Углубляясь в устройство ПК и отдельных его компонентов, стоит рассмотреть некоторые вещи в самом близком ракурсе: обратить внимание на саму конструкцию, структуру, чтобы лучше понимать суть процессов, происходящих внутри. В соответствующих статьях мы ранее определили процессор компьютера (ЦПУ) главным "дирижёром" вычислительного оркестра. Мы также поверхностно затрагивали тему его охлаждения и нанесения термоинтерфейса на внешнюю крышку. Однако для понимания того, почему даже с самой дорогой и мощной системой охлаждения процессор может перегреваться, нам необходимо заглянуть в него.
Устройство ЦПУ компьютера
Обывателю может показаться, что ЦПУ – это нечто монолитное. На деле же это сложнейший многослойный "бутерброд", и корень большинства температурных проблем кроется именно в его начинке. Для лучшего понимания рассмотрим физическое строение классического десктопного (настольного) процессора снизу вверх.
Текстолитовая подложка
Тот самый зелёный или синий фундамент, на котором всё держится. На нижней части текстолитовой подложки расположены контакты для соединения с материнской платой – либо в виде плоских контактных площадок (LGA), либо в виде классических штырьков-ножек (PGA). Так же на подложке расположены (распаяны) мельчайшие SMD компоненты (могут быть с обеих сторон) и – прима этой сцены – кристалл, который (для монтажа систем охлаждения) всегда на наружной стороне.
Кристалл
Кремниевое ядро. Само "сердце" процессора, где происходят все вычисления. Исторически кристаллы были монолитными (один большой чип на почти всю подложку процессора), и тепло от них могло распределяться по широкой площади. Однако современные технологии всё чаще используют чиплетную компоновку, когда процессор собирается из нескольких отдельных кристаллов. Само по себе разделение не делает чип горячее, но проблема в другом: такая архитектура благодаря современным технологиям позволила экстремально "сжать" вычислительные ядра, напечатав их по самому тонкому техпроцессу. В итоге миллиарды транзисторов оказались спрессованы в крошечный вычислительный чиплет, и возникла колоссальная проблема "тепловой плотности".
Для понимания это можно сравнить со 100-ваттной лампочкой, которая излучает свет во все стороны, и ощутить её тепло можно только лишь на расстоянии нескольких сантиметров, даже можно обжечься, но для этого придётся прикоснуться непосредственно к поверхности. Но если взять и сфокусировать весь этот свет в луч (как лазер, той же мощности), то мелкая точка такого сфокусированного света легко зажигает спички на значительном расстоянии и вполне может даже сделать ожог. Более того, лазеры примерно такой мощности используются на ЧПУ станках для резки, гравировки и выжигания по дереву, пластику и другим материалам со слабой теплопроводимостью.
Так вот, очень маленький кусочек кремния под нагрузкой может выделять 100 Ватт и более, и этому гигантскому объёму тепла физически не хватает площади соприкосновения, чтобы быстро уйти наружу. Возникает термическая "пробка", тепло накапливается: Ваш кулер может отвести хоть 300 Ватт, но эта заявленная рассеиваемая мощность актуальна, когда вся площадь основания кулера прилегает к источнику тепла непосредственно, а когда эта площадь ограничена размером одного мелкого источника тепла, то это тепло просто не успевает покинуть крошечную поверхность кристалла. Именно поэтому современные топовые процессоры всегда горячие по своей природе.
Теплораспределительная крышка IHS и термоинтерфейс
Здесь следует особое внимание уделить терминам и дать кое-какие пояснения:
1. IHS (Integrated Heat Spreader) – металлическая пластина, корпус, который мы видим, беря процессор в руки. Внешне он серебристый, поэтому многие ошибочно считают его алюминиевым. На самом деле крышка делается из меди (для максимальной теплопроводности), а серебристый цвет ей придаёт тончайший слой никелирования. Никель выполняет две задачи: защищает медь от окисления и, что крайне важно, препятствует впитыванию жидких металлов в медную структуру, которая сама по себе очень податлива к внешним воздействиям. К слову, с завода геометрия этих крышек часто далека от идеала: они бывают вогнутыми или выпуклыми. Чтобы обеспечить безупречный прижим кулера, энтузиасты прибегают к "шлифовке" крышки, методично стирая её до медного основания на ровном стекле с наждачной бумагой.
2. Термоинтерфейс – тонкая прослойка, отводящая тепло от кристалла.
Индиевый припой и термопаста – нюансы
На этапе передачи тепла от раскалённого кристалла к теплораспределительной крышке возникает главное температурное "бутылочное горлышко". Идеальным внутренним термоинтерфейсом является индиевый припой – в этом случае кристалл буквально припаян к крышке. Припой обладает высочайшей теплопроводностью, и процессоры, собранные по такой технологии (например, легендарные Intel Sandy Bridge-E или Haswell-E), славились своими низкими температурами и феноменальным потенциалом для разгона.
Однако в определённый момент индустрия свернула не туда. Начиная с 3-го поколения процессоров Intel Core, производители заменили припой на пластичную термопасту – в народе её прозвали "терможвачкой". Ярким примером такого спорного решения стал весьма горячий Intel Core i7-7700K. Принято считать, что это было сделано исключительно из жадности маркетологов для удешевления производства, однако была и инженерная причина. С уменьшением техпроцессов кристаллы становились меньше, а циклы их нагрева и охлаждения – агрессивнее. Жёсткий и хрупкий бессвинцовый припой (свинец запретили "экологи", будь они здоровы) от постоянных перепадов температур и разного коэффициента теплового расширения покрывался микротрещинами, а в худших сценариях мог просто оторвать кусок хрупкого кремния. Эластичная термопаста компенсировала эти деформации. Ценой эффективности наращивали надёжность, но лишь временную.
Обратной стороной медали стало то, что паста со временем высыхала. В итоге нарушалась логистика тепла: кристалл раскалялся до 100 градусов, процессор уходил в жесточайший троттлинг (сброс частот), а радиатор кулера при этом оставался холодным. Тепло просто не могло пробиться через высохшую прослойку, накапливаясь в кристалле.
Скальпирование процессора
Чтобы спасти такие процессоры с "уставшим" внутренним термоинтерфейсом, энтузиасты прибегают к экстремальной хирургии – скальпированию. С помощью специального инструмента (делидера) или обычного лезвия (иные спецы были способны буквально "на коленке" скальпировать камень) металлическая крышка механически срезается с подложки (срезается клеевой компаунд, конечно же). Заводская высохшая термопаста удаляется, а на голый кристалл наносится "жидкий металл". Температуры после такой операции моментально падают на 15 – 20 градусов. Однако процедура крайне рискованна: одно неверное движение лезвием может сорвать SMD компоненты, перерезать микроскопические дорожки на текстолите или сколоть кристалл резко отстрелившейся крышкой, после чего ЦПУ становится самым дорогим в Вашей жизни брелоком для ключей. Гарантия при этой процедуре, естественно, аннулируется. При нанесении жидкого металла также необходимо строго учитывать электродный потенциал материалов, чтобы не создать гальваническую пару (например взаимодействие с алюминием недопустимо), о чём мы подробно писали в статье про СЖО.
Прямое охлаждение кристалла – Direct Die
Логично напрашивается вопрос: если заводская крышка (IHS) так мешает, зачем её возвращать на место после скальпирования? Почему бы не поставить радиатор прямо на кристалл? Такой метод прямого охлаждения кристалла (Direct Die) действительно существует, для него даже выпускают специальные кастомные рамки крепления. Но есть два серьёзных минуса:
1. Существует высочайший риск раздавить хрупкий кремний при малейшем перекосе кулера во время затяжки винтов (заводская крышка принимает всё физическое давление на себя).
2. При прямом контакте кулера с кристаллом теплообмен идёт исключительно через верхнюю плоскость. В противном же случае крышка снимает тепло не только с верхней плоской поверхности кристалла – за счёт заполнения внутреннего пространства термоинтерфейсом она забирает тепло с боковых граней кристалла и даже с самой текстолитовой подложки, работая как объёмный тепловой купол.
В каких устройствах IHS не применяется?
Существуют девайсы, где теплораспределительной крышки нет изначально. Это, например, ноутбуки и игровые приставки. В мобильном сегменте идёт жёсткая борьба за каждый миллиметр толщины, поэтому система охлаждения там устанавливается прямо на "голый" кристалл. Эффективность теплоотвода повышается, но требования к аккуратности мастера при обслуживании возрастают кратно: сколотые углы кристаллов на ноутбучных платах и убитые неумелым обслуживанием игровые консоли – это классика сервисных будней.
В современных производительных решениях, таких как консоль PlayStation 5 или топовые игровые ноутбуки (например, серия ROG от ASUS), производители прямо с завода наносят токопроводящий жидкий металл на голый кристалл. Чтобы этот состав не утёк на плату и не вызвал короткое замыкание, вокруг чипа выстраивают надёжную защиту: специальные губчатые барьеры от протекания и изоляционный компаунд (лак), которым наглухо заливают крошечные SMD-конденсаторы на подложке. Попытки неопытных пользователей самостоятельно заменить этот термоинтерфейс, повредив заводские барьеры, в 90% случаев заканчиваются коротким замыканием и необходимостью покупки новой материнской платы или всего устройства.
Итого
Эффективность охлаждения процессора компьютера – ЦПУ – зависит не только от габаритов Вашего башенного кулера или производительности СЖО. Огромную роль играет сложнейшая внутренняя логистика тепла, заложенная производителем под крышкой.
В следующих статьях мы продолжим разбирать матчасть, препарируя различные девайсы, чтобы докопаться до сути. В том числе затронем не менее сложный и горячий элемент системы — видеокарту, которая, по сути, представляет собой отдельное мощное вычислительное устройство внутри Вашего ПК.