Кулери для процесорів: теорія, Охолодження, огляди

Введення

Еволюція комп’ютерів продовжує стрімко набирати обертів. Нові процесори все частіше оголошуються цілою серією, з різними частотами, але на одному ядрі. Дотримуючись закону Мура, кожне наступне покоління CPU має більше число інтегрованих транзисторів. Постійно зростає тактова частота процесорів, а разом з нею і тепловиділення цих, мабуть, самих гарячих елементів сучасних комп’ютерів. Охолоджувати ядро мікропроцесора стає все складніше, але і виробники комп’ютерних кулерів постійно прагнуть поліпшити продуктивність своїх виробів, щоб вони могли з максимальною ефективністю відводити тепло від ядра, зберігаючи при цьому невеликі розміри, невисоку вартість і прийнятний рівень шуму. У цій статті ми розповімо про кулерах для центральних процесорів: навіщо, в принципі, вони потрібні, які вони бувають і які тенденції в даний час просвічуються в плані еволюції комп’ютерних кулерів.

Чому і як гріються процесори

Спочатку, давайте поговоримо про процесори, центральних процесорах, що є “серцем” будь-яких сучасних комп’ютерів. Людині, не знайомому з комп’ютерним обладнанням, вони можуть здатися досить простими квадратним чіпами з ніжками. Насправді ж сучасні процесори містять в собі десятки мільйонів транзисторів, що забезпечують роботу різних блоків CPU. Серед основних функціональних блоків сучасних CPU можна назвати блок з обробки цілочисельних операцій, блок з обробки операцій з плаваючою крапкою, а так само кеш першого і другого рівня. В ядрі процесора є й інші блоки, але саме ці для нас є більш важливими, оскільки на них лягає основне навантаження обчислень і відповідно вони більшою мірою впливають на нагрівання ядра. За законами фізики, будь-який провідник, через який протікає електричний струм, виділяє тепло. Будь напівпровідниковий прилад, будь то простенький транзистор, діод чи складний процесор, так само при роботі виділяє тепло. Виділяється тепло прямо пропорційно споживаної електричної енергії. У випадку з CPU, що містить, як я вже сказав, десятки мільйонів транзисторів, споживана електрична потужність майже дорівнює тепловиділенню. Споживана потужність дорівнює споживаному току, помноженому на робочу напругу. Струм тут залежить від декількох факторів: від величини інтеграції процесора (скільки в його ядрі міститься транзисторів), від частоти роботи його ядра і від технологічного процесу. Природно, що більше число транзисторів і збільшена частота роботи ядра ведуть до збільшення енергоспоживання. Щоб якось знизити це значення, виробники постійно удосконалюють технологічний процес виготовлення ядра CPU. Більш досконалі техпроцеси дозволяють все більше знижувати тепловиділення ядра. Сьогодні вдосконалення технологічних процесів трохи не встигає за еволюцією CPU, тому як не намагаються виробники процесорів утримати їх тепловиділення на якомусь певному рівні, воно повільно, але зростає від моделі до моделі, від серії до серії. І це – ціна за високу продуктивність комп’ютерів.

Інженери компаній AMD і Intel, основних виробників центральних процесорів для робочих комп’ютерів, постійно прагнуть знизити тепловиділення своїх Athlon XP і Pentium 4, намагаючись зняти з цих продуктів клеймо “прасок” і “грубок”. І якщо поки що техпроцес не дозволяє цього досягти і блоки CPU при роботі виділяють десятки ватт тепла, то треба шукати альтернативний спосіб вирішення цієї проблеми. Вихід був відомий давно, але застосовувався лише на мобільних процесорах для ноутбуків, де кожен зайвий ват обертається скороченням часу роботи від батарей. Справа в тому, що при звичайній роботі комп’ютера в офісних додатках, CPU не завжди працює на повну потужність і деякі його блоки більшу частину часу не завантажені. А раз так, то навіщо змушувати їх споживати енергію? В процесорах Pentium 4 компанія Intel застосувала кілька нових технологій, що допомагають впоратися з підвищеною температурою ядра. Одна з них полягала в тому, що при відсутності навантаження працюють не всі блоки ядра CPU. Вони відключаються, за рахунок чого температура ядра падає. У цьому легко переконатися, якщо ви запустите систему моніторингу температури на комп’ютері з процесором Pentium 4 і постараєтеся короткочасно завантажити систему. Хоча б потягати якесь вікно по робочому столу Windows. Температура ядра різко підніметься, а коли ви припините це робити – різко опуститься. За рахунок цього в офісних додатках вдається утримувати температуру Pentium 4 на відносно невисокому рівні. Компанія AMD пішла ще далі – її процесори з ядром Barton використовують функцію “disconnect from system bus”. Тобто, в режимі простою CPU може відключатися від системної шини.

Дані технології енергозбереження, звичайно ж, здатні знизити температуру ядра процесора при роботі в офісних додатках або програмах, не вимогливих до ресурсів. Але ж дуже багато програм повністю завантажують ресурси системи. Це можуть бути комп’ютерні ігри, програми по роботі з графікою або інші додатки з інтенсивними обчисленнями. Як часто доводиться чути від користувачів, що комп’ютер відмінно працює в MS Word, але при запуску гри через кілька хвилин повисає. Причина цього найчастіше криється саме в недостатньому охолодженні.

