Эра высоких скоростей, частот — и водного охлаждения

 | 20.21

Мой Компьютер, №04 (508), 09.06.2008

Как ни странно, системы водяного и воздушного охлаждения стали конкурировать вовсе не в компьютерном мире и вовсе не в наши дни. Все началось давным-давно, еще во времена создания первых двигателей внутреннего сгорания, когда великие умы задались вопросом более эффективного охлаждения блока цилиндров. Пока моторы не испытывали сильной нагрузки, все было хорошо, но при повышении оборотов детали расширялись, и двигатели начало клинить из-за перегрева. Так ребристые цилиндры сменились водяной рубашкой, по которой двигалась жидкость и охлаждала мотор. Сегодня двигатели на воздушном охлаждении можно встретить не только в мопедах и легких мотоциклах (в тяжелых «Харлеях» уже «водянка»), но и в автомобилях типа грузовиков «Татра», скорострельных «Порше» и анекдотичных «Запорожцах» (а еще в газонокосилках и бензопилах… — Прим. ред.). Примерно такая же картина наблюдается и в наших любимых компьютерах. Пока «железо» было относительно холодным, с теплоотводом справлялись и обычные «воздушки». Но когда тактовые частоты достигли уровня гигагерцев, а количество транзисторов — сотен миллионов, потребовалось более эффективное охлаждение. В последнее время на страницах украинской периодики все чаще и чаще появляются статьи, в которых тестеры делают всяческие обзоры систем охлаждения, предназначенных для разных компонентов ПК. В основном, конечно же, речь заходит о системах охлаждения процессоров, но помимо этого встречаются и системы, предназначенные для охлаждения видеокарт или памяти. Жаль, что у тестеров очень редко доходят руки до систем охлаждения жестких дисков, системных плат и «тихих» блоков питания.

Системы охлаждения (СО) принято негласно делить на три основных типа. К первому типу относятся привычные нам кулеры, которые состоят из радиатора и, в большинстве случаев, вентилятора (рис. 1). Их также можно разделить на два типа: пассивные (без вентилятора) и активные (с вентилятором). Такие кулеры делаются обычно из алюминия или из меди, а в некоторых случаях из обоих компонентов сразу. В последнем случае медная вставка оттягивает тепло от теплорассеивающей крышки процессора и передает его ребристой части кулера. Если основание радиатора качественно отполировано (что случается весьма нечасто) и система ребер правильно спроектирована, тепло будет достаточно быстро рассеяно в атмосфере. Не будем здесь касаться таких нюансов, как качество термопасты и производительность вентилятора, об их важности знает любой мало-мальски понимающий пользователь.

Несмотря на то, что воздушное охлаждение проверено годами, у этой технологии есть свои естественные ограничения. Так, достигая уже почти килограммового веса, современные кулеры не всегда способны мгновенно отвести тепло от скоростных процессоров, если их подвергнуть разгону (в первую очередь, это касается, конечно, четырехъядерных монстров, для которых тепловыделение двуядерных моделей надо натурально множить на два. — Прим. ред.). Или вот еще пример: когда заходит речь о создании «тихих» систем на базе обычного железа, воздушные кулеры аналогичным образом пасуют перед остальными разновидностями систем охлаждения.

Вторым типом систем охлаждения считаются крио-системы (они появились именно вторыми). Крио-системы в какой-то степени являются крайностью. Они представляют собой микро-холодильники, работающие по принципу Пельтье (рис. 2). Данный вид систем охлаждения поражает своей эффективностью (в зоне контакта иногда создается минусовая температура), но огорчает некоторыми хлопотами, о которых мы говорить не станем (у нас как-то была статья о подобной системе, так что вкратце основной проблемой можно назвать высокую вероятность получения конденсата прямо на плате :-). — Прим. ред.). Крио-системы редко попадают в поле зрения простых юзеров, обычно их владельцами становятся энтузиасты, которые знают рецепт приготовления очень быстрых процессоров из просто быстрых процессоров :-).

Рис. 3

К третьему типу относятся системы водяного охлаждения (СВО). В качестве теплоносителя в таких системах применяется вода или тосол (рис. 3). Вообще, «честной» СВО считается открытая модульная система с принудительной циркуляцией жидкости, которая приводится в движение электрическим насосом (помпой). Системы водяного охлаждения открытого типа имеются в свободной продаже, а их сборка и установка не вызывает особых трудностей, то есть для того, кто может собственноручно собрать компьютер, нет ничего сложного. Состоит такая СВО из трех основных блоков, а именно: теплообменника, радиатора и насоса (помпы). Справедливости ради замечу, что термин «теплообменник» в данной ситуации весьма условен, и под ним можно подразумевать как радиатор, так и ту штуковину, которую крепят на процессор или память (важнее просто понимать, в каком направлении идет «обмен теплом» в каждом конкретном элементе — от чипа к жидкости или от жидкости в окружающую среду. — Прим. ред.). Еще у этой штуковины есть альтернативное название «чиллер» [Chiller], но не берусь утверждать, что оно правильное. Тем более, что этот английский термин не ГОСТирован. Теплообменник подсоединяется на «горячую железяку» и меняет свой холод на ее тепло, после чего нагретая жидкость подается при помощи насоса к радиатору, а тот, в свою очередь, охлаждает жидкость и отправляет обратно.

Рис. 4

Несмотря на свою неоспоримую эффективность, СВО имеет и неизбежные недостатки. Среди таковых можно отметить громоздкость конструкции, шум от помпы, зависимость от нее же (если помпа остановится, произойдет перегрев) и, конечно же, дороговизну. К этому еще можно добавить и то, что протекший внутрь теплоноситель может вывести из строя абсолютно все компоненты компьютера. У моего товарища был похожий случай, только вода протекла не через СВО, а через витую пару локалки, заведенную с крыши :-). Нынче появляются гибриды из элементов Пельтье и СВО (рис. 4), но мы их тоже обсуждать не станем. Слишком уж экзотическое сочетание.

Так мы постепенно добрались до объекта нашего разговора, а именно до систем охлаждения, построенных на базе тепловых трубок (Heat Pipe). По правде говоря, этот тип систем охлаждения также относится к СВО, но среди оверклокеров прошло немало споров, в которых Heat Pipe исключают из рядов «водянок». А вот и зря. Но для того, чтобы доказать принадлежность компьютерных heat pipe к СВО, нам придется заглянуть внутрь и узнать принцип действия этой системы. И в дальнейшем, как говорится, ударить фактами по домыслам.

В Штатах есть целое движение по обучению новичков, которое называется почти обидно — «для чайников» (сразу вспоминается старая карикатура с лотком книг «Windows для чайников», «WordPad для идиотов», «MS Paint для слаборазвитых» и так далее… Но мы-то все помним, как сами впервые знакомились с компьютером. — Прим. ред.). Позвольте по такому же принципу привести пример работы тепловых трубок, а уж потом мы станем заглядывать внутрь этих шайтан-машин.

Рис. 5

Для опыта давайте возьмем стакан с небольшим количеством воды, плотно накроем его крышкой, а в нее положим толченый лед. Зажигаем огонь и смотрим, что будет дальше (рис. 5). А дальше будет вот что: вода не станет кипеть до тех пор, пока не растает весь лед в крышке. Почему так происходит? Во-первых, потому что в примере огонь был небольшим, и содержимое стакана прогревалось равномерно. Во-вторых, пар, сконденсировавшись на холодной крышке, стекал вниз в виде холодных капель и смешивался с нагретой водой по закону смешивания жидкостей, имеющих разную температуру.

Рис. 6

Конечно, пример несколько утрирован, но направление было выбрано правильно. По науке, тепловые трубы такой системы называются «термосифонами» (рис. 6), в них капельки конденсата стекают под своим собственным весом. А те конструкции, что применяются в компьютерах, называются «микротрубки» и «закрытый контур» (но в последнем применяется капиллярный насос), о микротрубках мы и будем говорить дальше (от себя замечу, что закрытым контуром больше всего любят снабжать свои девайсы производители видеокарт; например, система Vapor-X в серии видеокарт Toxic от Sapphire подозрительно смахивает именно на такую схему. — Прим. ред.).

Рис. 7

Тепловые трубки, применяемые для охлаждения компонентов ПК, обычно круглые в сечении, диаметром 5-6 миллиметров. Также не редкость и плоские трубки, которые мы привыкли видеть в системах охлаждения ноутбуков и в основаниях некоторых моделей процессорных кулеров (рис. 7). По своей геометрии heat pipe не имеют особых ограничений и могут извиваться змейкой, лавируя между микросхемами на материнской плате или любом другом устройстве. Протяженность современных теплопередающих трубок может достигать 5-6 метров. Но это с учетом некоторых технологических норм, которые не всегда выгодно соблюдать. Поэтому в привычном для нас виде они редко бывают длиннее 10-15 сантиметров (рис. 8). Скорость передачи тепла по heat pipe достигает скорости звука (365 м/с), воистину все гениальное просто!

