулеры от Thermaltake и вовсе забросили былые начинания.
Компания Zalman, известная в кругах компьютерных энтузиастов, предложила идею псевдопассивного кулера с веерным расположением ребер, обдуваемых вентилятором на отдельном кронштейне. Опять же для традиционного корпуса с вертикальным расположением кулера решение спорное, но его вполне приличная эффективность подтверждается практикой. С другой стороны, и цена довольно велика.
Подытоживая рассмотрение ситуации, которая сложилась на сегодняшний день, хочется отметить, что принципиально ничего не изменилось. Все старания производителей систем воздушного охлаждения процессоров направлены в сторону второго принципа эффективного охлаждения — улучшения теплообмена теплоносителя с источником тепла. В то же время задача подвода холодного воздуха (теплоносителя) и отвода отработавшего воздуха целиком возлагается на остальные компоненты — вентилятор в блоке питания, а также системный выдувной и системный вдувной вентиляторы (если таковые вообще имеются). Установка вентиляторов в места, предусмотренные в корпусе, дает зачастую только усиление шума вместо ожидаемого охлаждения перегретого процессора. А иногда, за счет смещения воздушных потоков внутри корпуса, температура процессора становится даже выше. Производители системных блоков стараются вовсю, подготавливая по 2-3 вентиляторных места на вдув и выдув, вырезая дырки в корпусах напротив процессорного кулера. Но пользы, как правило от этого мало.
Аэрогенные системы с элементом Пельтье
Элемент Пельтье — это небольшая пластинка, играющая роль «прокладки» между кристаллом процессора и кулером. Не вдаваясь в физические основы явления Пельтье, можно отметить, что эта пластинка позволяет поддерживать разность температур сторон пластинки в районе 40°C при отдаваемых кристаллом процессора десятках ватт тепла.
Это не означает, что добавление элемента Пельтье автоматически снижает температуру процессора на эту величину. Эти элементы в некоторой степени повышают КПД кулера за счет увеличения эффективности теплообмена между теплоносителем (воздухом) и теплоотводом,. Ведь, эффективность теплообмена зависит от разности температур холодного теплоносителя и горячего источника тепла. С другой стороны, и здесь есть один существенный недостаток — теплоотвод кулера нагревается сильнее, чем кристалл процессора, поэтому в случае отключения элемента (выключение компьютера или выход из строя самого элемента) теплоотвод сам начинает разогревать кристалл и может в принципе его «испечь». Поэтому без дополнительных систем контроля исключено применение массивных теплоотводов, что в свою очередь понижает КПД кулера. В целом элементы Пельтье, применительно к системам охлаждения, направлены на улучшение соблюдения второго принципа — эффективного теплообмена.
Криогенные системы
Эти системы отличаются от гидрогенных систем только тем, что в качестве теплоносителя вместо воды используется «прирожденный» термальный агент — фреон. Соответственно, контур полностью и обязательно герметичен, а насос и теплообменник отличаются ул учшенным качеством.
В итоге получается своего рода минихолодильник на процессоре. При стандартном тепловыделении 70 Вт температура может поддерживаться в районе 5°C. Эффективность выше, но и стоимость — как минимум, несколько сотен долларов.
Гидрогенные системы
На кристалле процессора монтируется герметично закрытый теплоотвод, имеющий входную и выходную трубки (так называемые штуцеры). Вне корпуса или в его свободной области устанавливается теплообменник с вентилятором, похожий на автомобильный радиатор. Вместе с водяным насосом эти устройства трубками соединяются в замкнутую цепь, которая заполняется теплоносителем. Насос прокачивает холодную воду через теплоотвод на процессоре, где она забирает тепло и нагревается. Этим обеспечивается поступление холодного теплоносителя и теплообмен с источником тепла. По трубкам вода поступает далее в теплообменник вне корпуса, где охлаждается и возвращается опять к теплоотводу.
В целом здесь соблюдены все принципы эффективного теплоотвода, однако опять же количество теплоносителя является ограниченным, поэтому возникает необходимость его повторного использования, то есть предварительного охлаждения. Водяное охлаждение позволяет, образно говоря, вынести кулер на процессоре из корпуса, при некотором падении КПД. При цене порядка $100, системы водяного охлаждения дают выигрыш примерно в 10°C по сравнению с продвинутыми кулерами с нормально организованной системой продува воздуха внутри корпуса.
Системы нитрогенного охлаждения
Самый недоступный, самый неудобный, но самый эффективный на сегодня подход — «нитрогенное охлаждение». В емкость, закрепленную на кристалле, наливается сжиженный газ — азот, имеющий температуру далеко ниже нуля по Цельсию. Здесь вопрос эффективного подвода холодного теплоносителя не стоит, потому что он либо есть (и имеет свои -196°C), либо его нет. Теплообмен также не является проблемой по той же причине — емкость на кристалле имеет фактически ту же температуру -196°C, пока там есть жидкий азот.
И отвод горячего теплоносителя тоже не является проблемой, поскольку все происходит само собой — азот быстро и с шумом испаряется. Но в этом подходе при массе его достоинств остается одна непроходимая проблема — собственно сам жидкий азот, который нужно будет покупать в огромных количествах и регулярно доливать в ту ужасную, покрытую инеем и туманом конструкцию, бывшую когда-то вашим персональным компьютером.
Система является довольно эффективной, но очень ресурсозатратной и опасной. Для охлаждения стандартного ПК можно обойтись иными способами.
