Введение
В последнее время гонкапроизводительности настольных ПК поднялась на новый уровень. Растут тактовыечастоты, вычислительные мощности, переход на многоядерную архитектуру ивнедрение архитектуры х64 призвано поднять производительность ПК на новыйуровень. Но существует обратная сторона медали. При увеличении тактовых частотсоответствующим образом увеличивается тепловыделение электронных компонентов.Так как у электронных схем работоспособность обеспечивается при узком диапазонетемператур, то увеличение тепловыделения не может происходить бесконечно. Длярешения этой проблемы можно пойти несколькими путями: во-первых, внедрениеновых процессорных архитектур, технологических процессов позволяет снизитьтепловыделение, но при появлении старших процессоров семейства это преимуществотеряется. Существует второй путь — усовершенствовать системы охлажденияпроцессоров. Именно в этом направлении сейчас идет большинство производителейпроцессоров. За последние несколько лет эволюция систем охлаждения прошла путьот радиаторов, которыми довольствовались процессоры Intel 80486 до современных систем охлаждения на основетепловых трубок. В данном курсовом проекте рассмотрены общие принципы системохлаждения, состав традиционных систем охлаждения. Также произведено сравнениеразличных систем охлаждения. Выявлены преимущества и недостатки основныхсовременных систем, произведен их сравнительный анализ. В заключениерассматриваются современные перспективные технологии охлаждения, которые найдутместо в процессорах следующего дня.
1 Негативное влияниенагрева и меры по его устранению
Нагрев кристаллаинтегральной схемы (ИС) в процессе ее функционирования — факт совершенноочевидный и неизбежный. Протекание тока в проводнике (полупроводнике)обязательно сопровождается выделением в нем тепловой мощности, и поскольку сампроводник (полупроводник) имеет вполне конечную теплопроводность, еготемпература оказывается выше температуры окружающей среды. Корпус микросхемы иразличные внутренние защитные/изолирующие слои, которые, как правило, обладаютменьшей теплопроводностью, чем проводниковые или полупроводниковые материалы,еще более усугубляют ситуацию, затрудняя теплоотвод от кристалла ИС исущественно увеличивая его температуру.
В принципе, очень высокие (или наоборот, экстремальнонизкие) температуры были бы совсем не страшны, если бы не четкая зависимостьправильного и надежного функционирования транзисторов ИС и структуры ихсоединений от температурных условий. В результате рабочий температурныйдиапазон для «среднестатистической» ИС получается довольно узким — как правило, от -40 до 125°C. Ограничение снизу является следствием различиякоэффициентов теплового расширения кремниевой подложки, изолирующих/защитныхслоев, слоев металлизации и т.п. (при низких температурах возникают внутренниемеханические напряжения — термомеханический стресс, что оказывает влияние наэлектрофизические свойства ИС и может привести даже к физическому разрушениюкристалла). Ограничение сверху обусловлено ухудшением частотных и электрическихсвойств транзисторов (уменьшение тока, понижение порогового напряжения и т.п.),а также возможностью возникновения необратимых пробойных явлений вобратносмещенных p-n-переходах. Для современных процессоров (в частности,Athlon XP и Pentium 4), отличающихся гораздо более тонкой микроструктурой иболее комплексными корпусами, чем «среднестатистическая» КМОП ИС,диапазон рабочих температур оказывается еще строже — обычно от 0 до 100°C. Что ж, если процессор может более или менее нормально функционировать при температуре 100°C, то к чему тогда все эти мониторинги и термоконтроли, ведь его температура редко дотягивает до90-95°C даже с очень слабой системой охлаждения?! На самом деле, нормальнаяработоспособность при высоких температурах весьма иллюзорна, поскольку вглубинах процессора имеют место не только чисто электрические явления, но иогромное количество электрохимических процессов и реакций, которые являются посвоей сути термоактивационными (их скорость исключительно сильно зависит оттемпературы). С течением времени они принципиально могут не только затруднитькорректное функционирование процессора, но и даже привести к его полномуотказу, хотя рабочие температуры при этом могут находиться во вполне безопасныхпределах, если смотреть с чисто электрической точки зрения. Нельзя сказать, чтопоголовно все эти явления оказывают пагубное воздействие на жизнедеятельностьпроцессора — наоборот, некоторые из них могут даже улучшить электрические ичастотные свойства транзисторов. Но все-таки большая часть термоактивационныхпроцессов им на пользу явно не идет.
Наиболее «влиятельны» по своему вредоносномувоздействию две группы таких процессов. Первая — электрохимическое разрушениеметаллизации (электромиграция). Под воздействием электрического поля иповышенной температуры атомы металла срываются со своих насиженных мест имигрируют в прилегающие области. С течением времени толщина проводника можетзначительно уменьшиться (с резким увеличением активного сопротивления на этомучастке), так что даже при относительно малом токе в условиях локальногоперегрева вполне вероятен обрыв (выгорание) участка дорожки и последующий заним выход из строя группы транзисторов, функционального узла и всей ИС в целом.Несмотря на то, что 0.18-ти микрометровая технология производства процессоровPentium 4 и Athlon XP закладывает достаточно неплохой иммунитет кэлектромиграции и делает этот процесс практически равновесным, обеспечивая благоприятныеусловия для обратной диффузии, уже при температурах 75-85°C и выше равновесие нарушается со всеми вытекающими отсюда последствиями. Вторая группа явлений — деградация окисла. Технологически невозможно обеспечить идеальную чистотупленки двуокиси кремния, используемой в качестве диэлектрика под затворомтранзисторов. В ней всегда присутствуют примеси (обычно донорного типа),которые сосредотачиваются вблизи внутренней поверхности пленки (на границераздела между диэлектриком и кремнием). Ионы примесей способствуют образованиюпобочных инверсных или обогащенных слоев (паразитных каналов) у поверхностиполупроводника под диэлектриком, которые оказывают влияние на обратный токp-n-переходов и величину пробивного напряжения. Под воздействием поля (в 0.18мкм транзисторах напряженность поля достигает 106 В/см) и градиентовтемпературы происходит дрейф и диффузия ионов в диэлектрике, что приводит кизменению свойств самого диэлектрика и существенным изменениям электропроводностии протяженности паразитных каналов в полупроводнике (следовательно — кнарушению нормального функционирования транзистора за счет значительныхфлуктуаций тока), а в самом «запущенном» случае — к пробоюдиэлектрика или p-n-перехода стока даже при относительно низких температурах.Ситуация еще более усугубляется из-за немалого количества дополнительных ионов,которые мигрируют в окисел из других областей транзистора (высоколегированныеисток и сток, омические контакты, поликремниевый затвор), причем, опять же, этопроисходит под воздействием высокой температуры
1.1 Охлаждение корпуса ПК
Правильное охлаждение процессора, равно как и другихустройств ПК возможно лишь при правильном охлаждении корпуса ПК и правильнойорганизации воздушных потоков внутри него. В насыщенном современными компонентами компьютере иногданаблюдается своеобразный эффект домино, связанный славинообразным нарастанием перегрева. Предположим, что в компьютере установленымощные процессор, видеокарта, звуковая карта, парочка высокооборотных жесткихдисков. Локальное охлаждение каждого элемента вроде бы обеспечиваетсянормально. Но собственные вентиляторы компонентов рассчитаны на прокачкупоступающего воздуха с температурой не выше 30-35 градусов. Может сложитьсяситуация, когда вентилятор будет получать воздух от трудолюбивого соседа,сильно нагревающегося в процессе работы. Естественно, что начнет перегреватьсяохлаждаемая им микросхема, что вызовет общее повышение температуры воздухавнутри корпуса. Все вентиляторы и микросхемы будут получать горячий воздух, идалее процесс примет лавинный характер, в итоге компьютер в лучшем случаезависнет, хотя не исключен и вариант выхода из строя какого- либо элемента. Симптомами проблем с охлаждением обычно служат периодическиезависания компьютера без видимых внешнихпричин, неожиданные отказы в работе видеокарты, жестких дисков и другихкомпонентов с высоким энергопотреблением. Иногда компьютер отказываетсяработать при повышении температуры наружного воздуха (зимой – при расположениивблизи отопительных приборов). Спецификация ATX в первой редакции предусматривала пассивный радиатор напроцессоре, обдуваемый вентилятором на блоке питания. С возрастаниемтепловыделения процессоров на них начали устанавливать отдельные вентиляторы.Современная спецификация ATX требует специальный воздухоотвод, располагающийсянапротив процессора, по которому теплый воздух удаляется за пределы корпуса ПК.Современные стандарты по конструированию корпусов компьютеров среди прочегорегламентируют и способ построения системы охлаждения. Начиная ещёс систем на базе Intel Pentium II, выпуск которых был начат в1997 году, внедряется технология охлаждения компьютера сквозным воздушнымпотоком, направленным от передней стенки корпуса к задней (дополнительно воздухдля охлаждения всасывается через левую стенку).