Років зо два тому, коли я спілкувався з виробниками кулерів для процесорів, мені говорили, що теоретичним межею тепловиділення CPU стане значення в 100 Вт Охолодити 100-ватний нагрівач з площею ядра кілька десятків квадратних міліметрів у звичайному комп’ютерному корпусі буде дуже складно. Часи змінилися і сьогодні тепловиділення процесорів підходить до заповітної цифри з двома нулями. Процесори Pentium 4 3.06 ГГц на ядрі Northwood споживають майже 82 Вт, а за останньою інформацією, такі Pentium 4 на ядрі Prescott вже матимуть тепловиділення в межах 100 Вт AMD теж не відстає від конкурента – Повідомляється про те, що Athlon 64 зможе виділяти близько 100 Вт тепла, в залежності від частоти. Яким буде охолодження у цих моделей, я думаю, ми можемо представити вже зараз.

Дві платформи: кріплення кулерів 

Pentium 4 і Athlon XP використовують різні конструкції процесорних роз’ємів. Сьогодні для Pentium 4 і Celeron це Socket 478, гніздо з 478 контактами, а для Athlon XP і Duron – це Socket A з 462 контактами. Незважаючи на те, що Socket A має менше число контактів, даний роз’єм більше за розмірами. Завдяки цьому кулери під процесори AMD в більшості своїй кріпляться, чіпляючись сталевий скобою за зубчики з двох сторін від гнізда. Раніше AMD вимагала, щоб на материнських платах під Socket A навколо гнізда розташовувалася так звана захисна зона, позбавлена ​​високих електричних елементів типу конденсаторів, і чотири отвори по кутах сокета. Це дозволяло встановлювати великі за розмірами кулери і кріпити їх безпосередньо до материнської плати. Згодом вимога до розмірів захисної зони залишилося, а отвори стали необов’язковими, так що на багатьох сучасних материнських платах можна встановити кулери, чіпляються тільки за зубчики гнізда. Тут треба пам’ятати, що надійним кріпленням може вважатися тільки те, яке використовує всі шість зубчиків на двох гранях гнізда. При цьому скоба кріплення повинна рухатися на кулері в двох площинах – вертикальної і горизонтальної (вздовж скоби), так як в цьому випадку ймовірність відколу пошкодження процесора при установці кулера буде мінімальною, а сам охолоджувач буде міцно закріплений на гнізді і не зіскочить навіть при транспортуванні комп’ютера. А так як тиск скоби буде розподілятися на шість зубчиків, ймовірність відколу одного з них буде нижчою.

Кулери на Socket 478 мають зовсім інше кріплення: через малі розміри гнізда закріплювати за нього кулер дуже складно, тому Intel передбачила два варіанти установки охолоджуючого пристрою. Перший – Це, як і у випадку з процесорами під Socket A, кріплення за материнську плату, через чотири отвори, розташовані біля кутів гнізда. Другий – кріплення за стійки спеціальної пластикової рамки, яка закріплюється в ці ж чотири отвори на материнській платі. Перший тип кріплення найчастіше використовується низькопрофільними кулерами для серверів, другий – найбільш поширений в звичайних комп’ютерах. Pentium 4 і Celeron під Socket 478 пошкодження ядра не загрожує, оскільки там воно закрита мідним розподільником тепла, невеликий пластиною, яка виконує дві ролі: захист ядра від пошкоджень і розподілу його тепла по поверхні основи радіатора кулера. Зате розподільник тепла збільшує площу зіткнення кулера і CPU. І саме через це нерідко, коли намагаєшся зняти кулер з Pentium 4, процесор настільки сильно прилипає до поверхні радіатора, що виривається навіть із замкнутого гнізда. Я сам нерідко стикався з цією проблемою і кожен раз, коли намагався відірвати Pentium 4 від радіатора, дивився, чи не залишилося в гнізді його ніжок …

Гніздо Socket 478

Більшість кулерів для сучасних процесорів розраховані або тільки на платформу Socket 478, або тільки на Socket A. Хоча є і приємні винятки, універсальні кулери. Приклад тому – модель Volcano 7 + від компанії Thermaltake. Сьогодні існують і інші процесорні роз’єми: Socket 370, Socket 7, Slot 1, Slot A і т.д. Але так як вони в силу свого віку сильно застаріли, ми не будемо їх торкатися. Так само не будемо говорити про роз’єми для серверних CPU, тому що, як правило, серверні корпуса і процесори поставляються в комплекті з кулерами і вибір охолоджуючого пристрою там не має значення. Найближчим часом, навіть після анонса нових платформ під Athlon 64, роз’єми Socket 478 і Socket A залишаться найпоширенішими.

Анатомія звичайного кулера

Звичайним кулером на процесор, в нашому розумінні, є активний повітряний охолоджувач: металевий радіатор з встановленим на нього вентилятором. Загалом-то, це і є основні складові активного повітряного кулера. Навіть скоби кріплення можуть бути не обов’язковими, тому що на материнських платах VIA з інтегрованими процесорами C3 кулер приклеєний до їх поверхні.

Радіатори

Радіатор служить для розподілу тепла охолоджуваного об’єкта (у нашому випадку – ядра процесора) в навколишнє середовище. Він повинен перебувати в безпосередньому фізичному контакті з охолоджуваним об’єктом. Так як тепло від одного тіла до іншого передається через поверхню, то площа контакту радіатора і процесора повинна бути якомога більшою. Сторона, якій радіатор прилягає до процесора, називається підставою або підошвою. Тепло від ядра переходить до основи, потім розподіляється по всій поверхні радіатора (причому розподіл це – нерівномірне) і відводиться в навколишнє середовище. Якщо на радіаторі не встановлено вентилятор, то процес такого відведення тепла називається випромінюванням. Збільшити ефективність випромінювання можна, якщо підвищити площу поверхні радіатора. Для цього вони виготовляються ребристими: на підставу встановлюються ребра, з яких і відбувається відвід тепла в навколишнє середовище. Ребра повинні бути як можна більш тонкими і вони повинні мати як можна більш кращий контакт з основою (в ідеалі радіатор повинен бути монолітним). Плоскі радіатори (без ребер) отримали назву “розподільники тепла”.

