Новые идеи охлаждения чипов

Инженеры Intel активно работают не только над тем, как уменьшить энергопотребление производимых чипов, но и над тем, как решить возникающие «термические» проблемы, связанные с работой мобильных устройств, настольных компьютеров и серверных платформ. Специалисты компании проектируют, тестируют и внедряют технологии снижения тепловыделения, позволяющие поставщикам готовых решений максимально эффективно использовать имеющиеся компоненты.

Каждая вычислительная платформа ставит перед инженерами целый ряд специфических задач, связанных с избыточным тепловыделением.

Прототип ноутбука от Compal, в котором выделяемое тепло рассеивается через верхнюю поверхность устройства, демонстрировался на IDF Fall 2007

Например, внедрение все более тонких и легких мобильных ПК вызывает новые проблемы в областях эргономики, электропитания и использования стандартных формфакторов. Ограниченность доступного пространства и электрической мощности для питания охлаждающих вентиляторов или других устройств активного охлаждения означает, что подобные системы должны оснащаться процессорами с экономным энергопотреблением. Однако, зачастую, такой подход приводит к снижению тактовой частоты процессора и, как следствие, уменьшению его быстродействия. Альтернативой ему станет развитие более совершенных технологий охлаждения, благодаря которым могут применяться даже высокопроизводительные чипы.

«Одной из самых насущных задач при проектировании тепловой схемы ноутбуков является обеспечение достаточно невысокой температуры нижней поверхности устройства», – отмечает Раджив Монгия (Rajiv Mongia), руководитель команды разработчиков технологий оптимизации тепловыделения в подразделении Mobility Platforms Group корпорации Intel. Его предложение по использованию ребристых панелей для охлаждения нижней плоскости мобильных компьютеров (аналогично тому, как это делается в турбинах реактивных самолетов) основано на прошлом опыте работы в аэрокосмической индустрии. Причем в этом направлении уже достигнуты определенные результаты, позволяющие таким образом снижать температуру на 2–8°C.

Электронный воздухонагнетатель с параллельными электродами, размещенными на правой стороне данной тестовой микросхемы, может встраиваться прямо в процессор

Но для охлаждения можно задействовать не только нижнюю поверхность ноутбука, но и его крышку. На прошлогоднем сентябрьском Форуме Intel для разработчиков в Сан-Франциско была продемонстрирована весьма перспективная технология для мобильных ПК. Один из авторов идеи — Кришнакумар Варадараджан (Krishnakumar Varadarajan), теплотехник индийского филиала корпорации Intel – в сотрудничестве с компанией Compal создал прототип ноутбука, в котором выделяемое тепло рассеивается через верхнюю поверхность устройства. Специальная трубка отводит его от процессора через петлю крышки к металлической пластине, расположенной за экраном.

На тайваньском IDF в октябре 2007 г. Мули Иден (Mooly Eden), вице-президент и генеральный менеджер подразделения Mobile Platforms Group корпорации Intel, демонстрируя возможности новых разработок, вылил немало воды на клавиатуру мобильного ПК, который не только оставался сухим, но и отлично работал. Чтобы создать технологию, позволяющую воздуху свободно проникать через клавиатуру к внутренним компонентам и в то же время сохраняющую ее непроницаемость для жидкостей, команда Раджива Монгии сотрудничала с несколькими компаниями.

Благодаря совместным усилиям специалистов Intel и исследователей из университета Пердью удалось создать способ управляемого электроникой прохождения воздушного потока через поверхность. Воздухонагнетатель, изображенный на снимке, с параллельными электродами, размещенными на правой стороне данной тестовой микросхемы, может встраиваться прямо в процессор. В одном из исследований удалось охладить поверхность с 60°C до 35°C. «Назначение этой технологии – улучшение отвода тепла от процессора или поверхности устройства с помощью управляемого электроникой потока воздуха», – отмечает Раджив Монгия.

Принцип действия самого миниатюрного в мире компрессора, охлаждающего воздух перед тем, как он соприкоснется с днищем лэптопа

А вот Йоан Социк (Ioan Sauciuc), старший теплотехник подразделения Assembly and Test Technology Development корпорации Intel, разрабатывает проект однолопастного охладителя, работающего по принципу резонанса. На эту идею его подтолкнула концепция Akomeogi – японского складывающегося веера. Лопасть прикрепляется к простому пьезоэлектрическому элементу, генерирующему ее резонансную частоту и тем самым заставляющему ее колебаться. Йоан Социк намерен использовать эту технологию в недорогих мобильных устройствах, которые могут стать дешевле за счет сокращения затрат на материалы и пониженного энергопотребления.

Как известно, для обеспечения безопасности и надежности процессоры оснащаются интеллектуальными средствами контроля температуры, периодически уменьшающими тактовую частоту процессора для снижения тепловыделения. Это означает, что чип может работать в полную силу лишь часть времени, необходимого для выполнения требовательного к ресурсам задания.

Модель Dell XPS 720 H2C – это первый ПК крупного производителя, который оснащен предварительно «разогнанным» процессором, подлежащим, тем не менее, гарантийному обслуживанию. В настоящее время внутри компьютера находится четырехъядерный процессор Intel Core 2 Extreme с тактовой частотой 3,0 ГГц, «разогнанный» до частоты 3,67 ГГц. И ключевым элементом поддержки такого режима работы является уникальная для модели двухуровневая система охлаждения, активно снижающая температуру чипа при высоких вычислительных нагрузках и работающая не так интенсивно при малых или в периоды бездействия. Как следствие, по сравнению с другими эксклюзивными игровыми системами, этот ПК Dell имеет уровень шума значительно ниже.

«Водородно-керамическая система прошла путь от концепции до готового устройства всего за год, что является неслыханным для нашей отрасли», – отметил Йоан Социк.

Прототип системы охлаждения от Embraco содержит датчики, регистрирующие температуру воздуха до и после его прохождения через охладитель

Сегодня любители компьютерных игр помимо настольных ПК все активнее используют мобильные. Однако перед инженерами это ставит задачу максимального увеличения производительности при весьма ограниченных объемах.

Идея, воплощенная при реализации еще одной уникальной технологии, буквально лежала на поверхности. Почему бы вместо того, чтобы бороться с температурой внутри ноутбука, не охлаждать рабочие компоненты с помощью потока воздуха, направленного на них? Для реализации этого замысла инженеры Intel создали специальную охлаждающую док-станцию для игровых мобильных ПК, в основе которой лежит разработка, названная «самым маленьким в мире воздушным кондиционером». Отдельно размещаемая станция охлаждения оснащается мини-компрессором размером с большой палец человеческой руки. Станция охлаждает воздух, входящий в мобильный ПК, и позволяет процессору дольше работать с повышенной производительностью.

В процессе ее разработки Раджив Монгия и инженер Дэн Рэгланд (Dan Ragland), из команды по проектированию платформ для процессоров семейства Intel Core 2 Extreme, вели сотрудничество с фирмой Embraco, ведущим производителем холодильного оборудования. По результатам предварительных тестов, быстродействие такой системы существенно возрастает по сравнению с обычными условиями, поток охлажденного воздуха позволяет процессору дольше работать с большей эффективностью.

В отличие от персональных систем, в центре данных тепло, выделяемое серверами, должно быть не только отведено от каждого процессора и от каждого сервера, но и полностью удалено из здания.

В данном случае охладитель от Embarco работает в паре с ноутбуком Dell M1710, но благодаря унифицированной конструкции первой она совместима с широким набором лэптопов

Требования к охлаждению ЦОД выросли вместе с увеличением плотности размещения там вычислительных систем – т. е. числа серверов, размещенных на единицу площади. Например, стандартная 6-футовая (1,5 метра) стойка может вмещать до 42 серверов формфактора 1U. Для питания этого оборудования необходима мощность примерно в 16 кВт. С другой стороны, при использовании лезвийных серверов та же стойка может вместить 64 сервера, что приведет к увеличению необходимой мощности питания до 30 кВт.

«Старое правило гласит, что на каждый ватт электроэнергии для питания сервера необходим еще один ватт на его охлаждение, – говорит Майк Паттерсон (Mike Patterson), старший архитектор тепловых систем отдела Eco-Technology Program Office подразделения Digital Enterprise Group корпорации Intel. — Целью нашей работы по повышению энергоэффективности ЦОД является уменьшение этого коэффициента с 2 до 1,6 или даже 1,4». Intel стремится к достижению этой цели в рамках Green Grid – глобального консорциума, деятельность которого направлена на повышение энергоэффективности центров данных и корпоративных ПК. Помимо Intel, в него входят еще 10 членов правления, здесь разрабатываются специальные методики, стандарты и новые технологии. Кроме того, компания проводит исследования и конструкторские разработки, такие как создание стойки Intel Eco-Rack. Прототипы последней были продемонстрированы на осеннем IDF и явились доказательством жизнеспособности концепции, включающей в себя схему и конфигурационные изменения, позволяющие сэкономить до 18% общей мощности.

Это лишь краткий обзор наиболее интересных разработок Intel, направленных на борьбу с избыточным тепловыделением компьютерных систем. Вероятнее всего, уже на ближайшем форуме IDF компания продемонстрирует свои последние новинки и в этой области.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365