Глобальное потепление. Настоящее и будущее систем охлаждения

Теория Глобальное потепление. Настоящее и будущее систем охлаждения 001.09.2007 09:44  |  ...ионы горячего воздуха напрямую отводятся от чипа, а образующийся воздушный поток обеспечивает дополнительное охлаждение. Главное преимущество новинки — размеры. Устройство достаточно мало, чтобы уместиться на поверхности микросхемы.... Теория

Современные процессоры и видеокарты давно перешагнули ту черту, когда для их охлаждения хватало простого вентилятора или примитивного радиатора. Сегодня они превратились в настоящих монстров, потрeбляющих огромное количество энергии и выделяющих ударные дозы тепла. Не отстают от них и прочие комплектующие ПК в лице оперативной памяти, винчестеров, блоков питания и материнских плат. Однако, как и много лет назад, чрезмерная жара по-прежнему крайне опасна для работы компонентов системного блока, и именно поэтому создание систем охлаждения превратилось в искусство. Погоня за прохладой набирает обороты...

Когда тепло убивает...

Сладкая парочка видеокарта от PowerColor и эффективный радиатор от Arctic Cooling.

Охлаждение это всего лишь перераспределение тепла в прострaнcтве. Энергия не приходит из ниоткуда и не уходит в никуда: если в холодильнике низкая температура, то его радиатор будет горячим. Аналогично, чип невозможно остудить, не отведя выделенное им тепло в другое место.

Также следует помнить, что любая система стремится к равновесию. Если в неотапливаемом помещении поставить чашку горячего кофе, то со временем у нее будет та же температура, что и у воздуха, при этом температура окружения также слегка возрастет.

Чем больше разница температур между горячим объектом и окружающей средой, тем интенсивнее будет остывать объект. И, наконец, чем больше площадь поверхности нагретого объекта, тем быстрее в этой системе наступает равновесие.

Производителей систем охлаждения условно можно разделить на два лагеря. К первому относятся разработчики штатного охлаждения. Обычно это специальные подразделения тех же компаний, которые и производят эти самые комплектующие. Целью подобных подразделений обычно является создание недорогих систем охлаждения, которые будут в состоянии обеспечить надежную работу устройств в обычных условиях.

Ко второму лагерю относятся сторонние разработчики, для которых на первое место выходит качество и эффективность продукции. Целевой рынок продвинутые пользователи, которые хотят тишины и высокого потенциала разгона. Кстати, некоторые компании (например, PowerColor) во многих продуктах используют кулеры Accelero от Arctic Cooling.

Борьба за тишину

Zalman VNF100 отлично справится с охлаждением даже таких монстров, как GeForce 7950 GT и Radeon 1800.

Проблема чрезмерного шума решается с помощью пассивных систем охлаждения в них отсутствуют подвижные элементы (вентиляторы). Следовательно, исключается вибрация и какие-либо шумы во время эксплуатации. Используются они при охлаждении видеокарт, чипсетов, оперативной памяти и даже процессоров.

Пассивные системы охлаждения состоят из одного лишь радиатора, иногда добавляются тепловые трубки. В случае с ОЗУ и чипсетами они, как правило, весьма примитивны, а вот на видеокарты устанавливают действительно сложные конструкции. Цель радиатора одна увеличить площадь поверхности греющегося элемента, поэтому он обычно состоит из множества тонких ребер, находящихся на минимальном расстоянии друг от друга. Нагревшиеся ребра отдают тепло окружающей среде.

Для того чтобы тепло переносилось быстрее по поверхности радиатора, используются медные тепловые трубки: они контактируют с основанием радиатора и переносят тепло в расположенные на них ребра. Благодаря этому пассивные системы охлаждения можно сделать весьма эффективными. Традиционно радиаторы изготавливают из меди или алюминия. Медь быстрее отводит тепло, но дороже и тяжелее алюминия, поэтому часто в одном устройстве комбинируют их.

Крайне интересно обстоят дела, связанные с креплением радиатора к поверхности чипа. В идеале основание радиатора и теплораспределитель чипа должны контактировать настолько плотно, чтобы их температура не отличалась вообще. На пpaктике такое невозможно, ведь даже на отполированной до зеркального блеска поверхности есть множество микротрещин, заполненных воздухом, а воздух обладает очень низкой теплопроводностью. Чтобы улучшить контакт между поверхностями, применяют термоинтерфейсы.

