Системы охлаждения

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».

По сложившимся  стандартам все полупроводниковые приборы, которые характеризуются выделяемой мощностью менее 3 Вт, могут функционировать без дополнительных теплоотводов. Приснопамятные микропроцессоры 8080, 8086, мертворожденный 80186, 80286 и 80386, прекрасно работали без каких-либо кулеров благодаря тому, что выделяемая ими мощность была порядка тех же 3 Вт, и они намертво впаивались в материнскую плату, используя ее в качестве дополнительного теплоотвода. i80486 стал первым «сокетным» процессором для РС, и он же первым потребовал специализированного охлаждения (впрочем, тогда было достаточно маленького кулера, примерно соответствующего габаритам систем охлаждения современных low-end видеокарт). С появлением Pentium II, Intel заявила, что наступил конец света для сокета, на нем нельзя сделать много дешевого кэша, он не обеспечивает должного охлаждения, и теперь всем миром пора переходить на слоты. Дескать, сделаем огромный теплоотвод, поставим два вентилятора и т.д. и т.п. AMD пошла следом и после сокетных 486, К5, К6, К6-2, К6-3 стала делать первые слотовые К7, то бишь Athlon. С точки зрения отвода тепла идея была, в общем-то, неплохая, однако в силу ряда причин через пару лет все вернулось к старым добрым сокетам. 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  топовых процессоров (а тем более  разогнанных) запросто можно ожидать 100 Вт выделяемого тепла. Если вы когда-либо имели дело с паяльником, то представляете себе, что такое 40 Вт мощности, особенно опробовав эти ватты на пальцах. :) Теперь попробуем представить паяльник уже на 100 Вт, и поставим задачу охладить его с «обычных» 300°C до приемлемых 60°C. Проблема не из легких!

Итак, для  начала сформулируем основные принципы эффективного отвода тепла от источника. Это:

1. Эффективный подвод холодного теплоносителя к источнику тепла.
2. Эффективный теплообмен между источником тепла и теплоносителем.
3. Эффективный отвод горячего теплоносителя от источника тепла.

И посмотрим, как они реализуются в существующих традиционных системах охлаждения, условно классифицируя последние по типу применяемого теплоносителя.

Нитрогенные системы (жидкий азот)

Самый «хардкорный», самый недоступный, самый неудобный  и 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.

Гидрогенные системы (водяное  охлаждение)

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 (водой). 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 (фото 2).

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. Вот если бы входную трубку теплоотвода воткнуть в холодную трубу водопроводных коммуникаций, а выходную трубку — в канализацию… :) 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.

Криогенные  системы (фреон)

Эти системы отличаются от «водянок» только тем, что в качестве теплоносителя вместо воды используется «прирожденный» термальный агент — фреон. Соответственно, контур полностью и обязательно герметичен, а насос и теплообменник отличаются улучшенным 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.

Аэрогенные  системы с элементами Пельтье (воздух)

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 (фото 4).

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, нагретым на дополнительные 40°C. Ведь, как известно, 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.

Традиционные  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 рис.1 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 (рис.1) 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 кусается. :)

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 толку обычно мало…

Предложения к усовершенствованию систем охлаждения

Теперь хотелось бы предложить читателям несколько  новых вариантов решения проблем  воздушного охлаждения центральных  процессоров, основанных на описанных  выше принципах.

Первое и  очевидное решение — дать возможность  процессорному кулеру забирать холодный воздух извне системного блока (рис.2). В принципе, отводом горячего воздуха можно здесь особо не обременяться, если стоит дополнительный вентилятор на выдув вкупе с вентилятором в блоке питания.

Небольшой патрубок квадратного сечения герметично закрепляется на процессорном кулере. В боковой панели системного блока вырезается отверстие соответствующих габаритов (как правило, нечто подобное уже имеется, и даже, возможно, с посадочным местом под вентилятор). Патрубок монтируется горизонтально, и на другом его торце обеспечивается воздушная герметизация при установке панели корпуса в нормальное положение. Это может быть полоска поролона, приклеенная по периметру торца патрубка, либо что-то еще. Из рисунка ясно, что воздух в кулер поступает только из внекорпусной среды, где температура, как правило, на 10-20°C ниже, чем внутри системного блока. Таким манером осуществляется эффективный подвод холодного теплоносителя к процессорному кулеру.