Прогрессивные технологии охлаждения процессоров / Корпуса, БП и охлаждение

О системах охлаждения уже не раз было сказано и написано. Тема достаточно актуальна и интересна еще и тем, что выбранная система охлаждения может оказывать существенное влияние на стоимость компьютера и его функциональность. В большинстве случаев, при охлаждении оборудования, затрачивается достаточно много дорогостоящей энергии. С другой стороны, если попытаться обойтись без охлаждения, то результат может с большой вероятностью оказаться весьма плачевным для целого ряда приборов. Намного дешевле будет раскошелиться на качественное сопутствующее охлаждающее оборудование, нежели в последствии потратиться на всю связку нового аппаратного обеспечения, вышедшего по тем или иным причинам из строя. В данной статье речь пойдет о новых и старых технологиях охлаждения, не исключая оригинальных новинок, использовавшихся ранее лишь в оборонном комплексе, а также несколько полезных советов для их разработчиков (хочется надеяться, что таковые найдутся среди отечественных производителей).

Как уже подчеркивалось выше, охлаждение, из-за неимоверной скорости прогресса, не просто желательно, а “жизненно необходимо” для современного компьютера. Не для кого не секрет, что самым мощным источником тепла в компьютере является процессор. Он состоит из миллионов транзисторов, внутреннюю удельную энергию которых можно сравнивать с ядерным реактором. Транзисторы работают в режиме переключения (из одного устойчивого состояния в другое), то есть вентильном. При этом выделяется большое количество тепла, которое требуется отвести, чтобы процессор не вышел из строя. Необходимо отметить, что на общую “погоду” в системном блоке компьютера влияет не только процессор, но также видеокарта и вообще все задействованные в работе элементы, при чем не только полупроводниковые, но и электромеханические, например жесткий диск.

Итак, для охлаждения процессора необходимо на него установить радиатор, а на радиатор – вентилятор (это классический пример активной охладительной установки). Такая комбинация, в зарубежных источниках и прайс листах, называется кулером. Радиатор обладает различными параметрами, от которых зависит качество охлаждения. Его основные характеристики – это материал, из которого выполнен радиатор, а также контакт радиатора и процессора. Рассмотрим вторую характеристику. Как бы не старались заводские сборщики или пользователи, применяя даже специальное оборудование, для того, чтобы прижать, как можно плотнее радиатор к процессору, с целью увеличения теплообмена, все равно из-за всевозможных микроскопических неровностей между процессором и радиатором возникает воздушная прослойка. Как известно из школьного курса физики, воздух – один из лучших теплоизоляторов. Поэтому, для улучшения теплообмена между кристаллом и радиатором, необходимо ограничить доступ воздуха к поверхностям теплообмена. Широкое практическое применение в этом стремлении получили различные силиконосодержащие термопасты.

Тепломассообмен.

Для того чтобы разобраться, какой кулер лучше всего подходит вашему процессору, необходимо немного знать теорию тепломассообмена. Эта дисциплина базируется на первом и втором законах термодинамики. Первый закон – это закон сохранения энергии, а второй можно сформулировать так: теплота не может переходить от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой.

Существует три основных механизма передачи теплоты:

1. Теплопроводность
2. Конвекция
3. Излучение

Теплопроводностью называют процесс передачи теплоты за счет движения микрочастиц тела. В нашем случае именно теплопроводность является основным механизмом переноса теплоты от процессора к радиатору. Основным законом теплопроводности является закон Фурье, который гласит, что элементарный тепловой поток равен:

(упрощенный вид закона)

Где Q – тепловой поток (Вт)

q – плотность теплового потока (Вт/м?)
F – площадь (м?)

В свою очередь:
Для нашего случая плотность теплового потока равна:

Очевидно, для интенсификации процессов теплопередачи необходимо:

1.Увеличить разность температур можно, используя мощные вентиляторы или несколько не очень мощных, что сейчас достаточно широко практикуется. На мой взгляд, это не самый эффективный подход, хотя необходимо отметить его достоинство с точки зрения экономии.

2-3.Увеличение коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи можно осуществить подбором материала, из которого выполнен радиатор. Эти коэффициенты высоки у серебра, а также золота, но мы говорим об экономии. Широко используются радиаторы из алюминия и комбинированные – с добавлением меди (основание из меди, а охлаждающие ребра из алюминия). На общий экономический эффект, как говорят энергетические менеджеры, системы охлаждения, безусловно, влияет предохранительный колпак процессора. Можно уменьшить диаметр крышки или вообще ее не использовать (“голые процессоры”), но в таком случае мы получим весьма ненадежную конструкцию, как на процессорах AMD AthlonDuron, часто замеченных в нарушении целостности кристалла. Приведенные рекомендации широко применяются при проектировании систем охлаждения. Разумеется, при покупке компьютера необходимо интересоваться глубже такими немаловажными вещами. На мой взгляд, увеличению площади теплопередающей поверхности, за счет ребер, уделено меньшее внимание разработчиков. Увеличение площади теплообмена ребер может быть выполнено путем мелкой огранки, что очень эффективно, но надо отметить и опасно. Пыль, которая со временем может накопиться в этих канавках, обладает 100%-й нетеплопроводностью, то есть существует большая вероятность, что процессор просто сгорит. Кстати, опыты, о которых говорится в данной статье, можно провести в домашних условиях. Для этого нужен обычный обогревательный прибор, имеющий ребра. Лучше с датчиком температуры. Попытайтесь изменить разность температур с помощью, например, вентилятора или увеличьте количество ребер и я, ручаюсь, что тепла вы получите больше, а за полученное тепло заплатите меньше, что легко проверить, фиксируя показания теплосчетчика, применение которого в развитых странах обычное явление при взаиморасчетах за потребленное тепло.

Кулеры Пельтье

Немного истории
Пельтье (Peltier), Жан Шарль Анатаз (22.11.1785 – 27.10.1854) – французский физик и метеоролог. Его основные работы по термоэлектричеству, электромагнетизму, атмосферному электричеству и его роли в образовании осадков и использование этих явлений в электроизмерительных приборах. В 1834 году впервые описал явление Пельтье. Попробуем разобраться, что представляет собой это явление.

Явление Пельтье – выделение или поглощение тепла на контакте двух различных проводников в зависимости от направления электрического тока. Количество выделяемой теплоты Q пропорционально силе тока I.

Где П – коэффициент Пельтье. Если из тех же проводников составить термоэлектрическую цепь, то при разности температур между обоими контактами (спаями) появится разность потенциалов:. При прохождении тока через замкнутою электрическую цепь, состоящую из двух различных проводников, один из контактов нагревается, а другой – охлаждается. Именно поэтому элементы Пельтье состоят из последовательных каскадов, реализованных в соответствии с принципом: горячий полюс одного элемента пластинки к холодному полюсу другого. Металлические проводники обладают слабыми термоэлектрическими свойствами. Как известно из курса физики, значительно эффективнее термоэлементы из полупроводников, собственно из которых и состоят современные пластинки кулеров Пельтье. Также отметим, что с помощью этих пластинок можно реализовать охлаждение не только для процессоров, а также в бытовых холодильниках, но и для различного рода оборудования и научных приборов. Теперь поговорим о природе этого важного и интересного явления.

Так называемые, явления Зеебека, Пельтье и Томсона обусловлены связью между тепловыми и электрическими процессами в проводниках (или полупроводниках). Например, явление Зеебека состоит в том, что в замкнутой электрической цепи, состоящей из разных материалов, возникает электродвижущая сила (термоэлектродвижущая сила), если места контактов поддерживаются при разных температурах. В простейшем случае, когда электрическая цепь состоит из двух различных проводников, она называется термоэлементом, или термопарой. Термоэлектродвижущая сила (термо ЭДС - ТЭДС) зависит только от температур горячего (T₁) и холодного (T₂) спаев (контактов) и от природы материалов, составляющих термоэлемент. В небольшом интервале температур ТЭДС можно считать пропорциональной разности температур и некоторому коэффициенту:

Коэффициент ТЭДС определяется в первую очередь материалами ветвей термоэлемента, но зависит также от интервала температур, в котором применяется или исследуется термопара. В некоторых случаях с изменением температуры он даже меняет знак. Это приведет к перемене направления передачи тепла.

Качественно термоэлектрическое явление можно объяснить следующим образом: энергия свободных электронов, участвующих в электрическом токе, различна в различных проводниках (или полупроводниках) и по-разному растет с увеличением температуры. Если вдоль проводника существует перепад температуры, то электроны на горячем конце приобретают более высокие энергии и скорости, чем на холодном. В результате этого возникает поток электронов от горячего конца к холодному и на холодном конце накапливается отрицательный заряд, а на горячем остается нескомпенсированный положительный заряд. Этот процесс накопления заряда будет продолжаться до тех пор, пока возникшее таким образом падение потенциала не создаст встречный поток электронов, равный первичному потоку, вызванному различием тепловых скоростей. Разность таких падений потенциала в двух проводниках, образующих термоэлемент, и обусловливает возникновение ТЭДС (явление Зеебека).

Если вдоль проводника (или полупроводника), по которому протекает электрический ток, существует перепад температуры, причем направление тока соответствует движению электронов от горячего конца к холодному, то, переходя из более горячего сечения в более холодное, электроны передают избыточную энергию окружающим атомам, чем вызывают нагрев проводника (выделение тепла). При обратном направлении тока, электроны, проходя из более холодного участка в более горячий, пополняют свою энергию за счет окружающих атомов (поглощение тепла). Этим и объясняется в первом приближении явление Томсона. Следует учесть также, что в первом случае электроны тормозятся, а во втором - ускоряются полем ТЭДС, что изменяет значение коэффициента Томсона, а в некоторых случаях приводит даже к перемене его знака.

Как уже упоминалось выше, энергия электронов, участвующих в переносе тока, в различных проводниках различна. При переходе из одного проводника в другой, электроны либо передают избыточную энергию окружающим атомам, либо пополняют недостаток энергии за их счет (в зависимости от направления тока). В первом случае на контакте выделяется, а во втором – поглощается теплота Пельтье.

Необходимо отметить, что все явления Томсона растут с уменьшением концентрации свободных электронов. Поэтому в полупроводниках они в десятки и даже сотни раз больше, чем в металлах и металлических сплавах.

Именно эта теория и заложена в основу разработок, конструирования и производства кулеров Пельтье. Обобщая выше изложенное, необходимо помнить, что для высокоэффективной и качественной работы необходимо на высоком уровне реализовать автоматику регулирования, а точнее стабилизации рабочей температуры кулера в допустимых пределах. При этом следует помнить, что, ужесточая пределы допуска, мы повышаем в цене оборудование, а, уменьшая их, снижаем его качество и функциональность. Следовательно, необходим разумный компромисс, о чем упоминалось выше. Кроме того обязательна эффективная защитная автоматика предохранения процессора от разрушения в случае остановки вентилятора или перегрева от других “форсмажорных” причин. Я считаю, что правы те авторы, которые настойчиво отстаивают свои методики, принципы и конструкторские решения в системе стабилизации температур процессоров. Именно поиск, новаторство, неожиданность многих решений совершенствуют и качественно улучшают работу аппаратуры вцелом. Окончательное слово в поиске новых эффективных схем охлаждения процессора далеко не сказано. Хочется опереться на пример специалистов в военной технике, которые, неожиданно для себя, применив миниатюрные сосуды Дюара при решении задач охлаждения и стабилизации рабочих температур фотоприемника в тепловых головках самонаведения, не только добились желаемых результатов, но и решили задачи по уменьшению габаритов, массы и, как это не парадоксально, удешевление всей системы охлаждения. В завершении сказанного хочу подчеркнуть, что использование криогенных охлаждающих устройств в компьютерах – это даже не перспектива, а инженерия и опытное производство сегодняшнего дня.

Водяное охлаждение.

Водяное охлаждение, точнее жидкостное охлаждение вовсе не является совершенно новым средством стабилизации температуры. Структура, крепеж и принцип действия сходны с системой воздушного охлаждения, а возможностей доработок, очевидно, в жидкостном охлаждении гораздо больше. И если предварительное сравнение проделать до конца, то и по ценам они отличаются. Поскольку жидкостное охлаждение только набирает обороты, то цена может быть как выше, так и ниже цен воздушных кулеров. Сама идея охлаждения жидкостью интересна не только потому, что практикуется конструкторами достаточно давно в различных сферах техники, а и еще не испробованными новыми идеями. Уменьшение габаритов конструкции охлаждающего блока, не использование вентилятора или других до боли знакомых элементов кулеров и т. д. – теперь не мечты, а реальность.

Применять водяное охлаждение в компьютерах не всегда безопасно с точки зрения надежности. Принцип использования циркуляции жидкости в кулере сразу же определяет наличие в нем таких элементов и узлов как трубовод, по которому течет жидкость и водяного насоса, или иначе минипомпы. Однако если система выполнена таким образом, что не допускает утечек, т.е. разгерметизации, то очевидны явные преимущества перед воздушными кулерами. Это высокое качество охлаждения за счет эффективного теплоотвода и значительное снижение шумности аппаратуры. Что касается трубок, по которым течет жидкость, то их чаще изготавливают из силикона, что дает возможность их удобно стыковать и выполнять в самых затейливых конфигурациях. Водяные помпы совершенно не являются какой-либо проблемой. В простейших и недорогих кулерах, это аквариумные водяные насосы, хотя чаще применяются разработки и конструкции под конкретные системы охлаждения. Производительность таких насосов тоже колеблется в достаточно больших пределах – от нескольких единиц до 200 литров в час, а при желании можно и больше. Но минипомпы с низкой производительностью как раз и более желательны, хотя они сложнее и дороже.

Ко всему еще кулер с водяным охлаждением обладает хорошей совместимостью. Его монтаж на платах в аппаратуре прост и не представляет технических сложностей. Единственное о чем следует помнить, что поставку компьютеров с кулерами водяного охлаждения в Нижний Тагил в декабре месяце лучше осуществлять в транспортных отсеках, температура которых не опускается ниже 0 . В противном случае неприятностей не избежать.

Итак, существует ли проблема охлаждения процессора? Нет, конечно. Однако есть проблема несоответствия, точнее отставания конструкторских и дизайнерских решений блоков охлаждения ЭВМ. С методичной постоянностью совершаются прорывы в области расширения памяти и быстродействия последних, при этом оперативно решаются технологические задачи компановки и эргономики. А время революции идей в конструировании кулеров пока не наступило. Однако в отсутствие революции, работающая с неумолимой силой в техническом прогрессе, эволюция видов Дарвина, не только позволяет нам, захватив дух созерцать в стремительном темпе умирание устаревших и рождение более совершенных, современных и отвечающих дню сегодняшнему компьютеров, но и обязательно скорректирует такие их функции, как снижение шумности и энергоемкости. А это возбудит более пристальный интерес к новым нестандартным и может быть совершенно неожиданным решениям задач охлаждения отдельных узлов и аппаратуры вцелом. И, думаю, что именно криогенная инженерия способна качественно и эффективно решить эти задачи.