Термоинтерфейсы

Термопаста залог эффективного охлаждения. Arctic Silver 5 станет хорошим выбором.

Пример простейшего термоинтерфейса термоклей (не стоит путать с суперклеем). Он обладает относительно неплохой теплопроводностью, выдерживает высокие температуры и хорошо склеивает любые поверхности. Применяется для установки небольших радиаторов в том случае, если на них нет каких-либо креплений. Опасность заключается в том, что снять приклеенный радиатор пpaктически невозможно, так что термоклей используется редко.

Для установки радиаторов на чипы видеопамяти часто применяют клейкие термопрокладки они не в состоянии выдержать большой вес, их можно безболезненно удалить. Распространены и обычные термопрокладки, но для их использования радиатор должен иметь собственную систему крепления.

Самым же эффективным и пpaктичным термоинтерфейсом является термопаста она обеспечивает наилучший контакт между чипом и теплораспределителем. Термопаста обладает высокой теплопроводностью, заполняет микротрещины на соединяемых поверхностях. Клейкими свойствами она не обладает. Важный момент: термопасту нужно наносить очень тонким слоем на максимально чистую поверхность, даже отпечаток пальца может снизить эффективность охлаждения. Термопаста, как правило, отлично растворяется спиртом, так что проблем с удалением этого термоинтерфейса не возникает.

Среди множества термопаст наибольшим уважением среди оверклокеров пользуются отечественная КПТ-8 и иностранная Arctic Silver 5. Обе они весьма эффективны, но КПТ-8 прославилась еще и низкой ценой: 17-граммовый тюбик стоит порядка 20 рублей.

Наилучшие результаты показывают термопасты на основе угольных нанотрубок, но найти их в продаже нереально: материал, необходимый для их изготовления, очень дорог, поэтому такие термоинтерфейсы используются преимущественно в военной промышленности.

Полезная сажа

Какой консистенцией должна обладать термопаста, чтобы заполнить все неровности на чипе и обеспечить максимальную теплопроводность? С одной стороны, пластичный состав из мелких частиц лучше справляется с микронеровностями, в то же время известно, что твердые тела обладают большей теплопроводностью, чем жидкость, и, как следствие, более густая термопаста лучше передает тепловую энергию к радиаторам. Таким образом, получается, что идеального варианта нет, однако существуют разработки, позволяющие избежать подобной дилеммы. Наиболее перспективной из них является использование в составах термоинтерфейсов угольной сажи из промышленного угля. Эффективность подобных термопаст крайне высока, даже использование угольных нанотрубок не может обеспечить таких результатов. Дело в том, что сажа, помимо высокой теплопроводности, обладает такими свойствами, как пористость и сжимаемость, в результате чего эффективность значительно возрастает при увеличении давления. Угольные нанотрубки, увы, лишены этого свойства. Главным же недостатком новинки является ее токсичность.

Классический подход

Системы воздушного охлаждения это конструкции, в которых присутствует вентилятор. Сам по себе вентилятор не очень эффективен и в чистом виде применяется лишь при охлаждении блоков питания и винчестеров. В случае с графическими чипами и процессорами вентилятор комбинируют с радиатором, в результате получается кулер. Так охлаждают процессоры, видеокарты и системные чипы. Плюс высокая эффективность охлаждения, минус шум, иногда сильный, иногда едва заметный.

OCZ XTC Cooler устройство нового поколения для охлаждения памяти.

Самой большой непереносимостью к высоким температурам отличается центральный процессор. Прострaнcтво вокруг него обычно ничем не занято, так что кулеры, устанавливаемые на ЦП, бывают очень большие как в высоту, так и в ширину. Например, высота Zalman CNPS9700 превышает 140 мм. Если собираетесь заняться разгоном процессора, то экономить на кулере тем более не стоит. Заслуженной популярностью пользуются такие модели, как Thermaltake BigTyphoon, Scythe Infinity и недорогой CoolerMaster Hyper TX.

С видеокартами несколько сложнее: места для установки кулера мало, а тепловыделение зачастую много выше, чем у процессоров. Поэтому двухэтажные системы охлаждения это скорее норма, чем исключение. Штатное охлаждение на мощных видеокартах обычно следующим образом воздушный поток, создаваемый вентилятором, проходит через ребра радиатора и выбрасывается за пределы корпуса. Кулеры сторонних производителей в большинстве случаев рассеивают тепло в самом корпусе. Причина в том, что компании стараются делать системы охлаждения универсальными, а положение графического процессора на разных картах различается.

