Системы охлаждения

В последнее время складывается такая ситуация, что развитие существующих средств охлаждения микропроцессоров не успевает за увеличением выделяемой ими тепловой мощности. Модернизация технологических процессов, влияющих на потребляемую отдельным транзистором мощность, на практике не позволяет эффективно «термокомпенсировать» всевозрастающее количество этих самых транзисторов на кристалле. И традиционные процессорные кулеры уже едва справляются с охлаждением новых горячих «камней».

По сложившимся стандартам все полупроводниковые приборы, которые характеризуются выделяемой мощностью менее 3 Вт, могут функционировать без дополнительных теплоотводов. Приснопамятные микропроцессоры 8080, 8086, мертворожденный 80186, 80286 и 80386, прекрасно работали без каких-либо кулеров благодаря тому, что выделяемая ими мощность была порядка тех же 3 Вт, и они намертво впаивались в материнскую плату, используя ее в качестве дополнительного теплоотвода. i80486 стал первым «сокетным» процессором для РС, и он же первым потребовал специализированного охлаждения (впрочем, тогда было достаточно маленького кулера, примерно соответствующего габаритам систем охлаждения современных low-end видеокарт). С появлением Pentium II, Intel заявила, что наступил конец света для сокета, на нем нельзя сделать много дешевого кэша, он не обеспечивает должного охлаждения, и теперь всем миром пора переходить на слоты. Дескать, сделаем огромный теплоотвод, поставим два вентилятора и т.д. и т.п. AMD пошла следом и после сокетных 486, К5, К6, К6-2, К6-3 стала делать первые слотовые К7, то бишь Athlon. С точки зрения отвода тепла идея была, в общем-то, неплохая, однако в силу ряда причин через пару лет все вернулось к старым добрым сокетам. Выделяемая процессорами мощность неуклонно повышалась, кулеры худо-бедно эволюционировали: росла полезная площадь теплоотводов, увеличивались - диаметр вентилятора, скорость его вращения и, естественно, шум, но ничего принципиально нового так и не появилось.

От современных топовых процессоров (а тем более разогнанных) запросто можно ожидать 100 Вт выделяемого тепла. Если вы когда-либо имели дело с паяльником, то представляете себе, что такое 40 Вт мощности, особенно опробовав эти ватты на пальцах. :) Теперь попробуем представить паяльник уже на 100 Вт, и поставим задачу охладить его с «обычных» 300°C до приемлемых 60°C. Проблема не из легких!

Итак, для начала сформулируем основные принципы эффективного отвода тепла от источника. Это:

1. Эффективный подвод холодного теплоносителя к источнику тепла.

2. Эффективный теплообмен между источником тепла и теплоносителем.

3. Эффективный отвод горячего теплоносителя от источника тепла.

И посмотрим, как они реализуются в существующих традиционных системах охлаждения, условно классифицируя последние по типу применяемого теплоносителя.

Нитрогенные системы (жидкий азот)

Самый «хардкорный», самый недоступный, самый неудобный и самый эффективный на сегодня подход — «нитрогенное охлаждение». В емкость, закрепленную на кристалле, наливается сжиженный газ — азот, имеющий температуру далеко ниже нуля по Цельсию. Здесь вопрос эффективного подвода холодного теплоносителя не стоит, потому что он либо есть (и имеет свои -196°C), либо его нет. Теплообмен также не является проблемой по той же причине — емкость на кристалле имеет фактически ту же температуру -196°C, пока там есть жидкий азот.

Фото 1. Система охлаждения на жидком азоте (иллюстрация сайта Muropaketti.com )

И отвод горячего теплоносителя тоже не является проблемой, поскольку все происходит само собой — азот быстро и с шумом испаряется. Но в этом подходе при массе его достоинств остается одна непроходимая проблема — собственно сам жидкий азот, который нужно будет покупать в огромных количествах и регулярно доливать в ту ужасную, покрытую инеем и туманом конструкцию, бывшую когда-то вашим персональным компьютером.

Гидрогенные системы (водяное охлаждение)

На кристалле процессора монтируется герметично закрытый теплоотвод, имеющий входную и выходную трубки (так называемые штуцеры). Вне корпуса или в его свободной области устанавливается теплообменник с вентилятором, похожий на автомобильный радиатор. Вместе с водяным насосом эти устройства трубками соединяются в замкнутую цепь, которая заполняется теплоносителем (водой). Насос прокачивает холодную воду через теплоотвод на процессоре, где она забирает тепло и нагревается. Этим обеспечивается поступление холодного теплоносителя и теплообмен с источником тепла. По трубкам вода поступает далее в теплообменник вне корпуса, где охлаждается и возвращается опять к теплоотводу (фото 2).

Фото 2. Система водяного охлаждения Thermaltake Aquarius II

В целом здесь соблюдены все принципы эффективного теплоотвода, однако опять же количество теплоносителя является ограниченным, поэтому возникает необходимость его повторного использования, то есть предварительного охлаждения. Вот если бы входную трубку теплоотвода воткнуть в холодную трубу водопроводных коммуникаций, а выходную трубку — в канализацию… :) Водяное охлаждение позволяет, образно говоря, вынести кулер на процессоре из корпуса, при некотором падении КПД. При цене порядка $100, системы водяного охлаждения дают выигрыш примерно в 10°C по сравнению с продвинутыми кулерами с нормально организованной системой продува воздуха внутри корпуса.