Щоб радіатор ефективно розсіював тепло, він повинен володіти високою теплопровідністю і теплоємністю. Фізична величина теплопровідність має розмірність Вт / М * К (Ватт / метр * Кельвін), для одиниці матеріалу, так звана питома теплопровідність. Вона визначає, з якою швидкістю тепло поширюється за обсягом тіла. У разі якщо теплопровідність радіатора буде невисокою, ви отримаєте ситуацію, коли його основу буде нагріватися сильніше, ніж його ребра. Охолодження в цьому випадку буде неефективним. У радіаторів з високою теплопровідністю температура підстави і кінчика ребер розрізняється незначно і тепло ефективно відводиться з усієї поверхні. Теплоємність, як відомо з курсу фізики, визначає кількість теплоти, яку необхідно повідомити тілу для збільшення його температури на 1 градус. Питома теплоємність має розмірність Дж / Кг * К (Джоуль / Кілограм * Кельвін). Радіатор з низькою теплоємністю матиме температуру, близьку до температури самого процесорного ядра і ні про який охолодженні тут говорити не доведеться. Він повинен мати високу теплоємність, адже при охолодженні тіла на один градус воно віддає ту ж кількість теплоти, яка отримала при нагріванні на один градус. Саме тому радіатор з високою теплоємністю завжди буде мати значно меншу температуру, ніж ядро ​​процесора. Ці дві фізичні величини визначаються матеріалом, використовуваним для виготовлення радіатора.

Питомі теплопровідність і теплоємність металів

Метал

Теплопровідність, Вт / М * К

Теплоємність, Дж / Кг * К
Срібло (Ag) 418.7 240
Мідь (Cu) 398 385
Алюміній (Al) 238 880
Золото (Au) 322 130
Нікель (Ni) 90.1 460

Ідеального матеріалу для створення радіатора не існує. Срібло має найвищу теплопровідність, але ми знаємо, що це дуже дорогий метал, та і теплоємність у нього невисока. Мідь має трохи меншу теплопровідність і майже в півтора рази більшу теплоємність. Цей матеріал краще всього підходить для виготовлення підстави радіаторів. Алюміній має в 1.6 разів меншу теплопровідність, ніж у міді, але в 2.29 разів більшу теплоємність. Даний метал краще застосовувати для ребер радіаторів. Золото має високу теплопровідність, велику, ніж в алюмінію, але меншу, ніж у міді. Деякі виробники кулерів, такі як Zalman і Glacialtech повідомляють про те, що їх топові моделі кулерів мають радіатори, покриті тонкою плівкою золота. Не думаю, що в цьому є сенс із точки зору теплопровідності. Все ж товщина цієї плівки занадто мала для впливу на фізичні властивості радіатора. Те ж саме стосується нікелю. Нікельовані радіатори з естетичної точки зору, звичайно, більш привабливі, але не з точки зору термічних властивостей. Так як ідеального контакту між двома металами домогтися дуже складно, то найчастіше більшу ефективність мають радіатори з одного матеріалу – чисто мідні або чисто алюмінієві, але це вже залежить від конкретного виробника радіаторів. Тому що, як правило, радіатори з мідною основою і алюмінієвими ребрами охолоджують краще, ніж чисто алюмінієві, а мідні охолоджують ще краще.

Крім матеріалу радіатора велике значення має його конструкція. Конфігурація ребер: їх висота, довжина, розташування на підставі розраховуються індивідуально для кожної моделі кулера. Але сенс розрахунків завжди зводиться до одного: повітря повинне безперешкодно і рівномірно проходити по всій поверхні радіатора. Турбулентність (завихрення повітряного потоку) в радіаторі, як правило, покращує відвід тепла від ребер і підстави до повітряного потоку, але знижує швидкість цього потоку. Так що точно сказати, позитивно чи впливає турбулентність на охолодження чи ні застосовно до всіх кулерам можна. Але так як в даний час багато виробників кулерів намагаються зробити потік повітря всередині кулера більш лінійним (деякі виробники, наприклад Thermaltake, навіть випускають перехідники для вентиляторів, які вирівнюють потік повітря через радіатор), можна зробити висновок, що для процесорних кулерів прямий потік краще турбулентного, хоча навіть в цьому потоці будуть зберігатися невеликі завихрення.

Радіатор з мідною основою

Взагалі, конструкція радіаторів – це тема для окремої статті. В рамках регламенту я можу лише розповісти про те, якими вони бувають по конструкції і способу виготовлення. Для сучасних процесорів використовуються радіатори різних форм: кубічні, у формі паралелепіпеда, у формі циліндра, віяла, з вигнутими гранями і складних форм. Вони можуть мати товсті ребра (у випадку, якщо радіатор зроблений за технологією видавлювання, “Extrusion” або кування / плавлення “Forging” / “Melting”), тонкі ребра, плоскі пластинчасті ребра, впресованим в основу (за технологією дифузійного пресування), зігнуті гармошкою з тонкої пластини, як у випадку з кулерами Molex. На деяких радіаторах замість ребер встановлені циліндричні або прямокутні голки. Як показує практика, це найефективніша конструкція. Компанія Zalman використовує для виготовлення своїх кулерів метод шихтовки, коли радіатор складається з десятків пластин і стягується бондажнимі скобами. Нерідко в радіаторах застосовуються теплопровідні трубки – герметичні посудини з пористого матеріалу, заповнені рідинами з низькою температурою випаровування. Такі трубки дуже ефективно проводять тепло (набагато краще, ніж мідь або срібло) і значно підвищують ефективність охолодження. Провідні фахівці в галузі комп’ютерного охолодження сьогодні вважають, що майбутнє кулерів для процесорів саме за моделями з тепловими трубками.

Вентилятори

Сучасний кулер для процесора неможливо уявити без вентилятора. Компанія VIA в якості рекламної кампанії стверджувала, що її процесори C3 працюють безшумно, охолоджуючись пасивними кулерами (без вентилятора). Правда, коли процесори C3 підійшли до частоти 1000 МГц, їм знадобилося вже більш серйозне охолодження і вентилятор був встановлений. Основні показники, що характеризують вентилятор, це швидкість повітряного потоку, об’єм повітря, переганяється їм у хвилину, споживана потужність, частота обертання лопатей і рівень шуму. Швидкість повітряного потоку вимірюється в лінійних футах в хвилину (LFM, Linear Feet per Minute). Найчастіше швидкість потоку замінюється показником тиску повітря на виході з вентилятора. Ця величина вимірюється в міліметрах рідини (мм.H2O). Ці два показники, швидкість і тиск потоку, часто не дають уявлення про продуктивність вентилятора, в той час, як більш звичний показник, обсяг переганяється повітря, повною мірою оцінює ефективність. Цей показник вимірюється в кубічних футах в хвилину (CFM – Cubic Feet per Minute). Один кубічний фут дорівнює приблизно 28.3 літрам або 0.028 кубічного метра, так що при бажанні можна перевести цю величину в метричну систему. Так як ефективність охолодження активного кулера багато в чому залежить саме від об’єму повітря, що проходить через радіатор, то CFM можна вважати однією з основних величин, на які варто покладатися як при виборі окремо вентилятора для комп’ютера, так і при виборі кулера в загальному. Сучасні кулери використовують вентилятори продуктивністю від декількох до кількох десятків кубічних футів в хвилину.

Споживана потужність визначається моторчиком, встановленим в радіаторах і дорівнює споживаному току, помноженому на робочу напругу вентилятора. Зараз переважна частина вентиляторів для комп’ютерних кулерів працюють на напрузі 12 Вольт. Раніше, в кулерах для відеокарт використовувалися вентилятори, що працюють від 7 Вольт і 5 Вольт, але зараз, при темпах розвитку відеочіпів, це вже нечасте явище. Зазвичай, робоча напруга вентилятора відрізняється від стартового. Тобто, моторчик вентилятора може “завестися” і на напрузі 7 В або 9 В, а працювати – на напрузі від 6 В до 15 В. Такий розкид напруги дуже важливий для вентиляторів, які мають регулювання частоти обертання лопатей.

Частота обертання лопатей – так само дуже важливий параметр. Вона визначається конструкцією вентилятора, потужністю і потужністю моторчика. Дана величина вимірюється в оборотах в хвилину (Об / хв. Або RMP – Rotates per Minute). В даний час дуже багато оглядачів вимірюють в RPM швидкість вентилятора. Це не вірно, тому що швидкість зазвичай вимірюється в радіанах в секунду або метрах в секунду, а обороти в секунду характеризують саме частоту обертання. Чим швидше обертаються лопаті вентилятора, тим більшу продуктивність він матиме. На жаль, пропорційно з частотою обертання вентилятора змінюється і рівень його шуму. Що таке шум, я думаю, нікому не треба пояснювати. Рівень шуму вимірюється в децибелах і звичайно позначається як дБ або dB. Скажу лише, що зараз “безшумними” вважаються кулери, виділяють близько 23 дБ. Кулер, який працює з гучністю 30 дБ вже може вивести з себе самого терплячого користувача. Вентилятори сучасних кулерів мають частоту обертання лопатей від 2000 до 8000 оборотів в хвилину. Вже при 7000 RPM вентилятор працює дуже голосно і може викликати роздратування у користувачів і оточуючих, тому сьогодні виробники кулерів всіма засобами намагаються збільшити продуктивність кулера, знизивши рівень його шуму. Обсяг повітря залежить не тільки від частоти обертання лопатей, але і від розмірів вентилятора. Чим ці розміри більше, тим продуктивність буде вище. Тому останнім часом на зміну кулерам зі швидкими 60-міліметровими вентиляторами, що мають частоту обертання лопатей 6000 – 7000 оборотів в хвилину (30-38 CFM, рівень шуму – до 46.5 дБ) приходять 80-міліметрові і 90-міліметрові вентилятори, лопаті яких здійснюють від півтора до трьох тисяч обертів на хвилину. Продуктивність таких вентиляторів становить від 22 до 50 CFM, а рівень шуму – Від 17 до 35 дБ.

Вісь пропелера в вентиляторі може встановлюватися, використовуючи підшипники кочення (ball bearing) або підшипники ковзання (sleeve bearing). Перші являють собою як би подушку з ковзних матеріалів і масла. Такі підшипники менш довговічні, вони досить швидко зношуються, після чого вентилятор починає “підвивати”. Його можна змащувати, але краще замінити. Підшипники ковзання так само, через свою низьку надійності не використовуються в вентиляторах з високою частотою обертання лопатей. Єдина їх перевага – низька вартість. Підшипники кочення, це підшипники в тому вигляді, в якому ми звикли їх бачити, з двома радіальними кільцями, між яких розташовані маленькі кульки. Ці підшипники більш надійні і найчастіше саме вони використовуються в сучасних кулерах. В деяких вентиляторах використовуються одночасно один підшипник кочення і один підшипник ковзання. Основною характеристикою, яка є у підвіски вентилятора – це час напрацювання на відмову, MTBF (Middle Time Before Failure). Так як підшипники – сама ненадійна частина вентилятора, то саме вони визначають, скільки йому пропрацювати в комп’ютері. Для підшипників ковзання ця величина – 30 000 годин, для підшипників кочення – 50 000 годин. Вентилятори, які використовують два обидва типи підшипників, мають середній час напрацювання на відмову 40000 годин. Зараз стали з’являтися кулери з керамічними підшипниками, які обіцяють пропрацювати від 300 000 до 500 000 годин. І хоча, може здатися, що це досить великий час, все ж воно не гарантоване виробником і вентилятор може вийти з ладу буквально на наступний день після покупки.

Вентилятори бувають двох типів: радіальні і осьові. Осьові отримали широке поширення в силу своїх невеликих розмірів і гарного співвідношення продуктивність / шум. Звичайний вентилятор, з пропелером – Це осьової вентилятор, в ньому потік повітря спрямовується вздовж осі обертання.

Осьовий вентилятор

Радіальні вентилятори отримали назву “бловери” (від англ. Blow – дути). В бловере повітряний потік спрямовується під кутом 90 градусів до осі моторчика. Замість пропелера з лопатями в радіальних вентиляторах використовуються барабани, або як їх прийнято називати, крильчатки. Цей тип вентиляторів вимагає установки моторчиків з більшою потужністю, бловери мають великі фізичні розміри і велику вартість. Але незважаючи на ці, здавалося б, недоліки, радіальні вентилятори мають ряд переваг. Перш за все, повітряний потік в них менше має меншу турбулентністю, більшою швидкістю, а крім того – радіальні вентилятори позбавлені “мертвої зони”.

Поговоримо про “мертвій зоні”. У звичайних, осьових, вентиляторах моторчик розташований в центрі. Іноді моторчик займає значну частину “активної” площі вентилятора, площі, утвореною окружністю пропелера. Під моторчиком швидкість повітряного потоку незрівнянно нижча, ніж під лопатями. Уже на деякій відстані швидкості повітря під вентилятором вирівнюється на всій площі, але це відстань вже може бути за межами підстави радіатора. На жаль, як правило, “мертва зона” розташована над центром радіатора, в тому місці, де розташовано ядро ​​процесора. Природно, ця “мертва зона” негативно позначається на охолодженні.

Виробники кулерів ні раз намагалися вирішити проблему “мертвої зони”. Компанії GlacialTech і Global Win в деяких своїх кулерах розпорядженні вентилятор не по центру радіатора, а з невеликим зсувом, щоб над тим місцем підстави кулера, де розташоване ядро ​​процесора, розташовувалися лопаті вентилятора. Інші виробники змінили конструкцію вентилятора, як би розподіливши моторчик з центру вентилятора по периметру. У таких типах вентилятора чотири обмотки розташовані в кутах корпусу, а навколо лопат проходить кільце з постійним магнітом. Таким чином, в центрі пропелера встановлена ​​лише вісь, а площа “Мертвої зони” знижена в кілька разів. Все це відноситься до осьовим вентиляторів. У радіальних ж, потік, на виході практично рівномірний, з однаковим тиском і швидкістю. Найбільш відомими кулерами з радіальними вентиляторами є моделі серії AERO виробництва компанії CoolerMaster.

Сучасні вентилятори, в більшості своїй, підключаються до материнських плат трьохконтактні Molex-коннекторами. У цих роз’ємах два контакти використовуються для харчування, а ще один – для того, щоб передавати материнської плати дані з вбудованого тахометра вентилятора. Але материнські плати мають обмеження по потужності, яку вони можуть подати на вентилятор, і якщо підключити до системної плати потужний кулер, вона може запросто згоріти. Коли ця проблема з’явилася, виробники дорогих потужних кулерів (з споживаною потужністю більше 4 Вт) стали продавати свої охолоджувачі з вентиляторами, мають чотирьохконтактні роз’єми живлення PCPlug (як у жорсткого диска або приводу CD-ROM). Таким чином вентилятор підключався безпосередньо до блоку живлення і небезпеки для материнської плати не уявляв. Але дуже багато системні плати та комп’ютери в цілому мають захист від перегріву процесорів, в тому числі і від зупинки вентилятора. Підключення по PCPlug не давало можливості повідомляти материнської плати інформацію про частоту обертання лопатей, а живлення потужних кулерів від материнської плати небезпечно для самої плати. Сьогодні багато виробників роблять комбіноване харчування – два роз’єми Molex і один роз’єм PCPlug. Живлення здійснюється по одному з роз’ємів – від материнської плати або блоку живлення. У другому випадку до системної плати підключається Molex-роз’єм все з одним дротом, по якому передаються дані про частоту обертання пропелера. В результаті і кулер може працювати без небезпеки пошкодження плати та сигналізація апаратного моніторингу залишається активною.

Термічний опір

Вище ми говорили про складові комп’ютерних кулерах, але тепер прийшов час поговорити і про структуру в цілому. Ми вже говорили про величини, що характеризують радіатори і вентилятори. Як правило, виробники комп’ютерних охолоджуючих пристроїв вказують ці характеристики, але маючи в продуктовій лінійці одні й ті ж кулери, що розрізняються лише моделями вентиляторів або з однаковими вентиляторами, але різними радіаторами, з’являється необхідність в одній характеристиці для всього охолоджуючого пристрою. Ця характеристика – термічний опір. Воно вимірюється в Цельсіях на Ватт (C / W) і визначає, наскільки підніметься температура процесора при збільшенні його тепловиділення на один Ватт. Чим нижче термічний опір, тим краще. Щоб порахувати термічний опір кулера, треба відняти від температури ядра процесора температуру повітря над вентилятором і розділити цю різницю на потужність процесора. Для сучасних кулерів звичайне термічний опір – 0.38 C / W. Але справа в тому, що не всі виробники кулерів чесно вказують термічний опір. Приклад тому – компанія Molex, що рекламує низьке термоопору своїх охолоджувачів, але на ділі виявляється, що ця величина далека від реальної. Тому я рекомендую дивитися на інші характеристики кольорів – продуктивність і рівень шуму вентиляторів і тип радіатора.

Тепловий інтерфейс

Ми вже розібралися, що тепло від одного тіла до іншого передається через поверхню дотику. Відповідно, чим більше площа цієї поверхні, тим вищою буде ефективність роботи кулера. Але, на жаль, ідеально гладких поверхонь не має ні підставу радіатора, ні ядро ​​процесора. Невеликі шорсткості, поглиблення і подряпини заповнюються при зіткненні утворюють повітряні подушки, а повітря має дуже малу теплопровідність. Щоб поліпшити тепловий контакт, застосовують різні теплові інтерфейси – термопасти або прокладки. Ці інтерфейси мають високу теплопровідність і при контакті заповнюють собою нерівності поверхні, позбавляючи таким чином, поверхні від повітряних подушок.

Контакт радіатора і процесора без теплового інтерфейсу

Теплопровідні прокладки зазвичай створюються з полімерних матеріалів або з графітового пилу. Останні найчастіше використовувалися в кулерах, поставляються з процесорами Intel. Матеріал полімерних прокладок має властивість змінювати свій стан, простіше кажучи, при нагріванні він розріджується і заповнює собою повітряні подушки. Термопрокладки найчастіше вже нанесені на поверхню основи радіатора. Зараз все частіше полімерні прокладки замінюються термопаста. Паста так само може бути нанесена на поверхню радіатора або може поставлятися в пакетиках, тюбиках або шприцах.

Контакт радіатора і процесора з тепловим інтерфейсом

Термопасти можуть проводитися на основі різних матеріалів з різною теплопровідністю. На сьогоднішній день мені відомі кремнієва, бескремніевая, керамічна, алюмінієва, мідна, срібна та золота термопаста. Назва говорить про матеріал, що використовується в термопасте. Для теплопроводящей пасти існують дві характеристики, що визначають якість теплового інтерфейсу: це – теплопровідність і середній розмір зерна. Так як пасти створюються на основі подрібненої пилу того чи іншого матеріалу, то величина зерна і є середній розмір однієї пилинки. Чим менше цей розмір, тим краще паста буде заповнювати собою всі нерівності поверхні радіатора. Хорошим тепловим інтерфейсом вважається паста з зерном 0.38 мкм і теплопровідністю 8 Вт / м * K.

Контакт радіатора і процесора з тепловим інтерфейсом, має дрібну зернистість

Кілька тижнів тому я наткнувся на дослідження західних фахівців в області термопасти. Вони стверджували, що сучасні кремнієві і металеві термопасти мають одну загальну проблему – великий розмір зерна, в результаті чого вони працюють не як теплопровідник, а як теплоізолятор. Вони пропонували використовувати карбонові пасти, створені на основі матеріалів з більш низькою теплопровідністю, ніж метали, але мають багато менший розмір зерна. Взагалі-то, їх затвердження небезпідставні, тому що багато мікроскопічні подряпини на поверхні процесора і радіатора все одно залишаються заповненими повітрям і ніколи не вийде залити пастою кожну западину. Але поки ми не побачимо у продажу карбонову термопасту і не порівняємо її ефективність з кремнієвої, срібної і мідної, розмова про те, що краще, буде безпідставним.

До речі, багато хто, напевно, задавалися питанням, чому термопасти на основі таких матеріалів, як алюміній, мідь, срібло або золото, не викликають короткого замикання на процесорі, адже ці метали є відмінними провідниками електричного струму. Вся справа в тому, що термопаста – це речовина зі складним хімічним складом. Відсоток зазначеного на ній металу може бути, у срібній пасті, наприклад, може бути від 1% до 75% срібла. Решта – речовини з дуже високими електроізоляційними властивостями. Так що, звичайно, не варто допускати того, щоб паста потрапляла на електричні контакти, але навіть якщо це трапиться, навряд чи вона викличе коротке замикання.

Сьогодні такі відомі виробники кулерів, як Titan та інші менш відомі постачають свої кулери, укомплектовані шприцами зі срібною термопастою. Точніше сказати, з термопастою на срібній основі. Справа в тому, що не кожна срібляста термопаста зроблена на основі цього металу. Приміром, Titan під маркою “Silver Grease” продає пасту на основі оксиду срібла. У цій пасті менше 10% металу. Звичайно, її не порівняти з пастою “Arctic Silver” від однойменного виробника, що має в своєму складі до 80% срібною пилу чистотою 99.9%. Проте, два грами такої пасти стоять як найдорожчий кулер повітряний кулер Titan. Виходячи з власного досвіду роботи з різними термопаста, можу порадити вам використовувати пасту на основі срібла “Arctic Silver”. Незважаючи на те, що це досить дорогий теплової інтерфейс, вартість свою вона виправдовує. І запам’ятайте – хороша термопаста завжди зберігає свою плинність: вона ніколи не зсихається, не розповзається і не витікає.

Автоматичний і ручний контроль над кулером

Основними тенденціями в сучасному кулеростроения я можу назвати прагнення до зменшення шуму, виробленого кулером при роботі та здійснення контролю над кулером. В дійсності, так як сучасні процесори, як я вже згадував, не весь час працюють на повну потужність, то вони і не виділяють максимальну кількість тепла протягом усього часу роботи. А раз так, то навіщо кулеру постійно працювати з максимальною частотою обертання лопатей вентилятора, дратуючи своїм шумом? Так само, один і той же кулер може бути встановлений на різні моделі процесорів з різним тепловиділенням, а раз так, то справедливіше буде, що на потужніших процесорах кулер повинен шуміти голосніше, а на слабких – тихіше. Деякі сучасні материнські плати здатні самі регулювати швидкість обертання лопатей вентилятора, якщо той підключений до системної плати через трьохконтактний Molex-коннектор. Але поки що ця можливість реалізована далеко не у всіх платах, та до того ж, як я вже згадував, багато кулери підключаються безпосередньо до блоку живлення, а значить, в цьому випадку плата не має можливості впливати на роботу вентилятора. Так само сьогодні існують різні блоки контролю швидкості обертання лопатей вентилятора, такі як Thermaltake Hardcano, CoolerMaster Musketeer та ін Але купувати їх треба окремо, за окрему плату, а це не кожному по кишені. Так що цілком обгрунтованим було рішення покласти завдання регулювання частоти обертання лопатей вентилятора на сам кулер. Як кажуть, порятунок потопаючих – справа рук самих потопаючих.

На сьогоднішній день існує два способи регулювання частоти обертання лопатей вентилятора: автоматичний, в залежності від температури і ручний, тобто, самим користувачем. В першому випадку на вентилятор встановлюється термодатчик, термопара або терморезистор, що регулює напруга, що подається на моторчик. Одним з перших і найбільш поширених кольорів з автоматичним регулюванням швидкості роботи вентилятора була модель Thermaltake Volcano 7. У цього кулера термодатчик був встановлений на самому вентиляторі і регулювання швидкості обертання лопатей вентилятора проводилася в залежності від температури повітря біля вентилятора. Природно, ця температура була далека від реальної температури ядра процесора.

Термодатчик збоку на вентиляторі

Наступним, більш вдалим варіантом на тему автоматичної температурної регулювання були кулери Titan типу W5TB-TC, в яких термодатчик був встановлений в основі радіатора, тобто, вже досить близько до ядра процесора. Але так як в цих кулерах радіатор був повністю алюмінієвим, то температура металу навколо датчика знову-таки відрізнялася від температури ядра процесора. Хоча, ці кулери мали дуже істотний плюс – великі межі регулювання швидкості вентилятора.

Термодатчик в радіаторі кулера

Напевно, найбільш оптимальний варіант автоматичного регулювання запропонувала компанія Thermaltake в кулері Volcano 7 +. Цей охолоджувач має виносний датчик температури – термопару, яку завдяки малій товщині можна було встановити прямо біля ядра процесора Athlon XP або Pentium 4. Таким чином, регулювання швидкості могла б бути дуже точною, якщо б не недоліки самого охолоджувача, а саме – неправильні межі регулювання.

Термодатчик під процесором

Будь автоматичне регулювання швидкості вентилятора працює за наступним принципом: спочатку процесор нагрівається, потім підвищується температура термодатчика, а потім змінюється частота обертання лопатей вентилятора. Саме тому кулери з автоматикою такого роду менш підходять для розгону процесорів, де важливо – утримати температуру ядра процесора на певному рівні і не дати їй піднятися. Так ж виробники вентиляторів не мають уявлення, на яких процесорах будуть використовуватися кулери з їхньою продукцією, тому вони встановлюють межі регулювання швидкості в залежності від температури на якомусь середньому рівні. У підсумку це означає, що кулер міг би дозволити процесору нагрітися ще трохи, знизивши рівень відтвореного їм шуму, і це ніяк не позначилося б на стабільності, але автоматика так не розрахована і швидкість вентилятора буде вище, ніж могла б бути. Саме тому виробники охолоджуючих пристроїв вирішили, що треба дозволити і користувачеві вручну регулювати швидкість вентилятора.

Ручне регулювання в серійних кулерах зустрілася вперше в кулерах Zalman CNPS 3000, де користувач міг підключити вентилятор через один з двох перехідників з резисторами, що знижують напругу на моторчик вентилятора. Така конструкція мала явний недолік – у процесі роботи комп’ютера змінити швидкість вентилятора було важко. Потім з’явилися кулери Zalman з перехідником FanMate, що дозволяє плавно регулювати швидкість вентилятора в досить широких межах. Недоліком було лише те, що цей перехідник встановлювався всередині комп’ютера, що ускладнювало до нього доступ. Сьогодні компанії Thermaltake і CoolerMaster пропонують свої охолоджувачі, укомплектовані регуляторами швидкості вентиляторів, що дозволяють користувачеві змінювати частоту обертання лопатей, не відкриваючи корпусу комп’ютера. Регулятор встановлюється в заглушку PCI слота корпусу комп’ютера, або в тридюймовий або п’ятидюймовий відсік. Плавним поворотом ручки змінного резистора можна підлаштовувати рівень шуму кулера під себе.

Що стосується регулювання, то прикладом ідеальної реалізації цієї можливості я вважаю охолоджувач Thermaltake Volcano 11 Xaser Edition, який має можливість автоматичного температурного контролю з виносного датчика (термопари), а так же ручного контролю за допомогою заглушки в слот для PCI карт, або п’ятидюймовий відсік корпуса. А може працювати і зовсім без регулювання – завжди з постійною швидкістю. Як то кажуть, повний контроль. Для тих наших читачів, хто вибирає собі кулер, можу сказати, що сьогодні по можливості треба купувати охолоджувач з ручною або автоматичною регулюванням швидкості. Хоча, якщо у вас є панель управління кулером типу Thermaltake Hardcano, то для вас це необов’язково. Сьогодні існують панелі управління, що дають можливість регулювати швидкість роботи до шести різних вентиляторів в комп’ютері. І це – не межа. Можливо, не за горами той час, коли виробники охолоджуючих пристроїв дадуть нам можливість програмно керувати швидкістю вентиляторів. Але не будемо загадувати на майбутнє.

Неонова підсвітка

Говорячи про кулерах для процесорів, не можна обійти стороною і таку тенденцію, як створення світяться кулерів. Ніякого впливу на охолоджуючі здібності кулера світіння не робить: на вентилятори встановлюються кольорові світлодіоди, які горять або блимають різними кольорами. У комп’ютері, як і в людині, все повинно бути прекрасно. А сьогодні все більшого поширення набувають корпусу з прозорим вікном в лівій стінці, що дозволяють будь-кому зазирнути всередину ПК, не відкриваючи корпус. А якщо там встановлений світиться кулер для процесора, то це справляє серйозне враження.

Світлодіоди можуть встановлюватися на вентилятор двома способами. Перший – це їх установка безпосередньо в корпус вентилятора, з внутрішньої сторони, де рухаються лопаті пропелера. Другий – це пластикова решітка, яка монтується зверху на радіатор. Всередині цієї решітки встановлені декілька світлодіодів, які висвітлюють обертові лопаті. Так зроблено в кулері Thermaltake Volcano 9 + CoolMod. Світлодіоди тут можуть блимати в такт звернень до жорсткого диску, що створює додаткові візуальні ефекти.

Висновки

У цій статті ми розглянули теоретичні основи роботи кулерів і торкнулися основних тенденцій розвитку індустрії кулерів для процесорів. Багато тем залишилося неосвітленими – термоелектричні пластинки на основі елементів Пельтье, водяні охолоджувачі, кріогенні системи охолодження і т.д. Проблеми охолодження процесорів настільки актуальні, що розглянути всі рішення в одній статті просто неможливо. Тому, підводячи риску під вищесказаним, я хотів би спробувати заглянути в недалеке майбутнє і уявити, якими будуть кулери через півроку або рік.

Я вважаю, що незабаром охолоджувачі з чисто алюмінієвими радіаторами почнуть зникати з продажу. Середнім тепловиділенням процесора стане значення 50-60 Вт, де вже потрібно використання міді. Більше поширення отримають кулери з радіаторами, підстава яких буде виконано з міді. Поряд з ними так само поширені стануть кулери з чисто мідними радіаторами, голчастими або з плоскими ребрами. Радіатори обов’язково збільшаться в розмірах. На подібних охолоджувачах будуть встановлені 80-міліметрові вентилятори з термодатчиками і можливістю ручного регулювання їх швидкості обертання. Таким чином, вдасться підтримувати рівень шуму комп’ютера на допустимому рівні. Можливо, деякі комп’ютерні корпусу будуть поставлятися в комплекті з кулерами і тепле повітря від процесорного кулера в них буде виводитися по патрубкам назовні з комп’ютера. В комплекті до охолоджувача будуть поставлятися тюбики з термопастою на основі металів з високою теплопровідністю або з карбонової пастою. Середня ціна за кулер підніметься до 15-20 $. Багато моделей охолоджувачів для ентузіастів матимуть світяться вентилятори і простенькі панелі управління, що дозволяють не відкриваючи комп’ютера перемикати тип регулювання вентилятора – температурна або ручна.

Але є одна можливість, про яку ми не говорили. Кілька разів я зустрічав інформацію про те, що компанія Intel всерйоз стурбована проблемою використання систем водяного охолодження в комп’ютерах. Якщо гігант виробництва процесорів зробить водяне охолодження стандартом для персональних комп’ютерів, розвиток піде за іншим напрямом, але це вже зовсім інша історія.

Сподіваюся, що прочитавши цей матеріал, ви вже будете мати уявлення про те, яким повинен бути кулер для центрального процесора, які вони зараз є у продажу і з чим пов’язані особливості їх конструкції. А знаючи це, вам не складе труднощів вибрати саме той охолоджувач, який ідеально підходить саме для вашого комп’ютера.

LIKE OFF

10/08.2003

Схожі статті:


Сподобалася стаття? Ви можете залишити відгук або підписатися на RSS , щоб автоматично отримувати інформацію про нові статтях.

Коментарів поки що немає.

Ваш отзыв

Поділ на параграфи відбувається автоматично, адреса електронної пошти ніколи не буде опублікований, допустимий HTML: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

*

*