Важным фактором стабильности системы является температура внутри системного блока. Так что всегда полезно поставить вентиляторы на вдув и на выдув внутрь корпуса. Экономить на них не стоит, обращайте внимание на скорость их работы, оптимально использовать модели со скоростью 1200 об/мин. Достойные внимания модели выпускают компании Cooler Master, Sunbeam и другие.

Намного реже в компьютерной природе встречаются кулеры для памяти, хотя они очень помогут вам выжать столь необходимые дополнительные мегагерцы. Приятное впечатление оставила активная система OCZ XTC Cooler, Thermaltake отметилась выпуском Spirit RS радиатора с тепловой трубкой. Для разгона подобные устройства могут оказаться очень полезными.

Scythe Infinity с тихим вентилятором на 1200 об/мин отлично справится с горячим Athlon 64 FX или Core 2 серии Extreme.

Водяное охлаждение

Массивная водяная система охлаждения Reserator TX от Zalman справится с охлаждением и процессора, и памяти, и видеокарты!

Те пользователи, для которых одинаково важна и эффективность, и бесшумность охлаждения, обычно останавливают свой выбор на системах водяного охлаждения. В них тепло от чипов отводится за пределы корпуса с помощью жидкости (как правило, это специальный раствор на основе воды).

Традиционная «водянка» замкнутый контур, состоящий из четырех элементов: резервуара, помпы, радиатора и водоблока. Водоблок контактирует с процессором, радиатор предназначен для рассеивания тепла, помпа обеспечивает циркуляцию жидкости по системе, а в резервуаре хранится жидкость. В готовых наборах все эти элементы поставляются вместе.

После запуска системы жидкость начинает непрерывно циркулировать, проходя через водоблок и забирая тепло. Нагревшаяся вода поступает в резервуар-радиатор, где тепло с помощью радиатора рассеивается.

Порой к одной и той же системе можно подключить несколько водоблоков, в результате чего станет возможным охлаждать водой одновременно центральный процессор, видеокарту и чипсет системной платы, правда, общая эффективность системы упадет.

Существуют очень миниатюрные системы водяного охлаждения, предназначенные исключительно для видеокарт. Их эффективность по сравнению с полноценными аналогами ниже, но в некоторых случаях оно того стоит.

Оперативную память некоторые компании (к примеру, OCZ) также предлагают охлаждать водой, но подобные модули предназначены исключительно для любителей экстремального разгона.

Стремление к оригинальности

Titan Amanda с использованием элемента Пельтье очень тихая и эффективная, но требует дополнительного питания.

Впрочем, помимо водяного, воздушного и пассивного относительно распространено еще и термоэлектрическое охлаждение. Помимо вентилятора и радиатора, в такие системы входит модуль Пельтье пластина, которая переносит тепло с одной ее стороны на другую (для этого требуется ток). Это позволяет эффективно отводить тепловую энергию от поверхности процессора, в то же время радиатор начинает греться еще сильнее, ведь сам модуль лишь перераспределяет тепло, но не отводит его. Поэтому на подобные кулеры устанавливают вентиляторы, кроме того, модуль Пельтье потрeбляет достаточно много энергии. Такие кулеры отлично охлаждают, при этом стоят не слишком дорого. Примером подобной системы охлаждения может служить кулер для процессоров Titan Amanda или Elena для видеокарт. Последняя довольно громоздка и шумна, однако со своей задачей справляется на ура. Фирма Sparkle даже использовала Elena для охлаждения GeForce 8800.

Но что же делать, если душа требует установки чего-либо оригинального, эффективного и тихого одновременно? Прежде всего, готовить деньги. В категории «для энтузиастов» можно встретить очень интересные экземпляры. Чего только стоит блок питания PSU-1200ATX-12S от Koolance. Главной его особенностью является даже не высокая мощность (1200 Вт), а то, как организованно охлаждение. Дело в том, что все его внутренности погружены в непроводящую жидкость, которой заполнен корпус блока питания! Нагревшаяся жидкость охлаждается во внешнем теплообменнике со 120-мм вентилятором. Такая система не требует какого-либо обслуживания или подключения к сторонней системе водяного охлаждения. В Америке эта радость стоит $500, до России еще не добралась.