Как минимум один вентилятор установлен в блоке питаниякомпьютера (многие современные модели имеют два вентилятора, что позволяетсущественно снизить скорость вращения каждого из них, а, значит, и шум приработе). В любом месте внутри корпуса компьютера можно устанавливатьдополнительные вентиляторы для усиления потоков воздуха. Обязательно нужноследовать правилу: на передней и левой боковой стенке воздух нагнетается внутрькорпуса, на задней стенке горячий воздух выбрасывается наружу. Также нужнопроконтролировать, чтобы поток горячего воздуха от задней стенки компьютера непопадал напрямик в воздухозабор на левой стенке компьютера (такое случается приопределённых положениях системного блока относительно стен комнаты и мебели).Какие вентиляторы устанавливать, зависит в первую очередь от наличиясоответствующих креплений в стенках корпуса. Шум вентилятора главным образомопределяется скоростью его вращения, поэтому рекомендуется использоватьмедленные (тихие) модели вентиляторов. При равных установочных размерах искорости вращения, вентиляторы на задней стенке корпуса субъективно шумятнесколько меньше передних: во-первых, они находятся дальше от пользователя,во-вторых, сзади корпуса расположены почти прозрачные решётки, в то время какспереди — различные декоративные элементы. Часто шум создаётся вследствиеогибания элементов передней панели воздушным потоком: если переносимый объёмвоздушного потока превышает некий предел, на передней панели корпуса компьютераобразуются вихревые турбулентные потоки, которые создают характерный шум.
Современная схема распределения воздушных потоковвнутри корпуса ПК выглядит следующим образом: Рисунок1.
/>
Современная спецификация охлаждениякорпуса ПК
2 Обзор различных технологийохлаждения
2.1 Основные компоненты системывоздушного охлаждения
Радиатор служит для распределения тепла охлаждаемогообъекта (в нашем случае — ядра процессора) в окружающую среду. Он долженнаходиться в непосредственном физическом контакте с охлаждаемым объектом. Таккак тепло от одного тела к другому передаётся через поверхность, то площадьконтакта радиатора и процессора должна быть как можно большей. Сторона, которойрадиатор прилегает к процессору, называется основанием или подошвой. Тепло отядра переходит к основанию, потом распределяется по всей поверхности радиатора(причём распределение это — неравномерное) и отводится в окружающую среду. Еслина радиаторе не установлен вентилятор, то процесс такого отвода тепланазывается излучением. Увеличить эффективность излучения можно, если повыситьплощадь поверхности радиатора. Для этого они изготавливаются ребристыми: наоснование устанавливаются рёбра, с которых и происходит отвод тепла вокружающую среду. Рёбра должны быть как можно более тонкими и они должны иметькак можно более лучший контакт с основанием (в идеале радиатор должен бытьмонолитным). Плоские радиаторы (без рёбер) получили название«распределители тепла».Чтобы радиатор эффективно рассеивал тепло, ондолжен обладать высокой теплопроводностью и теплоёмкостью. Физическая величинатеплопроводность имеет размерность Вт/М*К (Ватт/метр*Кельвин), для единицыматериала, так называемая удельная теплопроводность. Она определяет, с какойскоростью тепло распространяется по объёму тела. В случае если теплопроводностьрадиатора будет невысокой, вы получите ситуацию, когда его основание будетнагреваться сильнее, чем его рёбра. Охлаждение в этом случае будетнеэффективным. У радиаторов с высокой теплопроводностью температура основания икончика рёбер различается незначительно и тепло эффективно отводится со всейповерхности. Теплоёмкость, как известно из курса физики, определяет количествотеплоты, которое необходимо сообщить телу для увеличения его температуры на 1градус. Удельная теплоёмкость имеет размерность Дж/Кг*К(Джоуль/Килограмм*Кельвин). Радиатор с низкой теплоёмкостью будет иметьтемпературу, близкую к температуре самого процессорного ядра и ни о какомохлаждении здесь говорить не придётся. Он должен иметь высокую теплоёмкость,ведь при остывании тела на один градус оно отдаёт то же количество теплоты,которое получило при нагреве на один градус. Именно поэтому радиатор с высокойтеплоёмкостью всегда будет иметь значительно меньшую температуру, чем ядропроцессора. Эти две физические величины определяются материалом, используемымдля изготовления радиатора.Удельные теплопроводность и теплоёмкость металлов. Идеальногоматериала для создания радиатора не существует. Серебро имеет самую высокуютеплопроводность, но это очень дорогой металл, да и теплоёмкость у негоневысокая. Медь имеет чуть меньшую теплопроводность и почти в полтора разабольшую теплоёмкость. Этот материал лучше всего подходит для изготовленияоснования радиаторов. Алюминий имеет в 1.6 раз меньшую теплопроводность, чем умеди, но в 2.29 раз большую теплоёмкость. Данный метал лучше применять длярёбер радиаторов. Золото имеет высокую теплопроводность, большую, чем уалюминия, но меньшую, чем у меди. Некоторые производители кулеров, такие какZalman и Glacialtech сообщают о том, что их топовые модели кулеров имеютрадиаторы, покрытые тонкой плёнкой золота. В этом нет смысла с точки зрениятеплопроводности. Всё же толщина этой плёнки слишком мала для влияния на физическиесвойства радиатора. То же самое касается никеля. Никелированные радиаторы сэстетической точки зрения, конечно, более привлекательны, но не с точки зрениятермических свойств. Так как идеального контакта между двумя металлами добитьсяочень сложно, то зачастую большую эффективность имеют радиаторы из одногоматериала — чисто медные или чисто алюминиевые, но это уже зависит отконкретного производителя радиаторов. Потому что, как правило, радиаторы смедным основанием и алюминиевыми рёбрами охлаждают лучше, чем чистоалюминиевые, а медные охлаждают ещё лучше.Помимо материала радиатора большоезначение имеет его конструкция. Конфигурация рёбер: их высота, длина,расположение на основании рассчитываются индивидуально для каждой моделикулера. Но смысл расчетов всегда сводится к одному: воздух долженбеспрепятственно и равномерно проходить по всей поверхности радиатора.Турбулентность (завихрения воздушного потока) в радиаторе, как правило,улучшает отвод тепла от рёбер и основания к воздушному потоку, но снижаетскорость этого потока. Так что определённо сказать, положительно ли влияеттурбулентность на охлаждение или нет применимо ко всем кулерам нельзя. Но таккак в настоящее время многие производители кулеров стараются сделать потоквоздуха внутри кулера более линейным (некоторые производители, напримерThermaltake, даже выпускают переходники для вентиляторов, которые выравниваютпоток воздуха через радиатор), можно сделать вывод, что для процессорныхкулеров прямой поток лучше турбулёнтного, хотя даже в этом потоке будутсохраняться небольшие завихрения.
2.2 Конструкция радиаторов
Вообще, конструкция радиаторов — это тема дляотдельной статьи. В рамках регламента я могу лишь рассказать о том, какими онибывают по конструкции и способу изготовления. Для современных процессоровиспользуются радиаторы различных форм: кубические, в форме параллелепипеда, вформе цилиндра, веера, с изогнутыми гранями и сложных форм. Они могут иметьтолстые рёбра (в случае, если радиатор произведён по технологии выдавливания,«Extrusion» или ковки/плавления«Forging»/«Melting»), тонкие рёбра, плоские пластинчатыерёбра, впрессованные в основание (по технологии диффузионного прессования),согнутые гармошкой из тонкой пластины, как в случае с кулерами Molex. Нанекоторых радиаторах вместо рёбер установлены цилиндрические или прямоугольныеиглы. Как показывает практика, это самая эффективная конструкция. КомпанияZalman использует для изготовления своих кулеров метод шихтовки, когда радиаторсоставляется из десятков пластин и стягивается бандажными скобами. Нередко врадиаторах применяются теплопроводящие трубки — герметичные сосуды из пористогоматериала, заполненные жидкостями с низкой температурой испарения. Такие трубкиочень эффективно проводят тепло (намного лучше, чем медь или серебро) изначительно повышают эффективность охлаждения. Ведущие специалисты в областикомпьютерного охлаждения сегодня считают, что будущее кулеров для процессоровименно за моделями с тепловыми трубками. Вентиляторы Современный кулер дляпроцессора невозможно представить без вентилятора. Основные показатели,характеризующие вентилятор, это: скорость воздушного потока, объём воздуха,перегоняемый им в минуту, потребляемая мощность, частота вращения лопастей иуровень шума. Скорость воздушного потока измеряется в линейных футах в минуту(LFM, Linear Feet per Minute). Зачастую скорость потока заменяется показателемдавления воздуха на выходе из вентилятора. Эта величина измеряется вмиллиметрах жидкости (мм.H2O). Эти два показателя, скорость и давление потока,зачастую не дают представление о производительности вентилятора, в то время,как более привычный показатель, объём перегоняемого воздуха, в полной мереоценивает эффективность. Этот показатель измеряется в кубических футах в минуту(CFM — Cubic Feet per Minute). Один кубический фут равняется приблизительно28.3 литрам или 0.028 кубического метра, так что при желании можно перевестиэту величину в метрическую систему. Так как эффективность охлаждения активногокулера во многом зависит именно от объёма воздуха, проходящего через радиатор,то CFM можно считать одной из основных величин, на которые стоит полагаться какпри выборе отдельно вентилятора для компьютера, так и при выборе кулера вобщем. Современные кулеры используют вентиляторы производительностью отнескольких до нескольких десятков кубических футов в минуту.Потребляемаямощность определяется двигателем, установленным в вентиляторе, и равняетсяпотребляемому току, умноженному на рабочее напряжение вентилятора. Сейчасподавляющая часть вентиляторов для компьютерных кулеров работают на напряжении12 Вольт. Раньше, в кулерах для видеокарт использовались вентиляторы,работающие от 7 Вольт и 5 Вольт, но сейчас, при темпах развития видеочипов, этоуже нечастое явление. Обычно, рабочее напряжение вентилятора отличается отстартового. То есть, двигатель вентилятора может «завестись» и нанапряжении 7 В или 9 В, а работать — на напряжении от 6 В до 15 В. Такойразброс напряжения очень важен для вентиляторов, имеющих регулировку частотывращения лопастей. Частота вращения лопастей — так же очень важный параметр.Она определяется конструкцией вентилятора, мощностью и мощностью двигателя.Данная величина измеряется в оборотах в минуту (Об/мин. или RPM — Rotates per Minute). В настоящеевремя очень многие обозреватели измеряют в RPM скорость вентилятора. Это неверно, потому что скорость обычно измеряется в радианах в секунду или метрах всекунду, а обороты в секунду характеризуют именно частоту вращения. Чем быстреевращаются лопасти вентилятора, тем большую производительность он будет иметь. Ксожалению, пропорционально с частотой вращения вентилятора изменяется и уровеньего шума. Уровень шума измеряется в децибелах и обычно обозначается как дБ илиdB. Скажу лишь, что сейчас «бесшумными» считаются кулеры, выделяющиеоколо 23 дБ. Кулер, работающий с громкостью 30 дБ уже может вывести из себясамого терпеливого пользователя. Вентиляторы современных кулеров имеют частотувращения лопастей от 2 000 до 8 000 оборотов в минуту. Уже при 7 000 RPMвентилятор работает слишком громко и может вызывать раздражение у пользователейи окружающих, поэтому сегодня производители кулеров всеми средствами пытаютсяувеличить производительность кулера, снизив уровень его шума. Объём воздухазависит не только от частоты вращения лопастей, но и от размеров вентилятора.Чем эти размеры больше, тем производительность будет выше. Поэтому в последнеевремя на смену кулерам с быстрыми 60-миллиметровыми вентиляторами, имеющимичастоту вращения лопастей 6 000 — 7 000 оборотов в минуту (30-38 CFM, уровеньшума — до 46.5 дБ) приходят 80-миллиметровые и 90-миллиметровые вентиляторы,лопасти которых совершают от полутора до трёх тысяч оборотов в минуту.Производительность таких вентиляторов составляет от 22 до 50 CFM, а уровеньшума — от 17 до 35 дБ. Ось пропеллера в вентиляторе может устанавливаться,используя подшипники качения (ball bearing) или подшипники скольжения (sleevebearing). Первые представляют собой как бы подушку из скользящих материалов имасла. Такие подшипники менее долговечны, они достаточно быстро изнашиваются,после чего вентилятор начинает «подвывать». Его можно смазывать, нолучше заменить. Подшипники скольжения так же, из-за своей низкой надёжности неиспользуются в вентиляторах с высокой частотой вращения лопастей. Единственноеих преимущество — низкая стоимость. Подшипники качения, это подшипники в томвиде, в котором мы привыкли их видеть, с двумя радиальными кольцами, междукоторых расположены маленькие шарики. Эти подшипники более надёжны и чаще всегоименно они используются в современных кулерах. В некоторых вентиляторахиспользуются одновременно один подшипник качения и один подшипник скольжения.Основной характеристикой, которая имеется у подвески вентилятора — это времянаработки на отказ, MTBF (Middle Time Before Failure). Так как подшипники — самая ненадёжная часть вентилятора, то именно они определяют, сколько емупроработать в компьютере. Для подшипников скольжения эта величина — 30 000часов, для подшипников качения — 50 000 часов. Вентиляторы, использующие два обатипа подшипников, имеют среднее время наработки на отказ 40 000 часов. Сейчасстали появляться кулеры с керамическими подшипниками, которые обещаютпроработать от 300 000 до 500 000 часов. И хотя, может показаться, что этодостаточно большое время, всё же оно не гарантировано производителем ивентилятор может выйти из строя буквально на следующий день после покупки. Вентиляторыбывают двух типов: радиальные и осевые. Осевые получили широкое распространениев силу своих небольших размеров и хорошего соотношения производительность/шум.Обычный вентилятор, с пропеллером — это осевой вентилятор, в нём поток воздуханаправляется вдоль оси вращения.Радиальные вентиляторы получили название«бловеры» (от англ. Blow — дуть). В бловере воздушный поток направляетсяпод углом 90 градусов к оси двигателя. Вместо пропеллера с лопастями врадиальных вентиляторах используются барабаны, или как их принято называть,крыльчатки. Этот тип вентиляторов требует установки двигателей с большеймощностью, бловеры имеют большие физические размеры и большую стоимость. Но,несмотря на эти, казалось бы, недостатки, радиальные вентиляторы имеют рядпреимуществ. Прежде всего, воздушный поток в них менее обладает меньшейтурбулентностью, большей скоростью, а кроме того — радиальные вентиляторылишены «мёртвой зоны».В обычных, осевых, вентиляторах двигательрасположен в центре. Иногда двигатель занимает значительную часть«активной» площади вентилятора, площади, образуемой окружностьюпропеллера. Под двигателем скорость воздушного потока несравнимо ниже, чем подлопастями. Уже на некотором расстоянии скорости воздуха под вентиляторомвыравнивается на всей площади, но это расстояние уже может быть за пределамиоснования радиатора. К сожалению, как правило, «мёртвая зона»расположена над центром радиатора, в том месте, где расположено ядропроцессора. Естественно, эта «мёртвая зона» негативно сказывается наохлаждении. Производители кулеров ни раз пытались решить проблему «мёртвойзоны». Компании GlacialTech и Global Win в некоторых своих кулерахрасполагали вентилятор не по центру радиатора, а с небольшим сдвигом, чтобы надтем местом основания кулера, где расположено ядро процессора, располагалисьлопасти вентилятора. Другие производители изменили конструкцию вентилятора, какбы распределив двигатель из центра вентилятора по периметру. В таких типахвентилятора четыре обмотки расположены в углах корпуса, а вокруг лопастейпроходит кольцо с постоянным магнитом. Таким образом, в центре пропеллераустановлена лишь ось, а площадь «мёртвой зоны» снижена в несколькораз. Всё это относится к осевым вентиляторам. В радиальных же, поток, на выходепрактически равномерный, с одинаковым давлением и скоростью. Наиболееизвестными кулерами с радиальными вентиляторами являются модели серии AEROпроизводства компании CoolerMaster. Современные вентиляторы, в большинствесвоём, подключаются к материнским платам трёхконтактными Molex-коннекторами. Вэтих разъёмах два контакта используются для питания, а ещё один — для того,чтобы передавать материнской плате данные со встроенного тахометра вентилятора.Но материнские платы имеют ограничения по мощности, которую они могут подать навентилятор, и если подключить к системной плате мощный кулер, она можетзапросто сгореть. Когда эта проблема появилась, производители дорогих мощныхкулеров (с потребляемой мощностью более 4 Вт) стали продавать свои охладители свентиляторами, имеющими четырёхконтактные разъёмы питания PCPlug (как ужёсткого диска или привода CD-ROM). Таким образом, вентилятор подключалсянепосредственно к блоку питания и опасности для материнской платы непредставлял. Но очень многие системные платы и компьютеры в целом имеют защитуот перегрева процессоров, в том числе и от остановки вентилятора. Подключениепо PCPlug не давало возможности сообщать материнской плате информацию о частотевращения лопастей, а питание мощных кулеров от материнской платы опасно длясамой платы. Сегодня многие производители делают комбинированное питание — дваразъёма Molex и один разъём PCPlug. Питание осуществляется по одному изразъёмов — от материнской платы или блока питания. Во втором случае к системнойплате подключается Molex-разъём всего с одним проводком, по которому передаютсяданные о частоте вращения пропеллера. В итоге и кулер может работать безопасности повреждения платы и сигнализация аппаратного мониторинга остаётся активной.
2.3Термическое сопротивление системыохлаждения
Выше мы говорили о составляющих компьютерных кулеров,но теперь пришло время поговорить и об устройстве в целом. Мы уже говорили овеличинах, характеризующих радиаторы и вентиляторы. Как правило, производителикомпьютерных охлаждающих устройств указывают эти характеристики, но имея впродуктовой линейке одни и те же кулеры, различающиеся всего лишь моделямивентиляторов или с одинаковыми вентиляторами, но разными радиаторами,появляется необходимость в одной характеристике для всего охлаждающегоустройства. Эта характеристика — термическое сопротивление. Оно измеряется вЦельсиях на Ватт (C/W) и определяет, насколько поднимется температура процессорапри увеличении его тепловыделения на один Ватт. Чем ниже термическоесопротивление, тем лучше. Чтобы посчитать термическое сопротивление кулера,надо вычесть из температуры ядра процессора температуру воздуха надвентилятором и разделить эту разность на мощность процессора. Для современныхкулеров обычное термическое сопротивление — 0.38 C/W. Но дело в том, что не всепроизводители кулеров честно указывают термическое сопротивление. Пример тому — компания Molex, рекламирующая низкое термосопротивление своих охладителей, нона деле оказывается, что эта величина далека от реальной. Поэтому я рекомендуюсмотреть на другие характеристики кулеров — производительность и уровень шумавентиляторов и тип радиатора. Тепловой интерфейс. Мы уже разобрались, чтотепло от одного тела к другому передаётся через поверхность соприкосновения.Соответственно, чем больше площадь этой поверхности, тем выше будетэффективность работы кулера. Но, к сожалению, идеально гладких поверхностей неимеет ни основание радиатора, ни ядро процессора. Небольшие шероховатости,углубления и царапины при соприкосновении образуют воздушные подушки, а воздухимеет очень малую теплопроводность. Чтобы улучшить тепловой контакт, применяютразличные тепловые интерфейсы — термопасты или прокладки. Эти интерфейсы имеютвысокую теплопроводность и при контакте заполняют собой неровности поверхности,избавляя, таким образом, поверхности от воздушных подушек. Контакт радиатора ипроцессора без теплового интерфейса. Теплопроводящие прокладки обычно создаютсяиз полимерных материалов или из графитовой пыли. Последние чаще всегоиспользовались в кулерах, поставляющихся с процессорами Intel. Материалполимерных прокладок обладает свойством изменять своё состояние, проще говоря,при нагреве он разжижается и заполняет собой воздушные подушки. Термопрокладкичаще всего уже нанесены на поверхность основания радиатора. Сейчас всё чащеполимерные прокладки заменяются термопастами. Паста так же может быть нанесенана поверхность радиатора или может поставляться в пакетиках, тюбиках илишприцах. Контакт радиатора и процессора с тепловым интерфейсом. Термопастымогут производиться на основе различных материалов с разной теплопроводностью.На сегодняшний день известны кремниевая, бескремниевая, керамическая, алюминиевая,медная, серебряная и золотая термопаста. Название говорит о материале,используемом в термопасте. Для теплопроводящей пасты существуют двехарактеристики, определяющие качество теплового интерфейса: это — теплопроводность и средний размер зерна. Так как пасты создаются на основеизмельчённой пыли того или иного материала, то величина зерна и есть среднийразмер одной пылинки. Чем меньше этот размер, тем лучше паста будет заполнятьсобой все неровности поверхности радиатора. Хорошим тепловым интерфейсомсчитается паста с зерном 0.38 мкм и теплопроводностью 8 Вт/м*K. Контактрадиатора и процессора с тепловым интерфейсом, имеющим мелкую зернистость. Кстати,многие, наверное, задавались вопросом, почему термопасты на основе такихматериалов, как алюминий, медь, серебро или золото, не вызывают короткогозамыкания на процессоре, ведь эти металлы являются отличными проводникамиэлектрического тока. Всё дело в том, что термопаста — это вещество со сложнымхимическим составом. Процент указанного на ней металла может быть, в серебрянойпасте, например, может быть от 1% до 75% серебра. Остальное — вещества с оченьвысокими электроизоляционными свойствами. Так что, конечно, не стоит допускатьтого, чтобы паста попадала на электрические контакты, но даже если это случится,едва ли она вызовет короткое замыкание. Сегодня такие известные производителикулеров, как Titan и другие менее известные поставляют свои кулеры,укомплектованные шприцами с серебряной термопастой. Точнее сказать, стермопастой на серебряной основе. Дело в том, что не каждая серебристаятермопаста сделана на основе этого металла. К примеру, Titan под маркой«Silver Grease» продаёт пасту на основе оксида серебра. В этой пастеменее 10% металла. Конечно, её не сравнить с пастой «Arctic Silver»от одноимённого производителя, имеющей в своём составе до 80% серебряной пыличистотой 99.9%. Однако, два грамма такой пасты стоят как самый дорогойвоздушный кулер Titan… Несмотря на то, что это достаточно дорогой тепловойинтерфейс, стоимость свою она оправдывает. Хорошая термопаста всегда сохраняетсвою текучесть: она никогда не ссыхается, не расползается и не вытекает.
3 Альтернативные способы и технологииохлаждения
3.1 Элементы Пельтье
Несмотря на то, что параметры традиционных кулеровнепрерывно улучшаются, в последнее время на компьютерном рынке появились испециальные средства охлаждения электронных элементов, основанные натермоэлектрических эффектах в полупроводниках. В частности, по мнениюспециалистов, полупроводниковые термоэлектрические модули, охлаждающие свойствакоторых основаны на эффекте Пельтье, чрезвычайно перспективны для созданиянеобходимых условий эксплуатации компьютерных компонентов. Кстати, подобныесредства уже много лет успешно применяются в различных областях науки итехники. Так, в 60-70-х годах прошлого века отечественная промышленностьпредпринимала неоднократные попытки выпуска бытовых малогабаритныххолодильников на основе эффекта Пельтье. Однако несовершенство технологий тоговремени, низкие значения кпд и высокие цены не позволили подобным устройствампокинуть научно-исследовательские лаборатории и испытательные стенды. Тем неменее, в процессе совершенствования технологий многие негативные явленияудалось существенно ослабить, и в результате этих усилий были созданы высокоэффективныеи надежные полупроводниковые модули. В последние годы такие модули, работакоторых основана на эффекте Пельтье, стали активно использовать для охлажденияразнообразных электронных компонентов компьютеров. В частности, их сталиприменять для охлаждения высокопроизводительных процессоров с высоким уровнемтеплообразования. Благодаря своим тепловым и эксплуатационным свойствамустройства, созданные на основе термоэлектрических модулей (модулей Пельтье),позволяют достичь необходимого уровня охлаждения компьютерных элементов безособых технических трудностей и финансовых затрат. В качестве кулеровэлектронных компонентов такие средства чрезвычайно перспективны: они компактны,удобны, надежны и обладают очень высокой эффективностью. Особенно большой интересполупроводниковые кулеры представляют в качестве средств, обеспечивающихинтенсивное охлаждение в компьютерных системах, элементы которых установлены иэксплуатируются в жестких форсированных режимах. Использование таких режимовразгона (overclocking) часто обеспечивает значительный приростпроизводительности электронных компонентов, а следовательно, и всей системы.Однако работа в подобных режимах сопровождается значительным тепловыделением инередко находится на пределе возможностей компьютерных архитектур имикроэлектронных технологий. Необходимо отметить, что высоким тепловыделениемсопровождается работа не только процессоров, но и современныхвысокопроизводительных видеоадаптеров, а в некоторых случаях и модулей памяти.Эти мощные элементы требуют для корректной работы интенсивного охлаждения дажев штатных режимах и тем более в режимах разгона.
3.1.1 Эффект Пельтье
В кулерах Пельтье используется так называемыйтермоэлектрический холодильник, действие которого основано на эффекте Пельтье.Данный эффект назван в честь французского часовщика Пельтье (1785-1845),сделавшего свое открытие более полутора столетий назад — в 1834 г. В экспериментах Пельтье было установлено, что при прохождении электрического тока черезконтакт двух проводников, сделанных из различных материалов, помимотрадиционного джоулева тепла, выделяется или поглощается (в зависимости отнаправления тока) дополнительное тепло. Количество выделяемой или поглощаемойтеплоты пропорционально силе тока. Это явление было названо явлением Пельтье, адополнительное тепло получило название тепла Пельтье. Степень проявленияданного эффекта в значительной мере зависит от материалов выбранных проводникови используемых электрических режимов. Описанный эффект по своей сути обратенранее открытому явлению Зеебека, наблюдаемому в замкнутой электрической цепи,состоящей из разнородных металлов или полупроводников. Если температуры вместах контактов металлов или полупроводников различаются, то в цепи появляетсяэлектрический ток. Это явление термоэлектрического тока и было открыто в 1821 г. немецким физиком Зеебеком (1770-1831). Классическая теория объясняет явление Пельтье тем, чтоэлектроны, переносимые током из одного металла в другой, ускоряются илизамедляются под действием внутренней контактной разности потенциалов междуметаллами. В первом случае кинетическая энергия электронов увеличивается ивыделяется в виде тепла. Во втором случае кинетическая энергия электроновуменьшается, и эта убыль энергии пополняется за счет тепловых колебаний атомоввторого проводника, в результате чего происходит охлаждение. Более полнаятеория учитывает изменение не потенциальной энергии при переносе электрона изодного металла в другой, а полной энергии. Эффект Пельтье, как и многиетермоэлектрические явления, особенно сильно выражен в цепях, составленных изполупроводников с электронной (n-тип) и дырочной проводимостью (p-тип). Такиеполупроводники, как известно, называются соответственно полупроводниками n- иp-типа. Рассмотрим термоэлектрические процессы, происходящие при контакте такихполупроводников. Допустим, направление электрического поля таково, чтоэлектроны в электронном и дырки в дырочном полупроводнике будут двигатьсянавстречу друг другу. Электрон из свободной зоны полупроводника n-типа послепрохождения через границу раздела попадает в заполненную зону полупроводникаp-типа и там рекомбинирует с дыркой. В результате рекомбинации высвобождаетсяэнергия, которая выделяется в контакте в виде тепла (рисунок 2).
/>
Рисунок 2. Выделение тепла Пельтье вконтакте
полупроводников n- и p-типа.
При изменении направления электрического поля напротивоположное электроны и дырки в полупроводниках соответствующего типа будутдвигаться в противоположные стороны. Дырки, уходящие от границы раздела, будутпополняться в результате образования новых пар при переходах электронов иззаполненной зоны полупроводника p-типа в свободную. На образование таких партребуется энергия, которая поставляется тепловыми колебаниями атомов решетки.Электроны и дырки, образующиеся при рождении таких пар, увлекаются электрическимполем в противоположные стороны. Поэтому пока через контакт идет ток,непрерывно происходит рождение новых пар, и в результате в контакте поглощаетсятепло (рисунок 3).
Рисунок 3. Поглощение тепла Пельтье вконтакте
полупроводников n- и p-типа.
3.1.2 Модули Пельтье
Объединение большого количества пар полупроводников p-и n-типа позволяет создавать охлаждающие элементы — термоэлектрические модули,или, как их еще называют, модули Пельтье, сравнительно большой мощности.Структура полупроводникового термоэлектрического модуля Пельтье представлена наРисунке 4.
/>
Рисунок 4. Использованиеполупроводников p- и n-типа в термоэлектрических модулях.
Модуль Пельтье — это термоэлектрический холодильник,состоящий из последовательно соединенных полупроводников p- и n-типа,образующих p-n- и n-p-переходы. Каждый из таких переходов имеет тепловойконтакт с одним из двух радиаторов. В результате прохождения электрическоготока определенной полярности образуется перепад температур между радиаторамимодуля Пельтье: один радиатор работает как холодильник, другой нагревается ислужит для отвода тепла. Помещенный холодной стороной на поверхностьзащищаемого им объекта термоэлектрический модуль, основанный на эффектеПельтье, по сути выступает как тепловой насос, перекачивая тепло от этогообъекта на горячую сторону модуля, охлаждаемую воздушным или водяным кулером.Как любой тепловой насос, он описывается формулами термодинамики. Поэтомумодули Пельтье можно назвать не только термоэлектрическими, но итермодинамическими модулями. На рисунке 5 представлен внешний вид типовогополупроводникового термоэлектрического модуля Пельтье.
/>
Рисунок 5. Полупроводниковыйтермоэлектрический модуль Пельтье.
Типичный модуль обеспечивает значительныйтемпературный перепад — в несколько десятков градусов. При соответствующемпринудительном охлаждении нагревающегося радиатора второй радиатор(холодильник) позволяет достичь отрицательных значений температур. Дляувеличения разности температур возможно каскадное включение термоэлектрическихмодулей Пельтье (при условии адекватного их охлаждения). Это позволяетсравнительно простыми, дешевыми и надежными средствами получить значительныйперепад температур и обеспечить эффективное охлаждение защищаемых элементов.
/>
Рисунок. 6. Конструкция кулера смодулем Пельтье.
Устройства охлаждения на основе модулей Пельтье частоназывают активными термоэлектрическими кулерами, или активными кулерамиПельтье, или просто кулерами Пельтье. Такой кулер обычно состоит изтермоэлектрического модуля, выполняющего функции теплового насоса, и понижающихтемпературу горячей стороны радиатора и охлаждающего вентилятора. На рис. 6представлена схема активного кулера, в составе которого использованполупроводниковый термоэлектрический модуль. Использование термоэлектрическихмодулей Пельтье в активных кулерах делает их существенно более эффективными посравнению со стандартными кулерами на основе традиционных радиаторов ивентиляторов. Однако в процессе конструирования и использования кулеров смодулями Пельтье необходимо учитывать ряд специфических особенностей,вытекающих из конструкции модулей, их принципа работы, архитектуры аппаратныхсредств компьютеров. Большое значение имеет мощность модуля Пельтье, которая,как правило, зависит от его размера и от числа и параметров используемых в немпар полупроводников p- и n-типа. Модуль малой мощности не способен обеспечитьнеобходимый уровень охлаждения, что приводит к нарушению работоспособностиэлектронного элемента, например, процессора, из-за перегрева. Однако применениемодулей слишком большой мощности может понизить температуру охлаждающегорадиатора до уровня конденсации влаги из воздуха, что может привести к короткимзамыканиям в электронных цепях компьютера. Здесь уместно напомнить, чторасстояние между проводниками на современных печатных платах нередко составляетдоли миллиметров. Тем не менее именно мощные модули Пельтье в составевысокопроизводительных кулеров и соответствующие системы дополнительногоохлаждения и вентиляции позволили в свое время фирмам KryoTech и AMD всовместных исследованиях разогнать процессоры AMD, созданные по традиционнойтехнологии, до частоты, превышающей 1 ГГц, т. е. увеличить их частоту почти вдва раза по сравнению со штатным режимом. Необходимо еще подчеркнуть, чтоданный уровень производительности был достигнут в условиях достаточнойстабильности и надежности работы процессоров в форсированных режимах.Следствием же такого экстремального разгона стал рекорд производительностисреди процессоров архитектуры и системы команд 80х86. Заметим здесь, что фирмаKryoTech прославилась не только своими экспериментами с экстремальным разгономпроцессоров. Широкую известность получили ее установки глубокого охлаждениякомпьютерных компонентов. Снабженные соответствующей электронной начинкой, ониоказались востребованными в составе платформ высокопроизводительных серверов ирабочих станций. A компания AMD получила подтверждение высокого уровня своихизделий и богатый экспериментальный материал для дальнейшего совершенствованияархитектуры процессоров. К слову сказать, аналогичные исследования проводилисьтакже с процессорами корпорации Intel, и в них был зафиксирован значительныйприрост производительности.
3.1.3 Особенности эксплуатациимодулей Пельтье
Полупроводниковые термоэлектрические модули Пельтье,применяемые в средствах охлаждения электронных элементов, отличаютсясравнительно высокой надежностью. В отличие от холодильников, созданных потрадиционной технологии, они не имеют движущихся частей. Как отмечалось выше,для увеличения эффективности допускается каскадное включение модулей Пельтье,что позволяет довести температуру корпусов электронных элементов доотрицательных значений даже при значительной мощности рассеяния. Однако, кромеочевидных преимуществ, модули Пельтье обладают и рядом специфических свойств,которые необходимо учитывать при их использовании в составе охлаждающихсредств. Ниже мы рассмотрим важнейшие особенности эксплуатации этих модулей. Термоэлектрическиемодули отличаются относительно низким холодильным коэффициентом и, выполняяфункции теплового насоса, сами становятся мощными источниками тепла.Использование их в составе средств охлаждения вызывает значительный росттемпературы внутри системного блока, создавая трудности для работы не толькозащищаемых элементов и их систем охлаждения, но и для остальных компонентовкомпьютера. Это означает, что требуются дополнительные средства для снижениятемпературы, в частности, радиаторы и вентиляторы в конструктиве корпуса,улучшающие теплообмен с окружающей средой. Наиболее подходящее решение извоздушных средств охлаждения — технология теплового выхлопа, например,конструкции типа OTES (Outside Thermal Exhaust System) от Abit. С другойстороны, в процессе работы кулеров Пельтье избыточной мощности устанавливаютсянизкие температуры, способствующие конденсации влаги из воздуха. Этопредставляет опасность для электронных компонентов, так как конденсат можетвызвать короткие замыкания между элементами. Чтобы избежать этого, нужноподбирать кулеры Пельтье оптимальной мощности. Произойдет конденсация или нет,зависит от нескольких параметров, из которых наибольшее значение имеюттемпература окружающей среды (в данном случае воздуха внутри корпуса),температура охлаждаемого объекта и влажность воздуха. Чем теплее воздух внутрикорпуса и чем больше его влажность, тем вероятнее конденсация влаги. МодулиПельтье также создают сравнительно большую дополнительную нагрузку на блокпитания компьютера — учитывая значения потребляемого ими тока, мощность блокапитания должна быть не менее 300 Вт. В такой ситуации целесообразно выбиратьсистемные платы и корпуса конструктива ATX, облегчающего организациюоптимальных теплового и электрического режимов, с блоками питания достаточноймощности. В случае выхода из строя модуль Пельтье изолирует охлаждаемый элементот радиатора кулера. Это очень быстро приводит к нарушению теплового режимазащищаемого элемента и его перегреву. Поэтому целесообразно использоватькачественные модули от известных производителей. Такие модули обладают высокойнадежностью, ресурс их работы нередко превышает 1 млн. ч
3.1.4 Эффективность использованиямодулей Пельтье
Эффективность использования модулей Пельтье зависит отвыбора подходящей модели и установки соответствующих режимов ее эксплуатации.Необходимо отметить, что неоптимальные мощность и режим работы кулера могутдаже привести к выходу из строя охлаждаемых компонентов. Средства охлаждения,представленные, как правило, радиатором и вентилятором, должны не толькорассеивать довольно мощный тепловой поток, но и обеспечивать низкий уровеньтемпературы горячей стороны модуля Пельтье. Связано это с тем, что модульобеспечивает разность температур горячей и холодной своих сторон, поэтому чемниже будет температура горячей его стороны (за счет охлаждающих средств), темниже окажется и температура холодной стороны, а, следовательно, и прилегающейповерхности охлаждаемого объекта. Если традиционные устройства поддержаниятепловых режимов не обладают необходимыми параметрами, решением может статьиспользование средств водяного охлаждения. Кстати, следует обратить внимание,что, выбирая подходящий по мощности хладообразования модуль Пельтье, необходимозадействовать всю поверхность горячей и холодной сторон. В противном случаечасти модуля, не соприкасающиеся с поверхностью защищаемого объекта, например,кристалла процессора, будут только впустую расходовать электроэнергию ивыделять тепло. Если же площадь, например, холодной стороны модуля, сделаннойиз керамики, превышает площадь контакта с охлаждаемым объектом, то следуетприменять промежуточные теплопроводящие пластины достаточных размеров итолщины. Промежуточная пластина должна быть сделана из материала с хорошейтеплопроводностью, например, из меди К сожалению, описанным выше неисчерпываются все проблемы применения модулей Пельтье в составе кулеров. Дело втом, что архитектура современных процессоров и некоторые системные программыпредусматривают изменение энергопотребления в зависимости от загрузкипроцессоров. Кстати, это предусмотрено и стандартами энергосбережения, которыеподдерживаются специальными функциями, встроенными в аппаратно-программноеобеспечение современных компьютеров. В обычных условиях оптимизация работыпроцессора и его энергопотребления благотворно сказывается как на тепловомрежиме самого процессора, так и на общем тепловом балансе. Однако режимы спериодическим изменением энергопотребления могут плохо сочетаться со средствамиохлаждения процессоров, использующими модули Пельтье. Это связано с тем, чтокулеры Пельтье, как правило, рассчитаны на непрерывную работу. В случае жеперехода процессора в режим пониженного энергопотребления (и соответственнотепловыделения) температуры корпуса и кристалла процессора могут заметноснизиться. Переохлаждение ядра процессора способно вызвать временную потерю егоработоспособности и стойкое «зависание» компьютера. Напомним, что в соответствиис документацией корпорации Intel минимальная температура, при которойгарантируется корректная работа серийных процессоров для настольных и серверныхрешений, обычно составляет +5 град.С (хотя, как показывает практика, онипрекрасно работают и при более низких температурах). Кроме того, как отмечалосьвыше, низкие температуры могут вызвать конденсацию влаги из воздуха на холодныхчастях системы охлаждения, т. е. на холодной стороне модуля Пельтье, а,следовательно, и на охлаждаемой поверхности, например, процессора. Еслииспользуется теплопроводящая пластина, вода конденсируется и на ней. Бороться сэтим эффектом можно путем изоляции от воздуха холодных участков системыохлаждения, например, с помощью специальных колец из губчатой резины. Именнотакой способ выбрали некоторые производители серийных кулеров, созданных наоснове термоэлектрических модулей. Некоторые проблемы могут возникнуть и врезультате работы ряда встроенных функций, например, управляющих вентиляторамикулеров. В частности, режимы управления энергопотреблением процессора внекоторых системах предусматривают изменение скорости вращения охлаждающихвентиляторов через встроенные аппаратные средства системной платы. В обычныхусловиях это значительно улучшает тепловой режим процессора, однако прииспользовании простейших активных кулеров, в конструкции которых непредусмотрены температурные датчики и средства контроля, уменьшение скоростивращения может привести к ухудшению теплового режима с фатальным результатомдля процессора (из-за его перегрева работающим модулем Пельтье). Однако вслучае графических процессоров кулеры Пельтье могут быть хорошей альтернативойтрадиционным средствам охлаждения. Работа таких процессоров сопровождаетсязначительным тепловыделением, а режим их функционирования обычно не подверженрезким изменениям. Чтобы исключить проблемы с режимами изменяемогоэнергопотребления, вызывающими конденсацию влаги и возможное переохлаждение, ав некоторых случаях даже перегрев защищаемых элементов, придется отказаться отиспользования подобных режимов и ряда встроенных функций. Однако какальтернативу можно использовать системы охлаждения, предусматривающиеинтеллектуальные средства управления кулерами Пельтье. Такие средства могут нетолько контролировать работу вентиляторов, но и изменять режимы работы самихтермоэлектрических модулей, используемых в составе активных кулеров. Впростейшем случае это может быть миниатюрное термореле на основебиметаллической пластины, укрепленное на модуле Пельтье и управляющее работойего охлаждающего вентилятора. Работы, направленные на совершенствование системобеспечения оптимальных температурных режимов электронных элементов, ведутсегодня многие исследовательские лаборатории. Сравнительно недавно втехнической прессе появились сообщения об экспериментах по встраиваниюминиатюрных термоэлектрических модулей непосредственно в микросхемы процессоровдля охлаждения наиболее критичных их структур. Такое решение способствуетлучшему охлаждению за счет снижения теплового сопротивления и позволяет значительноповысить рабочую частоту и производительность процессоров. О серьезностинамерений разработчиков свидетельствуют соответствующие патенты, часть которыхпринадлежит производителям процессоров, например, AMD.
3.2 Системы водяного охлаждения.
3.2.1 Компоненты системы водяногоохлаждения.
В составе классической СВО должны быть следующиекомпоненты: водоблок, радиатор, помпа, резервуар, теплоноситель. Не забудемтакже о штуцерах каждого из узлов и соединительных шлангах. Водоблоки отбираюттепло от греющихся компонентов ПК, передавая их энергию жидкости в контуре СВО.Существуют модели, предназначенные для охлаждения процессоров, чипсетов,графических чипов (или же видеокарт в целом), модулей памяти, винчестеров. Привыборе теплосъемника следует обратить внимание на металл основания (желательнамедь), универсальность крепления. Некоторые экземпляры могут быть использованыдля охлаждения любого из таких компонентов – чипсета, GPU, CPU. Предпочтениенужно отдавать моделям с развитой внутренней структурой (большое количествоштырьков или тонких ребер), хотя нелишним будет ознакомиться со сравнительнымитестами кандидатов на покупку. Производством водоблоков занимаются как компаниис мировым именем – Asetek, Alphacool, Swiftech, Thermaltake и др., так и отдельныефирмы/энтузиасты (у нас хорошо известны ProModz, Silentchill, Waterworker).Детища ведущих изготовителей зачастую демонстрируют более высокуюэффективность, чем их конкуренты, хотя бывают и исключения. Обратите внимание:разница в цене между первыми и последними далеко не всегда соответствуетвозможному выигрышу в производительности. Радиатор рассеивает тепловую энергию,накопленную жидкостью при прохождении сквозь водоблоки. Чем больше площадь егоребер – тем выше запас прочности отдельной системы. Эффективность радиатора вомногом зависит от наличия его дополнительного обдува. В компьютерахпреимущественно используются модели под один, два или три 120-миллиметровыхвентилятора, хотя встречаются и другие. Нередки примеры примененияавтомобильных (от так называемых «печек») и даже нескольких ребер радиаторовкомнатного отопления. Зачастую для эффективного охлаждения СВО одногокомпонента системного блока достаточно иметь в контуре медный теплорассеивательпод один вентилятор, если же TDP комплектующих велико и/или планируетсяохлаждать несколько устройств одновременно, лучше запастись более габаритнымимоделями. Помпа предназначена для прокачки жидкости в контуре СО. Основные ихтипы – погружные (способны работать только при полном погружении в теплоноситель),внешние и универсальные. Существуют как модели, питающиеся от 12-вольтовойлинии компьютерного БП, так и устройства, рассчитанные на подключение в сеть~220 В.Основные характеристики помп – объем перекачиваемой жидкости (измеряетсяв литрах за час работы) и максимальная высота подъемного столба. Чем больше этипоказатели, тем эффективнее будет СВО. Достаточной для среднестатистическойсистемы является помпа, способная реально прокачать 400–600 литров жидкости зачас. Модели помощнее часто имеют повышенный уровень шума и собственноготепловыделения, внося и свою лепту в нагрев теплоносителя, поэтому при выбореследует соблюдать баланс характеристик. Отметим, что мощность дешевых помп отмалоизвестных производителей зачастую существенно ниже заявленной, поэтомупокупать следует продукты именитых брендов – Aquacomputer, Eheim, Hydor,Swiftech. Резервуар (расширительный бачок) служит для удобства заправки системыи устранения воздушных пробок в контуре СВО. В принципе можно обойтись и безданного узла, но тогда придется хорошо повозиться во время сборки и запуска«водянки». Рабочая жидкость (теплоноситель) передает энергию от водоблоков крадиатору СВО. Зачастую в домашних системах используется дистиллированная водаили специальные смеси на ее основе с добавлением антикоррозионных присадок иУФ-красителей. Можно применить обычную воду из крана, предварительно прокипятиви охладив ее. Для предотвращения размножения в жидкости микроорганизмов вконтур добавляют обычный спирт. Штуцеры служат для соединения компонентов междусобой. При построении СВО нужно использовать только такие, которые имеютодинаковый внешний диаметр – тогда не возникнет проблем со шлангами. Помните,что слишком тонкие штуцеры увеличивают гидросопротивление контура, снижаяэффективность охлаждения. Существуют три основных вида штуцеров – с насечкойили гладкие без фиксаторов, с зажимными гайками и так называемые push-on,которые не требуют дополнительных приспособлений для надежной фиксации шлангов.Соединительные шланги могут быть нескольких типов – силиконовые, ПВХ иармированные. Первые наиболее удобны, хорошо гнутся, не перегибаются, нодороги. Поливинилхлоридные (ПВХ) шланги, предназначенные для использования впищевой промышленности, наиболее доступны рядовому энтузиасту. Они хорошо гнутся,однако при сборке СВО нужно проявлять максимальную осторожность, не допускаязаломов. Третий тип – армированные – применяются в сантехнике. Их чрезмернаяжесткость способна вызвать перекос водоблоков при монтаже в системе и течи прииспользовании некачественных зажимных хомутиков. Для надежной фиксации иустранения возможных протеканий системы внутренний диаметр соединительныхтрубок должен быть на 1–2 мм меньше, чем внешний – штуцеров. Помпа СВОразвивает сравнительно невысокое давление, и если шланг надежно фиксируется безвспомогательных средств, то дополнительные зажимы и не понадобятся.
Заключение
На сегодняшний день не существует проблемы охлаждения,как таковой, а существует проблема отъема и переноса тепла от поверхностипроцессора в окружающую среду. К системам охлаждения предъявляются высокие ипорой взаимоисключающие требования: они должны быть эффективными, бесшумными,недорогими. Сегодня существует несколько видов систем охлаждения: классическоевоздушное охлаждение, системы водяного охлаждения, системы для экстремальногоохлаждения при разгоне на жидком азоте, системы охлаждения на тепловых трубкахи элементах Пельтье. Эффективность, доступность и низкая цена систем воздушногоохлаждения – это их основные достоинства, к недостаткам относятся относительнонизкая надежность и высокий уровень шума по сравнению с другими системами.Системы водяного охлаждения – более дорогой и эффективный вариант, которыйприменяется в системах с большим тепловыделением или более высокимитребованиями к уровню шума системы. Системы охлаждения на жидком азоте ненаходят широкого применения в связи с их сложностью эксплуатации. В основномони применяются при выяснении частотного потенциала процессоров оверклокерами которыестремятся раскрыть частотный потенциал процессора, несмотря на низкуюстабильность работы. Системы охлаждения на элементах Пельтье применяются вособо ответственных случаях, так как они достаточно дороги и необходимоподбирать их к каждой конкретной модели процессора. Системы охлаждения натепловых трубках получают все большее применение в связи с удешевлениемпроизводства тепловых трубок и роста их доступности для рядового потребителя.
Список используемой литературы
1.Мураховский В. И. ЖелезоПК. Новые возможности. СПб.: Питер, 2005.
2 Мир ПК 08 2005 микропроцессоры сегодня и завтра.
3. www.overclockers.ru. – Intel Core 2 Duo Conroe –особенности разгона.
4. www.ferra.ru. – Процессоры Intel Core 2 Duo Conroe.
5. www.ixbt.com. – Обзор архитектуры Core