`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Компьютерные системы охлаждения: очевидное -- невероятное

0 
 

Поскольку вопросов, связанных с теорией и практикой охлаждения, с каждым днем становится все больше, попробуем сначала ответить на главный: почему же данная тематика настолько популярна. Современные охладители -- будь то кулеры на процессорах или видеокартах либо радиаторы материнской платы -- на самом деле не только выполняют свои основные функции по отводу тепла от компонентов, но и несут в себе некую особую "смысловую" нагрузку. С одной стороны, те самые системы охлаждения (далее по тексту СО) уже давно отчасти являются средством самовыражения. На сегодняшний день все без исключения производители СО имеют в своем арсенале устройства, характеристики которых явно выходят за принятые нормы (к примеру, позолота на радиаторе), и при всем при этом эффективность их далеко не всегда оказывается пропорциональной цене. Но раз такие СО остаются востребованными, значит, достаточно большое количество пользователей предъявляют к своим компьютерам в том числе и эстетические требования. С другой стороны, хорошая СО -- это, пожалуй, один из самых недорогих, а следовательно, эффективных способов поднятия производительности (путем разгона). Тем более что модернизировать заводской кулер или даже полностью изготовить свою СО может любой человек, имеющий некоторые знания и соответствующие материалы и инструменты, чего не скажешь о "доводке" самих комплектующих ПК -- она либо полностью невозможна, либо требует значительно бoльших ресурсов.

Поскольку никто не запрещает объединить два подхода -- эстетический и эффективный, в результате энтузиаст может получить в свое распоряжение уникальную СО, которая, ко всему прочему, позволит максимально высвободить потенциал таких комплектующих, как процессор, видеокарта, материнская плата. Практически каждый пользователь, для которого компьютер -- не только "печатная машинка", но и, к примеру, игровая платформа (а иногда и вовсе средство самовыражения), рано или поздно поддается соблазну модернизировать существующую СО. Учитывая динамику развития компьютерных технологий, которая пока что сопровождается неуклонным ростом тепловыделения, можно предположить постоянное увеличение числа тех самых продвинутых участников "компьютерного движения", проявляющих активный интерес к проблемам охлаждения комплектующих.

Если на вопрос "почему?" ответ получен, перейдем непосредственно к рассмотрению конкретных примеров.


Теоретический анализ систем охлаждения

С чем же связан такой значительный рост тепловыделения у современных ПК? Основные параметры, ответственные за тепловыделение, следующие:
  • архитектура и топология кристалла;
  • гипервысокая степень интеграции микросхем CPU, GPU, мостов чипсета (количество элементов на единицу площади или объема);
  • большое количество элементов -- десятки, а то и сотни миллионов транзисторов, для работоспособности которых необходим значительный ток;
  • высокие частоты, на которых работают современные чипы.

Часто за ответом на первый вопрос идет следующий: почему же тепловая мощность продолжает расти при постоянном уменьшении питающего напряжения? При увеличении плотности элементов ядра соответственно уменьшается площадь рассеивания. И рост числа транзисторов уже далеко не всегда компенсируется понижением напряжения. К примеру, при снижении напряжения питания ядра вследствие перехода на новый техпроцесс, скажем, на 0,2 В, можно получить прибавку в 10 А за счет увеличения числа элементов и/или тактовой частоты. А значит, рассеиваемая мощность нового чипа окажется выше, чем у предыдущего. Важно понимать, что решить проблему охлаждения кристалла площадью 4 см2, рассеивающего мощность 100 Вт, значительно проще, чем микросхемы с такой же мощностью, но размером в 1 см2. Как несложно догадаться, удельное тепловыделение в этом случае возрастет как минимум в четыре раза.

Теперь самое время перейти непосредственно к анализу основных особенностей функционирования СО применительно к их использованию в современных компьютерах. Преимущественно речь пойдет именно о классических кулерах, однако рассмотренные ниже закономерности можно также отнести и к водяным СО.