Рис. 8

Система охлаждения, построенная на базе тепловых трубок, обычно состоит из трех основных частей. Первая часть — это испаритель, он обычно находится на элементе, который выделяет тепло и нуждается в быстром охлаждении (например, микросхема памяти, CPU или GPU). Далее идет сама теплопередающая трубка, которая иногда охлаждает самостоятельно, а иногда передает тепло к радиатору, который, в свою очередь, может быть расположен не за пределами устройства, а непосредственно на тепловой трубке. Заключительное звено — это радиатор (он же конденсатор), который, собственно, и конденсирует пар, попутно охлаждая его и отправляя по циклу. В нашем примере со стаканом воды в качестве испарителя выступало дно стакана, в качестве конденсатора крышка со льдом, а в качестве теплопроводной трубки — стенки стакана.

Рис. 9

Но как я уже и говорил в начале рассказа, в отличие от нашего примера система heat pipe является полностью закрытой от внешней среды, и в ней есть еще один элемент, отсутствующий в нашем стакане. Недостающим звеном нашего примера является фитиль, похожий на те, которые используются в керосиновых лампах. Поскольку стакан с водой ориентирован строго вертикально, конденсат стекает по стенкам под силой собственной тяжести, подчиняясь закону гравитации. Но, как мы знаем, в компьютере, за исключением кулера CPU, сложно размещать остальные трубки в строго вертикальном положении (на материнской плате вся конструкция ориентирована горизонтально), а конденсированную жидкость нужно в кратчайшие сроки доставить к испарителю. В качестве конденсаторов чаще всего выступают специально спроектированные теплообменники, с виду напоминающие привычные для нас радиаторы (рис. 9). Такие конденсационные теплообменники построены с применением технологических норм, в которых площадь радиатора не должна увеличивать или уменьшать его тепловое сопротивление. Иногда на радиаторы (конденсаторы) крепят вентиляторы, ускоряющие процесс конденсации теплоносителя (рис. 10). Радиаторы принято выносить в «холодную» зону компьютера, где они более эффективно могут производить теплообмен. Но вопрос доставки конденсата от конденсатора к испарителю все еще остается открытым, давайте поскорее закроем его.

 Вход в уголок маньяка

Рис. 10

Многих интересующихся системой heat pipe беспокоит самый главный вопрос: как, собственно говоря, при температуре 20-30 градусов выше нуля, может закипеть жидкость, и что за жидкость применяется в качестве теплоносителя heat pipe. Ответить на этот вопрос очень легко. Вспомните уроки физики, на которых учитель нам рассказывал о том, насколько сложно в горах приготовить себе чай. Это тяжело сделать не потому, что альпинисты вечно забывают дома заварку, а потому что в горных условиях из-за разреженного воздуха температура кипения понижается, и чайник способен закипеть не при 95-100 градусах, а при 65-70-ти. А вот чтобы заставить воду кипеть при 130 градусах, нужно поднять давление. Так, например, поступают в некоторых автомобилях, поднимая давление в системе охлаждения, добиваются рабочей температуры двигателя 110-120 градусов. Плюс ко всему, используемые тосолы и антифризы закипают при температуре выше 100 градусов. И наоборот, чтобы заставить воду кипеть при 20-30 градусах, из трубок достаточно откачать воздух до определенного уровня и зарядить их специальным теплоносителем. Именно так и поступают производители heat pipe. Я обещал доказать, что компьютерные heat pipe принадлежат к классу систем водяного охлаждения, и делаю это. По данным Thermaltake, теплоноситель, применяющийся в heat pipe, состоит из:

  • Воды (Water) — 90%
  • Неких азотоподобных смесей (Some mixes such as nitrogen) — 0.3%
  • Аммиака (Ammonia) — 7%
  • Альдегида (Aldehyde HC-7) — 2.7%

А вот уже в промышленных тепловых трубках, помимо воды, аммиака и азота, может применяться метан, пропилен, пентан, ацетон, спирт, фреон и много других веществ. Тут все зависит от сферы применения, а именно: при какой температуре это все будет работать и до какой степени стоит охлаждать конструкцию.

 Выход из уголка маньяка

Рис. 11

Рис. 12

Рис. 13

В очередной раз возвращаемся к процессу циркуляции пара и конденсата. В большинстве тепловых трубок для доставки конденсата от конденсатора к испарителю используются специальные фитили из различных материалов (рис. 11). В более дешевых системах охлаждения, где КПД несколько ниже, для этого применяется медная косичка, жилки которой образуют стенки тонких продольных полостей. А проще говоря — капилляров, по которым (как мы помним из школьного курса физики) благодаря силам поверхностного натяжения и смачиванию жидкость «перекачивается» сама по себе. В системах подороже, с более высоким КПД, применяются фитили из особого материала — металловойлока. Он имеет более удачную структуру капилляров, потому и является более эффективным решением. Как вариант, возможно применение специального капиллярного напыления на стенках тепловых трубок (рис. 12), по которым также происходит «слив холодной воды» в место соприкосновения испарителя и горячей микросхемы (рис. 13). Таким образом, как бы вы не расположили систему тепловых трубок, доставка охлажденного теплоносителя к «горячей» точке произойдет в кратчайшие сроки, без хаотичных разбрызгиваний и биений о стенки. Если вы перевернете систему вверх ногами, вода к испарителю поползет по фитилю (или капиллярам) снизу вверх, как это происходит в керосиновых лампах (рис. 14) (но услышать, как «вода течет по тепловым трубкам» невозможно, у них очень мало общего с канализацией. — Прим. ред. для впечатлительных юзеров).

Как и любое другое устройство, которое можно поместить в наши системные блоки, heat pipe имеют свой ресурс по времени наработки. И если в случае с вентилятором у последнего изнашиваются механические части (подшипники, щетки обмоток), у тепловых трубок происходит частичная разгерметизация и изменение химического состава теплоносителя. Многие производители заявляют время наработки на отказ до 20 000 часов (это примерно два с половиной года непрерывной работы). После этого срока эффективность работы тепловых трубок может снизиться до недопустимого порога (еще один повод с недоверием относиться к б/у ноутбукам. — Прим. ред.).

Говоря о системах охлаждения, построенных на основе тепловых трубок, не стоит думать, что они появились специально для использования в компьютерной технике. Это отнюдь не так. Первый патент на использование тепловых трубок был получен еще в 1944 году, человеком по фамилии Гоглер. Впервые их серьезное применение началось в космических технологиях. Так, на сегодняшний день, некоторые части космических кораблей, в прямом смысле этого слова, напичканы тепловыми трубками через каждый сантиметр. Позже системы регулирования температуры (термостаты) на основе тепловых трубок появились в медицине и химической промышленности, фармацевтике. Мало того, ошибочно считать, что тепловые трубки совершенствуются лишь за океаном. У нас ими занимаются при Национальном техническом университете «КПИ». И положа руку на сердце, можно сказать, что наши ученые и в этом вопросе почти на голову выше западных коллег, только вот из-за плохого финансирования не получается поставить это дело на широкие рельсы (а российские ученые могут немного подвинуть земную ось, и тогда… В общем, если перспективные технологии и в самом деле есть, то надолго без финансирования они не останутся. — Прим. ред.). Бытуют слухи, что для какого-то невообразимого техпроцесса нашими учеными в 80-е годы была создана система охлаждения на тепловых трубках, где в качестве теплоносителя использовался легкоплавный алюминий. В качестве теплопроводной магистрали использовались трубки из вольфрама и кобальта, а работала система при температуре выше 2000 градусов (температура кипения алюминия). Но даже если проигнорировать мифы и посмотреть на реальность, то видим, что heat pipe имеют действительно дикую популярность в промышленности и особенно часто используются при изготовлении бытовых приборов.

Несмотря на то, что технология создания heat pipe зародилась далеко за океаном в первой половине прошлого столетия, ее компьютерное развитие началось совсем недавно. Конечно, первое место по эффективности безоговорочно удерживают системы охлаждения, построенные на базе холодильника Пельтье (ну, если заниматься буквоедством, то самое первое место безраздельно занимают стаканчики с жидким азотом :-). — Прим. ред.). Heat pipe находятся всего лишь между «воздушкой» и «водянкой». Но не удивлюсь, если в скором времени «водянки» уступят трубкам свое место. Несмотря на более низкую эффективность, heat pipe прекрасно выполняют свою задачу в «тихих» системах и в готовых решениях типа материнских плат класса Extreme (не ставить же туда коммуникации, рассчитанные на СВО, которого у покупателя просто может не быть). По заверениям производителей, имеющих имя и авторитет среди разработчиков систем охлаждения, в скором времени мы сможем увидеть корпуса, которые состоят из одних тепловых трубок. По идее, такие корпуса будут охлаждать не только жесткие диски с блоком питания, но и видеокарты, чипсеты, память и процессоры. Чего гадать, поживем — увидим, лишь бы было за что все это добро покупать :-).

Спасибо за внимание!

Максим ДЕРКАЧ aka Astra

Robo User
Web-droid editor

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *