Охлаждение горячих голов

Поскольку информация нематериальна, то факт ее обработки не находит никакого отражения в мировых физических законах, и для физика компьютер ничем не отличается от электроплитки. О связи физики и высоких технологий рассказывает Юрий Ревич.

В начале 1960 гг. ученый из исследовательского отдела IBM Рольф Ландауэр, исходя из упомянутых фундаментальных физических принципов (принцип неубывания энтропии замкнутой системы), показал, что существует минимальная величина тепловой энергии, которая неизбежно выделится при обработке одного бита информации. Данная величина равна kT×ln 2 джоулей, где k — константа Больцмана (примерно 1,3807×10 ^–23 Дж/К); Т — абсолютная температура. Такая операция соответствует одному переключению одного транзистора, и предельная величина энергии сама по себе очень мала (при комнатной температуре порядка 10 ^-20 степени джоуля). Однако в современных процессорах, где число транзисторов достигает сотен миллионов, а тактовые частоты измеряются в гигагерцах, теплота Ландауэра может составлять вполне ощутимую величину в доли ватта. Она в сотни раз меньше реального тепловыделения микросхем, но стоит еще раз подчеркнуть – это принципиальный порог, ниже которого опуститься нельзя, так же как нельзя превысить скорость света.

Теплота Ландауэра считается одним из главных физических заслонов на пути миниатюризации полупроводниковых компонентов. Для темы нашей статьи это означает, что микросхемы будут выделять тепло всегда, пока они перебирают биты в соответствии с законами теории информации.

Ранние трудности, или Компьютер как всемирный отопитель

О том, что получающееся тепло надо куда-то девать, знали еще первые разработчики компьютерной техники. Причем для них проблема стояла даже серьезнее, чем для многих последующих поколений: электронная лампа греется до температур в сотни градусов. Один мой старший товарищ, служивший в войсках связи в конце 1960 гг., рассказывал, что летом к концу двухчасовой смены в штабном связном кунге, набитом ламповой аппаратурой, форменное хэ-бэ можно было кидать на стенку, и оно к ней приклеивалось. Зато зимой, когда часовые замерзали на посту, связисты ходили на дежурство в шлепанцах…

Положение изменилось с изобретением сначала транзисторов, а потом и микросхем. Поначалу инженеры воспряли было духом – полупроводниковые изделия работали при обычной температуре и потребляли в десятки раз меньше мощности, чем лампы. Зато они были куда капризнее по отношению к температурному режиму: для германиевых транзисторов (основа элементной базы почти всех отечественных брендов 1960 гг. – «Минсков», «Миров», «Уралов», включая и знаменитую БЭСМ-6) предельная температура перехода, выше которой он просто перестает работать, составляет всего 85 ^о С. Переход к кремнию повышал эту предельную температуру до 125 ^о С, а в отдельных случаях и до 150-175 ^о С, но на кремниевых дискретных транзисторах, кажется, так и не успели построить ни одной ЭВМ, по крайней мере в Советском Союзе, – появились сначала гибридные, а затем и полностью полупроводниковые микросхемы.

Микросхемы требовали более эффективных систем охлаждения, причем заметно отличающихся от традиционных. Охлаждать требовалось уже не пространство, а непосредственно микросхему, а еще лучше напрямую полупроводниковый кристалл. Так появились различные изыски: один из самых известных суперкомпьютеров всех времен, Cray-1 на основе ЭСЛ-логики, установленный в 1976 г. в Лос-Аламосской лаборатории, имел фреоновый охладитель, по принципу действия идентичный домашнему холодильнику. А вот его преемник Cray-2 (1985) стал первым серийным компьютером в мире, где была реализована идея иммерсионного охлаждения — полное погружение электронных блоков в непроводящую охлаждающую жидкость (рис. 1). Весьма эффективный с точки зрения целевого назначения, этот способ крайне сложен в реализации. Можно только представлять себе выражения, которыми обменивались ремонтники, когда при необходимости замены одной платы им приходилось сливать охлаждающую жидкость со всей системы, а затем заливать ее заново.

Cray-2 с системным блоком, полностью залитым охлаждающей жидкостью

Тем не менее идея иммерсионного охлаждения электронных чипов не сходит с повестки дня и в наши дни, являясь неизменным спутником всяких инноваций в компоновке полупроводниковым схем, например трехмерной упаковки кристаллов. Исследователи из американского университета Пердью уверяют, что при прокачивании жидкости через микроканалы удается достичь небывалой плотности отвода тепла в 1000 Вт с 1 см ² .

Первые персоналки, что от Apple, что от IBM, никаких охлаждающих элементов не требовали. Даже 33-МГц версия 80386 (1989) выделяла меньше 2 Вт тепла, и с этим спокойно справлялся обычный DIP-корпус. Радиаторы, сначала пассивные, появились лишь со старшими 80486 (от 33 МГц и выше) в начале 1990 гг.. А потом пошло-поехало – через десять лет и Intel, и особенно AMD даже как-то гордились потреблением своих изделий под 100 Вт и более (высказывалось мнение, что Intel Pentium 4 на экстремальной частоте 4,5 ГГц потреблял свыше 200 Вт). Тот самый Athlon XP1500+, на котором в известном ролике жарили яичницу, выделял 66 Вт при реальной частоте всего 1333 МГц. Опомнились, лишь достигнув реального частотного потолка (оказавшегося на уровне 3 ГГц), и тогда сконцентрировали усилия на других деталях архитектуры, а потребление процессоров в среднем даже как-то снизилось. По крайней мере, в современных топовых Core i7 только версии Extreme Edition зашкаливают за 100 Вт, так на то они и Extreme. И это лишь при максимальной загрузке – в простое i7 почти в 10 раз снижает потребление, а следовательно, и тепловыделение.

Рассмотрим различные сложившиеся к настоящему времени технологии охлаждения самой нагревающейся детали компьютера — процессора, а также некоторые нюансы их применения.

Стандартный воздушный кулер

Повторять многочисленные рекомендации по установке и выбору воздушной системы охлаждения для процессора (и шире – для корпуса в целом), не стоит: их, как говорят любители сетевого сленга, over 9000. А вот на пару нюансов в этом деле, на которые обычно не обращают внимания составители рекомендаций, не проходившие, в отличие от автора этих строк, в институте курс теплотехники и теплообмена, стоит указать непременно.

Глядя на безумно красивый и эффектный радиатор, изображенный на рис. 2, я понимаю, что работать он как следует не может и не должен ¹ :

Заведомо неработоспособный радиатор

Если построить график эффективности типового радиатора в зависимости от количества ребер на данной площади, то кривая будет иметь четкий максимум – есть некое оптимальное число ребер. Почему? Да потому, что начиная с некоторого предела, тепловое сопротивление ребра в связи с его утончением начинает недопустимо повышаться, и тогда сопутствующее увеличение площади поверхности из-за роста числа ребер перестает давать эффект: тепло просто не доходит до верхней части ребра. Не меньшее (а возможно, и большее) значение имеют промежутки между ребрами, которые не должны оказывать слишком большое сопротивление проходящему воздуху. Поэтому в том случае, когда один из двух радиаторов имеет много тонких часто расположенных пластин, а другой – относительно немного толстых, расположенных пореже, эффективнее будет именно второй (в определенных пределах, конечно).

Радиатор, представленный на рис. 2, будет отдавать тепло верхней частью пластин (где достаточно широкие проходы для воздуха), но из-за их малой толщины, да еще и наличия продольных прорезей, тепло будет перегревать основание, а верхней части пластин не достигнет. Оптимальный воздушный радиатор (рис. 3) должен иметь фрезерованные ребра при высоте 20-30 мм толщиной примерно 2-5 мм для алюминия или 1-3 мм для меди (и чем выше ребра, тем они должны быть толще). Промежутки между ребрами должны быть как минимум не меньше указанной верхней границы: 3-5 мм. Кстати, при одинаковой толщине с точки зрения площади поверхности безразлично, ребра это будут или штыри, в чем вы сами можете убедиться, немного подумав. Единственная разница заключается в том, что штыревой (игольчатый) отводит тепло (при воздушном потоке сверху) на все четыре стороны, а ребристый – только вдоль ребер. Обязательно должно быть достаточно толстое основание – лучше, если не меньше 10 мм, причем даже у медного.

Правильные, годные радиаторы

Не думайте, что разработчики охлаждающих систем сплошь недоучки, не знающие того, о чем я сейчас рассказал. Просто тонкие ребра делать проще, а результат получается эстетичнее. Особенно это касается меди, которая с трудом поддается фрезерованию, зато очень легко штампуется. И не глядите на охлаждающие радиаторы в автомобилях, фактически набитые профилированной фольгой – там так делают не от хорошей жизни. Радиаторам также противопоказаны полированные поверхности (кроме места контакта с процессором, естественно), шероховатые по целому ряду причин будут отдавать тепло лучше.

Уже написав эти строки, я наткнулся на результаты тестов кулеров ² , образец которых приведен на рис. 2. Они полностью подтвердили мои умозрительные заключения. Автор статьи неправ лишь в том, что объясняет малую эффективность плохим контактом основания с ребрами. При надлежащем усилии затяжки винтов из-за мягкости меди (или алюминия) поверхности прижмутся достаточно плотно, так что дело совсем не в контакте: дефектна сама идея конструкции.

Вода как лучший охладитель

Между прочим, если вы не в курсе: сама жизнь на Земле возможна только потому, что вода обладает наибольшей теплоемкостью из всех природных веществ (включая металлы). В сочетании с достаточно высокой плотностью это свойство воды при прочих равных позволяет ей обеспечивать приблизительно на два-три порядка лучшую теплоотдачу, чем воздух. Например, в канале шириной около 10-14 см коэффициент теплоотдачи к стенкам от воды, текущей со скоростью 1 м/c, составит около 9000 Вт на каждый квадратный метр и градус, а для воздуха, движущегося со скоростью 10 м/с, коэффициент теплоотдачи будет лишь около 40 в тех же единицах. Заметьте, что если потоки уравнять по скорости, приказав воздуху двигаться также со скоростью 1 м/с (хотя воздух обычно движется быстрее), то теплоотдача упадет ниже плинтуса: поток воздуха в таких условиях окажется ламинарным, без завихрений и перемешивания, и коэффициент теплоотдачи снизится до значения 3-4.

В середине 1980 гг. сразу IBM, Honeywell, Sperry-Univac, Control Data и Hitachi предлагали мейнфреймы с водяным охлаждением. В домашних системах до определенной поры такие устройства были практически только самодельными, но на рубеже тысячелетий возникают сразу несколько фирм, выпускающих как готовые компьютеры с системами водяного охлаждения (рис. 4), так и набор для умельцев типа «сделай сам» (рис. 5). По понятным причинам в подобных изделиях используется не вода, а специальный хладагент, обладающий антикоррозионными свойствами.

Рабочая станция HP xw9400/CT с водяным охлаждением

Набор для установки водяного охлаждения фирмы Swiftech

Общим недостатком почти всех водных систем охлаждения является не пониженный, как можно было бы ожидать, а скорее повышенный уровень шума: вентиляторы остаются на корпусе и в блоке питания, процессорный переезжает на внешний радиатор (иногда даже в двойном количестве), а еще к этому хозяйству добавляется помпа, перекачивающая воду, которую бесшумной нельзя сделать по фундаментальным причинам (абсолютно бесшумных водных насосов не существует в природе).

Но водяное охлаждение – все-таки удел немногих гиков, а вот две другие системы, как минимум одна из которых широко внедряется в практику, стоит обсудить подробнее.

Холодильник для компьютера

Теоретически не очень сложно самостоятельно приспособить для охлаждения компьютера холодильный агрегат, если пожертвовать домашним холодильником, но практике едва ли можно получить приемлемое по удобству и габаритам устройство. И потому первые холодильные системы для домашних компьютеров могли быть только фирменными. На рубеже тысячелетий этим особенно прославилась компания KryoTech. Компьютеры подобного рода представляли собой специальный системный блок, в котором собственно компьютер был надстроен над отсеком с холодильным компрессором (рис. 6).

Компьютер Super G2, выпущенный в 2001 г.фирмой KryoTech, основан на 1,4-ГГц Athlon, разогнанноом до 1866 МГц

Компания KryoTech была вовсе не единственной, но, разумеется, покупать такие системы за 2,5 тыс. долл. найдется немного охотников, и постепенно практически все эти фирмы исчезли с горизонта. Зато идея охлаждения путем фазового перехода жидкость-пар (на которой основан и обычный холодильник) обрела второе дыхание в куда более простом варианте: в виде тепловых трубок, для которых не нужен ни компрессор, ни помпа, и следовательно, не содержащих никаких шумящих частей (кроме, разумеется, неизбежного вентилятора на горячем конце).

Устройство тепловой трубки

В простейшем варианте тепловая трубка (рис. 7) представляет собой металлический (обычно медный) цилиндр, заполненный жидкостью, на 90% состоящей из дистиллированной воды с добавлением некоторых веществ, улучшающих теплопередачу. Жидкость находится в трубке под очень низким давлением, в результате чего точка кипения понижается примерно до 30 ^о С. На горячем конце трубки, прижатом к охлаждаемому чипу, вода испаряется, и пар по свободному центральному проходу мигрирует к холодному концу, где давление меньше. Сконденсировавшаяся вода по периметру трубки, заполненному пористым материалом, возвращается, как по фитилю, к горячему концу.

Тепловая трубка в ноутбуке

Кулер на основе теплотрубок

На основе тепловых трубок делают разнообразные охладители. Особенно широко они применяются в ноутбуках (рис. 8), о чем владелец порой даже и не подозревает. Есть весьма эффективные кулеры на базе теплотрубок и для обычных компьютеров (рис. 9). В использовании таких трубок нет почти никаких подводных камней – чем они кажутся, тем и являются. За исключением одного только момента: в них температура кипения теплоносителя в определенных температурных пределах внешней среды саморегулируется за счет автоматического повышения-снижения внутреннего давления. Но при выходе за эти пределы трубка может отказать и превратиться в обычный медный стержень. Об этом не стоит забывать и не следует пытаться выжать из трубки больше, чем она позволяет. Именно поэтому в более-менее мощных охладителях (см. рис. 9) используется не одна, а несколько трубок параллельно.

Элементы Пельтье

Эффект поглощения и выделения тепла в контакте из разнородных металлов при прохождении электрического тока был открыт еще в 1834 г. французским часовщиком Жаном Пельтье. Как это было почти со всеми такими физическими явлениями (тензоэффект, пьезоэффект), вторую жизнь эффект Пельтье обрел с появлением полупроводников, где он проявляется гораздо сильнее.

Для того чтобы правильно применять элементы Пельтье в системах охлаждения компьютерных компонентов, надо хорошо представлять себе, как они работают. Судя по комментам в многочисленных форумах по охлаждающим системам, в массовом порядке такого не наблюдается. Чаще всего встречаются уверенные сентенции типа «у Пельтье очень низкий КПД, на уровне 2-4%». Потому давайте для начала проведем небольшой ликбез на эту тему.

Для тепловых насосов (к которым относятся и домашний холодильник, и элемент Пельтье) понятие КПД не применимо – отношение полезной работы к затраченной для них зависит от условий работы. Если кому будет понятней, можно провести такую аналогию: возьмите АА-батарейку и замкните контакты накоротко. Какой КПД у батарейки в таких экстремальных условиях? Очевидно, он равен нулю – потенциалы контактов равны, вся энергия расходуется на ее подогрев. Будет он равен нулю и в противоположном случае: когда батарейка просто лежит на столе и тока в цепи нет (или почти нет – какая-то часть энергии всегда уходит на саморазряд).

Для элемента Пельтье картина аналогичная, только в роли напряжения на контактах выступает разность температур, а в роли тока – количество переданного тепла. Если замкнуть между собой пластины элемента массивным куском меди, то разница температур будет равна нулю, а количество передаваемого тепла – максимально. Это максимальное количество тепла (максимальная холодопроизводительность), обозначающееся как Q _макс, служит одной из характеристик элемента. Если сделать наоборот – как можно дальше изолировать пластины друг от друга и от внешней среды (например, поместив их в безвоздушное пространство), то количество переданного тепла будет равно нулю, а разность температур максимальна. Эта величина — также одна из главных характеристик элемента. Она обозначается Т _макс .

Зависимость холодопроизводительности Q x от разности температур пластин ΔТ для элемента FROST-72 (рис. автора)

График в координатах разность температур ΔТ – холодопроизводительность Qx для реального элемента Пельтье размером 40×40 мм, продающегося под названием FROST-72, приведен на рис. 10. Там же даны максимальные значения электрических параметров этого элемента (для которых составлен красный график – как показывает зеленая линия, при меньших величинах напряжения питания прямая сдвинется вниз, т.е. тепловые показатели упадут). Из них можно подсчитать максимальную эффективность элемента (не путать с холодильным коэффициентом и тем более с КПД ³ ! ). Потребляемая электрическая мощность составит 16,3×6,2 ≈ 100 Вт, т.е. максимальная эффективность будет численно равна максимальной холодопроизводительности и составит 62%.

Зная все эти данные, можно даже примерно рассчитать кулер с элементом Пельтье. Если процессор выделяет, например, 50 Вт тепла, то единичный элемент типа FROST-72 с ним просто не справится – при 12 В питания он выдаст перепад температур, близкий к нулевому. В этом случае придется ставить два элемента, причем если располагать их параллельно и рядом (теплораспределительная прокладка должна быть очень хорошей!), то на два следует умножать максимальное количество тепла, а если последовательно друг над другом, то удвоится максимальный перепад температур. Построив соответствующую прямую аналогично рис. 10, несложно прикинуть, в каком режиме будут работать элементы и какой перепад температур они примерно обеспечат.

При этом стоит учитывать, что ошибиться в холодную сторону также не слишком хорошо. Вспомните, что современные процессоры могут самостийно изменять потребление в зависимости от нагрузки (то же относится и к видеокартам). И если вы рассчитали элемент на перепад температур, допустим, в 40 ^о С при 40 Вт отводимого тепла, то при снижении мощности до 10 Вт температура у вас запросто залезет в минусовые значения. Вообще-то в минус заходить и необязательно – точка росы при среднемосковской влажности летом на улице в 70% достигается уже при +12 ^о C. И вы имеете большой шанс залить системную плату конденсатом из воздуха в совершенно нормальном режиме работы. Потому обязательным компонентом охлаждающей системы с элементом Пельтье будет отдельный вставляемый в PCI-слот контролер, который следит за температурой и регулирует мощность, подводимую к элементу.

Не забудьте и про потребление самого элемента: 350-Вт блок стандартного корпуса может оказаться близок к пределу возможностей. Как следует из предыдущих рассуждений, общее потребление процессорного блока возрастет на сумму мощностей элементов Пельтье – существенно больше, чем в 2 раза. Радиатор также теперь будет рассеивать мощность, превышающую процессорную и равную сумме мощностей элементов Пельтье.

Как видите, ни один из способов охлаждения не является идеальным и требует тщательного продумывания перед применением. Если у вас нет желания углубляться во все эти мелочи, то не стоит и начинать: вполне можно обойтись и тем, что предлагают в магазине готовых компьютеров.

Сноски:

1. Сначала я ужаснулся, подумав, что он ко всему прочему изготовлен из полированной латуни, имеющей теплопроводность чуть выше, чем у стали, и в 2,5 раза ниже, нежели у алюминия, но, к счастью, оказалось, что радиатор медный, лишь для понтов покрытый золотом.

2. http://www.hwp.ru/Coolers/Zalman/index.html

3. Для идеального холодильника, работающего по циклу Карно, КПД=ΔТ/T1, где Т1 – абсолютная температура горячего источника, а холодильный коэффициент = T2/ΔТ (T2 – абсолютная температура холодного приемника), т.е. холодильный коэффициент обычно больше еждиницы.