Теплообменные процессы

Любой работающий компьютер с точки зрения физики можно рассматривать как сложную неизолированную термодинамическую систему, в которой происходит ряд теплообменных процессов. Процессор как более нагретое тело отдает тепло менее нагретому телу (радиатору), а он, в свою очередь, нагревает воздух внутри корпуса. Затем идет обмен теплом между воздухом в корпусе и внешней средой. Вентиляторы, которые установлены на кулере и в корпусе, служат для увеличения интенсивности теплообмена. Как несложно догадаться, и радиатор, и вентилятор имеют некую конечную (расчетную) эффективность, после достижения которой увеличение их рабочих характеристик не имеет смысла. К примеру, создание очень большого радиатора не сможет улучшить отток тепла от кристалла, так как после превышения длиной ребер (иголок) определенного значения часть металла останется холодной. Аналогична и работа вентиляторов -- увеличение воздушного потока будет способствовать росту эффективности теплоотвода до тех пор, пока узким местом не станет термосопротивление радиатора, т. е. вентилятор не в состоянии "сдувать" нагретый воздух с ребер быстрее, чем эти ребра смогут этот воздух нагревать.

Ввиду того что рассеиваемая мощность современных процессоров весьма велика, применение чисто алюминиевых конструкций радиаторов перестало быть эффективным. Из истории "кулеростроения" мы помним большие модели таких устройств, в которых длинные ребра оставались холодными, в то время как процессор все равно был достаточно горячим, потому что основание радиатора не справлялось с таким интенсивным тепловыделением. Далее стали появляться частично медные устройства, где для отвода тепла от кристалла служил сердечник либо подошва из меди (теплопроводность меди почти в два раза выше, чем у алюминия), а уже для их охлаждения применялся алюминий.

Если поначалу медь была привилегией только дорогих кулеров, то сейчас и в референсных моделях систем охлаждения для Pentium 4, и для Athlon XP/64 присутствует примесь этого красного метала. Многие производители решили пойти еще дальше и начали изготовлять полностью медные устройства. Однако нельзя с уверенностью утверждать, что Cu конструкция эффективнее "сплава" Al--Cu. Во-первых, грамотная Al--Cu-компоновка, выполненная с должным уровнем качества, является более сбалансированной (меньше подверженной температурным колебаниям). У алюминия удельная теплоемкость более чем в два раза выше, чем у меди, следовательно, нагреваться такая конструкция, скажем, до 100 °С будет значительно дольше, чем чисто медная. Во-вторых, медно-алюминиевые кулеры все же имеют меньшую себестоимость, а значит, и готовые изделия "достанутся" потребителям по меньшей цене. Однако стопроцентная Cu-компоновка охладителя способна удерживать меньшую температуру на более мощном источнике тепла по сравнению с Al-Cu-решениями. Попробуем наглядно рассмотреть особенности работы таких решений.

Сравнительные характеристики термопаст - температура, °С
Термопаста 60 Вт 100 Вт 140 Вт
КПТ-8 41 53 65
Cooler Master 42 52 63
Akasa AKT842 43 51 61
Titan TGC-S104 (Silver) 45 55 67
Stars-700 (Silver) 44 56 68
Zalman CSL 850 38 50 59
Akasa AK-450 38 48 60
GEIL Golden Grease (Silver) 42 53 65
Максимальная разница в результатах 7 8 9


Тестирование

Для теоретического материала мы использовали специально созданный стенд (см. фото). Посредсвом трех измерительных приборов контролировались такие параметры, как напряжение, сила тока и температура, с помощью потенциометра точно задавалась мощность источника. В качестве тестового кулера мы решили взять известную модель Zalman CNPS7000A-Cu, которая благодаря применению медной конструкции массой около 700 г обеспечивает стабильные показатели. Кроме того, диапазон выдерживаемых нагрузок у этой модели значительно шире, чем у большинства устройств.

Компьютерные системы охлаждения очевидное -- невероятное
Стенд для тестирования кулеров Judge Mark 300


Влияние окружающей среды

Компьютерные системы охлаждения очевидное -- невероятное
Компьютерные системы охлаждения очевидное -- невероятное
Компьютерные системы охлаждения очевидное -- невероятное
Компьютерные системы охлаждения очевидное -- невероятное
Обычно в испытаниях кулеров, проводимых всеми лабораториями, в качестве параметров тестирования указывается температура окружающей среды (ОС), будь то температура помещения или воздуха внутри корпуса. Но, наверное, мало кто задумывался, как и насколько окружающая среда способна повлиять на итоговые цифры. На графике приведены результаты тестирования кулера Zalman при трех значениях температуры воздуха -- 17, 27 и 37 °С. Даже при беглом взгляде видно, что никакого линейного изменения характеристик не наблюдается. Более детально характер реальных зависимостей раскрывает следующий график, на котором приведены разности температур по сравне--нию с прогнозируемыми линейными результатами. Как можно заметить, изменение температуры ОС с 17 до 27 °С на отрезке 25--140 Вт привело к меньшему увеличению температуры нагревателя, чем 10 °С, при дальнейшем же повышении мощности разность температур уже превышала это прогнозируемое значение. Расс-матривая переход 27--37 °С, замечаем, что температура возросла в среднем на 20 °С, что в два раза выше разности.

На самом деле основная задача этого тестирования -- показать, что эффективность системы охлаждения изменяется совершенно нелинейно и зависит от достаточно большого количества взаимосвязанных факторов. Приведем пример: для кулеров, использующих турбинные нагнетатели, характерна малая величина воздушного потока "на входе" при высоком давлении "на выходе". Так вот, чем выше температура нагнетаемого воздуха, тем, соответственно, выше его разреженность (сильно разреженный воздух снижает эффективность нагнетателя). При уменьшении температуры ОС воздушный поток станет плотнее, а следовательно, эффективность турбинных кулеров будет возрастать, причем значительно сильнее, чем у классических кулеров, за счет более резкого увеличения давления. Эмпирическим путем было установлено, что для процессорных "турбин" критическая температура находится в пределах 33--35 °С, а после их превышения эффективность охлаждения резко падает.

Подведем небольшой итог по теме влияния ОС: кулеры, имеющие различные рабочие характеристики (конструкция, принцип действия, обороты и т. д.), могут совершенно по-разному проявить себя в зависимости от условий ОС.


Связь между температурой и мощностью

Рассмотрим график зависимости температуры источника от рассеиваемой мощности для трех различных кулеров (поскольку материал теоретический, пока называть их не будем). Можно ли утверждать, что кулер 3 менее эффективен, чем первые два? Конечно, так как при всех уровнях тепловыделения его температурные показатели хуже. Не настолько однозначной выглядит картина сравнения кулеров 1 и 2. Действительно, после отметки в 160 Вт характеристики второго кулера не ухудшаются, тогда как кулер 1 уже не способен сохранить линейный рост температуры. На первый взгляд все просто, но если учесть, что тепловая мощность даже самых производительных десктопных процессоров не превосходит значения 140 Вт, приходится утверждать, что эффективность их все же одинакова. Заметим, что кулер 1 является Al--Cu-конструкцией, а кулер 2 полностью медный.

Можем сделать следующие выводы:

1. Зависимость температуры системы (процессора) от выделяемой мощности условно можно считать линейной только в строго определенных границах.

2. Далеко не всегда возможность кулера справляться с большей мощностью означает более эффективный теплоотвод от кристаллов с меньшим тепловыделением. Типичным примером являются часто применяемые в компьютерах системы водяного охлаждения. Их способность удерживать температуру нагревателя мощностью до 300 Вт в пределах 80 °С вовсе не гарантирует меньшую температуру 100-ваттного процессора по сравнению с хорошим "воздушным" кулером.


Влияние термоинтерфейсов

На рисунке 1 изображена схема распространения тепла от кристалла. Любой переход между показанными элементами явно или условно является термоинтерфейсом с соответствующим ему термосопротивлением. Из них наиболее значимым и знакомым пользователю является термопаста, которая выполняет функции "проводника" тепла от процессора к кулеру. В рамках данной статьи мы решили привести результаты тестирования термопаст как с целью определения лучших продуктов, так и с точки зрения дальнейшего изучения закономерностей, наблюдаемых в работе СО.

В таблице приведены результаты тестирования восьми термопаст (с кулером Zalman) в зависимости от мощности нагревателя. Удивительно, но даже для невысокой, по современным меркам, мощности 60 Вт разница между лучшим и худшим результатом составляет целых 7 °С! Кроме того, с ростом выделяемой мощности термосопротивление паст также меняется сугубо индивидуально, а следовательно, изменяется и их эффективность. Наиболее интересный пример с AKASA АК-450 и Zalman CLS 850 -- при 60 Вт результаты идентичны, при 100 Вт AKASA на два градуса опережает конкурента, в то время при 140 Вт уже проигрывает 1 °С.