Не меньший интерес представляет еще не поступивший в продажу процессорный кулер OCZ HydroJet. Ключевая особенность основание, выполненное из угольных нанотрубок (да-да, тех самых, о которых мы говорили выше). Это главная причина, по которой кулер не будет дешевым. От основания тепло передается к медным радиаторам при посредничестве жидкости, которая циркулирует внутри кулера. При этом циркуляция происходит за счет конвекции, а встроенный в основание кулера насос довольно слаб. Нагревшиеся радиаторы отдают тепло в атмосферу через специальные прорези в верхней части кожуха кулера, чему способствует встроенный вентилятор. По заявлениям производителя, кулер способен охлаждать процессоры с уровнем тепловыделения до 400 Вт.

Блок питания от Koolance с погружным охлаждением.

Не от мира сего

Все способы охлаждения, описанные выше, рассчитаны на использование в домашних условиях, но, чтобы достигнуть выдающихся результатов в разгоне, их недостаточно. Приблизиться к рекордному разгону, используя то, что доступно многим, не представляется возможным нужно использовать что-то такое, что обеспечивает максимально низкую температуру, даже в ущерб комфорту и пpaктичности. Идеальный выбор системы охлаждения на основе жидкого азота.

Типичная машина оверклокера-экстремала выдает невероятные результаты, но поиграть на ней не удастся.

Используются они при охлаждении центральных и графических процессоров. Прочие элементы охлаждать до столь низких температур (они могут достигать 200 градусов Цельсия ниже нуля) нет смысла. Для азотной системы охлаждения необходимо два компонента: емкость, которая будет контактировать с поверхностью чипа, и сам жидкий азот. В качестве емкости традиционно используется так называемый «стакан», имеющий высоту 300-500 мм и основание, незначительно превышающее размеры процессора (обычно круглой формы). Толщина стенок 2-3 мм. Для изготовления используется любимый металл медь. Большая высота «стакана» обусловлена тем фактом, что жидкий азот довольно бурно кипит, вследствие чего сильно разбрызгивается. Проблем со «стаканом» обычно не возникает, соединять дно сосуда с медной трубой лучше электронно-лучевой сваркой, иначе есть шанс, что шов не выдержит низких температур и емкость протечет, что очень опасно.

Добыть жидкий азот задача нетривиальная, в магазинах он не продается. Впрочем, судя по количеству оверклокеров, применяющих жидкий азот, это вполне осуществимо было бы желание. Жидкость заливается в «стакан», который устанавливается на чип, при этом на «стакан» обязательно должна действовать дополнительная прижимная сила (веса самой емкости недостаточно). Термопасту не используют, так как она быстро замерзает и приобретает свойства клея: пока не оттает, оторвать «стакан» невозможно.

Процесс охлаждения сводится к постоянному добавлению жидкого азота в «стакан» и молитве о том, чтобы процессор успешно прошел необходимый бенчмарк или тест на определение частоты играть в таких условиях невозможно. Необходимость частого обновления содержимого «стакана» еще не главная беда, настоящие проблемы начинаются, когда на нем образуется конденсат. Замерзшие хлопья срываются со «стакана» и, попав на материнскую плату, тают, превращаясь в воду. Обычно материнские платы покрывают специальным защитным лаком, препятствующим попаданию влаги на токопроводящие элементы, тем не менее шансы, что плата сгорит, велики.

Способов борьбы с конденсатом придумано несколько. Самый простой постоянно обдувать стакан с помощью вентилятора. В результате «снег» будет образовываться быстрее, он будет более плотным и хлопья не будут осыпаться. Также можно закрасить материнскую плату непроводящим материалом или облить ее жидким азотом, чтобы ее температура тоже стала ниже нуля в таком случае хлопья конденсата не будут таять. Однако при этом лучше не задумываться, как будет выглядеть плата после окончания экспериментов...

Ну и напоследок еще один недостаток: некоторые процессоры начинают вести себя неадекватно при чрезмерном охлаждении (cold bug).

Ту же самую конструкцию можно использовать и без жидкого азота, заменив его сухим льдом, смешанным с теплоносителем (да хотя бы спиртом). Температура сухого льда составляет -78 градусов, к тому же он вполне доступен для рядового обывателя. Подобная система может спасти в случае непереносимости чипа к критическому холоду.

Вся правда о жидком азоте

То, что жидкий азот имеет крайне низкую температуру, знает каждый, однако мало кто представляет себе реальные свойства вещества. Многие, задумываясь о жидком азоте, вспоминают рассыпавшегося на мелкие кусочки Т-1000 из фильма «Терминатор 2: Судный день». Во многом именно эта сцена из кино сформировала в народе мнение, что жидкий азот крайне опасен в использовании, а его контакты с кожей имеют фатальные последствия. На деле все обстоит несколько иначе. Азот бесцветный, не имеющий запаха газ, в воздухе его 78%. Именно из атмосферного воздуха и получают жидкий азот путем сильного охлаждения. Плотность жидкого азота составляет около 800 грамм на литр, что лишь немногим ниже плотности воды. Температура кипения минус 196 градусов Цельсия. Это порождает большую проблему: на открытом воздухе из-за большой разницы температур азот испаряется крайне быстро, поэтому для трaнcпортировки и хранения жидкого азота используются сосуды Дьюара, устройство которых напоминает термос. Их стенки делают из алюминия, а в прострaнcтве между внутренней и внешней стенками создается вакуум и добавляется теплоизоляция. Однако даже в этих сосудах жидкий азот не хранится больше двух недель. В естественных условиях азот находится в состоянии непрерывного кипения. При испарении азот абсолютно не токсичен. Ожоги от азота большая редкость. При попадании на открытые участки тела жидкость быстро стекает, не оставляя при этом следов. Таким образом получить травму можно лишь опустив руку в сосуд с азотом на несколько секунд... Применяется он преимущественно в исследовательских учреждениях при изучении сверхпроводимости, в химии при синтезе аммиака и... в косметологических салонах. Жидким азотом не только удаляют шрамы и угри, но и омолаживают кожу.

Дальше больше?

Прогресс неумолим, и уже сегодня существует ряд принципиально новых систем охлаждения, еще не адаптированных для массового производства, но уже зарекомендовавших себя с наилучшей стороны.

Радиатор с микрокaнaльной структурой лишь немного больше охлаждаемого им чипа, а эффективность очень высока.

Один из таких примеров система ионного охлаждения. В ней нет подвижных деталей (вроде вентилятора), вместо них охлаждение поверхности обеспечивают микроскопические ионные насосы, которые состоят из двух элементов: эмиттера и коллектора. Первый представляет собой иглу с радиусом на конце всего в 1 микрометр, а второй это пластина, размещенная рядом. Между ними создается высокое напряжение, при этом сильное электрическое поле на конце иглы ионизирует воздух и ионы под действием того же поля с высокой скоростью устремляются к коллектору. Таким образом, ионы горячего воздуха напрямую отводятся от чипа, а образующийся воздушный поток обеспечивает дополнительное охлаждение.

Главное преимущество новинки размеры. Устройство достаточно мало, чтобы уместиться на поверхности микросхемы. В нынешних условиях это крайне актуально, так как современные радиаторы довольно массивны и с каждым годом все увеличиваются в размерах. Ионное охлаждение позволит отказаться от радиаторов вовсе.

Еще одна интересная разработка система прямого омывания чипов, созданная IBM. Идея заключается в том, чтобы поток воды забирал тепло непосредственно у поверхности чипа, а не в водоблоке, как в случае с классическим водяным охлаждением. Понятно, что это связано с огромным риском, ведь при этом электронные компоненты будут контактировать с токопроводящей средой, а это чревато последствиями. Если произойдет протечка, то беды не избежать. Но, похоже, IBM решила проблему.

Система из 50 000 микроканалов пронизывает миниатюрный радиатор, который монтируется непосредственно на ядро. Между подошвой радиатора и поверхностью ядра создается небольшой зазор, который в рабочем состоянии заполняется водой, а от протечек систему защищает специальное уплотнение. По системе микроканалов вода подается в рабочую полость импровизированного водоблока, по этой же системе (но другим каналам) нагретая вода отсасывается. Размеры позволяют интегрировать микрокaнaльную систему прямо на теплораспределитель процессора. По словам разработчиков, такая система охлаждения сможет отводить до 370 Вт с одного квадратного сантиметра площади процессора.

* * *

Разработка и производство систем охлаждения для ПК огромная индустрия, которая находится в непрерывном развитии. Постоянная конкуренция среди производителей заставляет их вновь и вновь создавать очередные шедевры инженерной мысли, дабы привлечь к себе внимание покупателей. И несмотря на интенсивность развития ПК, эта индустрия идет в шаг со временем, ведь какими бы горячими ни оказывались комплектующие, выход находится всегда.