Итог: поскольку мы не можем рассматривать кулер в отрыве от его основного применения, констатируем, что термопаста является одной из основных составляющих общего "успеха" используемой СО.


Акустический шум систем охлаждения

Существует достаточно много подходов к измерению шума, который издают процессорные кулеры во время работы. Многие из них, применяемые большинством лабораторий, тестирующих компьютерное "железо", могут быть даже абсолютно безупречными с точки зрения теории, но, увы, обычно имеют мало общего с практикой.

Для начала о природе издаваемых кулером звуков. К их основным источникам в радиаторно-вентиляторных СО относятся воздух, рассекаемый крыльчаткой вентилятора, и, реже, -- приводящий ее в движение электродвигатель. Немалую долю "шелеста" добавляет также поток воздуха, продуваемый сквозь ребра радиатора.

Распространенной методикой измерения акустического шума кулеров является запись звуков, издаваемых "отдельно стоящим" кулером с помощью микрофона, с последующим анализом результатов в специальном ПО. Обычно для изоляции измерительной системы от шумов окружающего мира микрофон и кулер помещают в акустически изолированную камеру (поскольку специализированные помещения для таких целей довольно дорогие, их пытаются "эмулировать", используя контейнеры различного объема в сочетании со звукоизолирующими материалами).

В чем проблема такого метода измерений? В его некорректности. Поскольку из-за неравномерной характеристики направленности микрофона его расположение в пространстве относительно источника звука достаточно сильно влияет на результаты, то в идеале запись должна производиться одновременно несколькими микрофонами с разных сторон с последующим усреднением измеренных значений. Кроме того, микрофоны обычно располагают на расстоянии намного меньшем, чем среднестатистическое между пользователем и корпусом ПК, поэтому измеренная шумовая характеристика кулера может весьма заметно отличаться от той, которую будет слышать пользователь, -- попробуйте сравнить шум работающего кулера отстоящего, скажем, на 20 см и 1,5 м от уха.

При анализе измерений также следует учитывать некоторые психоакустические факторы. Человеческое ухо воспринимает звуковой спектр нелинейно -- наибольшую чувствительность оно имеет в среднечастотном диапазоне, значение же этой нелинейности зависит также и от громкости источника звука. Для учета данного фактора применяют так называемое "взвешивание" результатов на основе специальных кривых; чаще всего используется кривая А-взвешивания.

Компьютерные системы охлаждения очевидное -- невероятное
Общая схема распределения тепла от кристалла CPU
Но даже эта довольно изощренная методика все равно не позволяет достоверно судить о том, насколько конкретный кулер будет раздражать уши пользователя своим шумом. Для этого придется взглянуть на спектро-грамму записанного звука. Дело в том, что люди обычно достаточно спокойно переносят монотонный шум, равномерно распределенный по всему спектру частот, при этом, как показали результаты независимых экспертиз, есть определенный порог в уровне такого шума, начиная с которого именно звуковая "монотонность" является источником психического утомления. Наибольший же звуковой дискомфорт на уровнях до этого порога доставляют устройства, чья шумовая характеристика имеет выраженный пик в узком диапазоне частот -- обычно именно в таких случаях пользователи жалуются, что кулер "воет", "визжит", "свистит" и т. д.

Таким образом, одним измеряемым параметром -- усредненным уровнем шума в дБ с А-взвешиванием -- нам уже не обойтись. Придется измерять и отдельно оценивать уровни нескольких наиболее выраженных пиков шумовой характеристики (обычно не больше трех), плюс к этому учитывать их положение на шкале частот, памятуя об особой избирательности слуха в среднечастотном диапазоне. В итоге мы получим два совершенно равноправных рейтинга тестируемых устройств. На вопрос, какое из них будет меньше "дей-ствовать на нервы" пользователю (с низким уровнем шума, но "воющее" на определенной частоте, или с высоким уровнем равномерно распределенного шума), однозначного ответа не существует -- это достаточно субъективно.

И наконец, самый увесистый камень в огород акустических измерений. Как показывает практика, при оценке уровня шума процессорного кулера его нельзя рассматривать отдельно от всей системы. Дело здесь в том, что корпус ПК, являясь по своей конструкции довольно гулкой жестяной коробкой, может эффективно глушить одни частоты, но резонировать на других, многократно их усиливая. Естественно, акустические особенности каждого конкретного корпуса будут отличаться весьма значительно в зависимости от его материала, конструкции, габаритов, а также внутреннего наполнения. Следует также учесть, что даже довольно шумный процессорный кулер -- обычно далеко не единственный источник звуков внутри корпуса, и иногда шум вентиляторов на кулере видеокарты, на корпусе и в блоке питания, а также "громкий" жесткий диск могут его с легкостью заглушить.

Более того, некоторые особо неудачные кулеры, помимо относительно высокочастотного шума, создают также низкочастотную вибрацию, иногда весьма значительную -- вызываются они обычно неточной балансировкой крыльчатки вентилятора. Эти колебания практически не слышны, если кулер работает сам по себе, хотя вибрация хорошо ощущается рукой, но стоит установить его внутрь корпуса, и она превращается в звук -- естественно, не самый приятный.

Впрочем, мы забыли еще упомянуть об автоматических системах регулировки частоты вращения вентилятора кулера. Как показывает практика, в большинстве случаев они позволяют эффективно понизить шум в режимах, когда загрузка процессора невелика; но остается нерешенным вопрос, в каком же режиме (при каких оборотах) измерять шум такого кулера?

В итоге для желающего выбрать наименее шумную систему охлаждения остается один путь -- сравнивать их между собой в одинаковых условиях. Именно так мы и поступили (см. следующий материал), воспользовавшись старым добрым методом экспертных оценок. Прослушивание кулеров производилось путем поочередной установки их в корпус и субъективной оценкой уровня шума системы, на основании чего и выводился соответ-ствующий рейтинг шумности.


Подведение итогов

Внимательный читатель наверняка обратил внимание на главную закономерность, которую мы хотели раскрыть в данном материале. Если рассматривать функциональность системы охлаждения с чисто потребительской точки зрения, то результатов ее оценки может быть всего два -- достаточна она или недостаточна для заданного режима работы компьютера. Если углубиться чуть сильнее, то придется рассмотреть массив из количественных и качественных показателей -- как взаимосвязанных, так и независимых. В этом случае пропорционально числу учтенных параметров можно оценивать систему более точно, к примеру: эффективна в пределах P1, P2...Pn в случае удовлетворения условиям [U1, U2...Un]. Но важно понять самое главное: одной обобщенной оценки системы охлаждения просто не существует по причине присутствия большого количества переменных и нелинейных зависимостей между ними.

Как мы уже убедились, приведение такого показателя, как коэффициент термосопротивления для кулера (напомним, его часто используют производители для отображения изменения температуры при увеличении мощности), лишено всякого смысла. В данном случае это всего лишь некая "околофизическая" величина, которая характеризует состояние системы в конкретных (уникальных) условиях измерений. Как показали наши испытания, при разных условиях окружающей среды и используемых термоинтерфейсах зависимость температуры от выделяемой мощности меняется совсем нелинейно. Поэтому нельзя вывести обобщенный показатель для всех возможных условий работы.

Любая технология, применяемая в современных компьютерах, при детальном рассмотрении оказывается достаточно сложной, даже если речь идет о такой, на первый взгляд, тривиальной задаче, как отвод тепла от нагревающихся компонентов. Для пользователя, знакомого с принципами функционирования тех или иных компьютерных систем (в данном случае СО), важно постепенно расширять границы своих интересов.

Удивительный факт: для начинающего пользователя функциональность центрального процессора является абсолютно непонятной. Чуть более опытному уже кажется, что в CPU на самом деле нет ничего сложного. А в действительности лишь редкие специалисты действительно знают тонкости функционирования этих уникальных устройств. То же самое можно сказать о тепловых процессах.


Продукты предоставлены:
Термопаста Cooler Master, Titan, Stars K-Trade (044) 252-9222
Кулер, термопаста Zalman Compass (044) 531-9730
Термопаста Akasa, GEIL "Элетек" (044) 495-2911
0 
 

Напечатать Отправить другу

Читайте также

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT