Введення
Останнім часом гонка продуктивності настільних ПК піднялася на новий рівень. Зростають тактові частоти, обчислювальні потужності, перехід на багатоядерних архітектуру і впровадження архітектури х64 покликане підняти продуктивність ПК на новий рівень. Але є зворотний бік медалі. При збільшенні тактових частот відповідно збільшується тепловиділення електронних компонентів. Так як у електронних схем працездатність забезпечується при вузькому діапазоні температур, то збільшення тепловиділення не може відбуватися нескінченно. Для вирішення цієї проблеми можна піти декількома шляхами: по-перше, впровадження нових процесорних архітектур, технологічних процесів дозволяє знизити тепловиділення, але при появі старших процесорів сімейства це перевага втрачається. Існує другий шлях - удосконалити системи охолодження процесорів. Саме в цьому напрямку зараз йде більшість виробників процесорів. За останні кілька років еволюція систем охолодження пройшла шлях від радіаторів, якими задовольнялися процесори Intel 80486 до сучасних систем охолодження на основі теплових трубок. У даному курсовому проекті розглянуті загальні принципи систем охолодження, склад традиційних систем охолодження. Також проведено порівняння різних систем охолодження. Виявлено переваги і недоліки основних сучасних систем, проведений їх порівняльний аналіз. На закінчення розглядаються сучасні перспективні технології охолодження, які знайдуть місце в процесорах наступного дня.
1 Негативний вплив нагріву і заходи щодо його усунення
Нагрівання кристалу інтегральної схеми (ІС) у процесі її функціонування - факт абсолютно очевидний і неминучий. Протікання струму в провіднику (напівпровіднику) обов'язково супроводжується виділенням у ньому теплової потужності, і оскільки сам провідник (напівпровідник) має цілком кінцеву теплопровідність, його температура виявляється вище температури навколишнього середовища. Корпус мікросхеми та різні внутрішні захисні / ізолюючі шари, які, як правило, мають меншу теплопровідність, ніж провідникові або напівпровідникові матеріали, ще більше погіршують ситуацію, утруднюючи тепловідвід від кристала ІС та істотно збільшуючи його температуру.
У принципі, дуже високі (або навпаки, екстремально низькі) температури були б зовсім не страшні, якби не чітка залежність правильної і транзисторів ІС і структури їх з'єднань від температурних умов. У результаті робочий температурний діапазон для "середньостатистичної" ІС виходить досить вузьким - як правило, від -40 до 125 ° C . Обмеження знизу є наслідком різниці коефіцієнтів теплового розширення кремнієвої підкладки, ізолюючих / захисних шарів, шарів металізації і т.п. (При низьких температурах виникають внутрішні механічні напруги - термомеханічний стрес, що впливає на електрофізичні властивості ІС і може призвести навіть до фізичного руйнування кристала). Обмеження зверху обумовлено погіршенням частотних і електричних властивостей транзисторів (зменшення струму, зниження порогового напруги тощо), а також можливістю виникнення незворотних пробійні явищ в обратносмещенних pn-переходах. Для сучасних процесорів (зокрема, Athlon XP і Pentium 4), що відрізняються набагато більш тонкої мікроструктурою і більш комплексними корпусами, ніж "середньостатистична" КМОП ІС, діапазон робочих температур виявляється ще суворіше - зазвичай від 0 до 100 ° C . Що ж, якщо процесор може більш-менш нормально функціонувати при температурі 100 ° C , То до чого тоді всі ці моніторинги і термоконтроль, адже його температура рідко дотягує до 90 - 95 ° C навіть з дуже слабкою системою охолодження?! Насправді, нормальна працездатність при високих температурах вельми ілюзорна, оскільки в глибинах процесора мають місце не тільки чисто електричні явища, але і величезна кількість електрохімічних процесів і реакцій, які є за своєю суттю термоактивационного (їх швидкість виключно сильно залежить від температури). З плином часу вони принципово можуть не тільки ускладнити коректне функціонування процесора, але і навіть призвести до його повної відмови, хоча робочі температури при цьому можуть перебувати в цілком безпечних межах, якщо дивитися з чисто електричної точки зору. Не можна сказати, що поголовно всі ці явища чинять згубний вплив на життєдіяльність процесора - навпаки, деякі з них можуть навіть поліпшити електричні й частотні властивості транзисторів. Але все-таки велика частина термоактивационного процесів їм на користь явно не йде.
Найбільш "впливові" на свій шкідливому впливу дві групи таких процесів. Перша - електрохімічне руйнування металізації (ЕЛЕКТРОМІГРАЦІЯ). Під впливом електричного поля й підвищеної температури атоми металу зриваються зі своїх насиджених місць і мігрують у прилеглі області. З плином часу товщина провідника може значно зменшитися (з різким збільшенням активного опору на цій ділянці), так що навіть при відносно малому струмі в умовах локального перегріву цілком імовірний обрив (вигоряння) ділянки доріжки і наступний за ним вихід з ладу групи транзисторів, функціонального вузла і всієї ІС в цілому. Незважаючи на те, що 0.18-ти мікрометровая технологія виробництва процесорів Pentium 4 і Athlon XP закладає досить непоганий імунітет до електроміграціі і робить цей процес практично рівноважним, забезпечуючи сприятливі умови для зворотної дифузії, вже при температурах 75 - 85 ° C і вище рівновага порушується з усіма наслідками, що випливають звідси наслідками. Друга група явищ - деградація оксиду. Технологічно неможливо забезпечити ідеальну чистоту плівки двоокису кремнію, що використовується в якості діелектрика під затвором транзисторів. У ній завжди присутні домішки (зазвичай донорного типу), які зосереджуються поблизу внутрішньої поверхні плівки (на межі розділу між діелектриком і кремнієм). Іони домішок сприяють утворенню побічних інверсних або збагачених шарів (паразитних каналів) у поверхні напівпровідника під діелектриком, які впливають на зворотний струм pn-переходів і величину пробивної напруги. Під впливом поля (в 0.18 мкм транзисторах напруженість поля досягає 106 В / см) і градієнтів температури відбувається дрейф і дифузія іонів в діелектрику, що призводить до зміни властивостей самого діелектрика і суттєвих змін електропровідності і протяжності паразитних каналів в напівпровіднику (отже - до порушення нормального функціонування транзистора за рахунок значних флуктуацій струму), а в самому "занедбаному" випадку - до пробою діелектрика або pn-переходу стоку навіть при відносно низьких температурах. Ситуація ще більш ускладнюється через чималої кількості додаткових іонів, які мігрують в окисел з інших областей транзистора (високолеговані витік і стік, омические контакти, полікремнієвої затвор), причому, знову ж таки, це відбувається під впливом високої температури
1.1 Охолодження корпусу ПК
Правильне охолодження процесора, так само як і інших пристроїв ПК можливо лише при правильному охолодженні корпуса ПК і правильної організації повітряних потоків усередині нього. У насиченому сучасними компонентами комп'ютері іноді спостерігається своєрідний ефект доміно, пов'язаний з лавиноподібним наростанням перегріву. Припустимо, що в комп'ютері встановлені потужні процесор, відеокарта, звукова карта, парочка високооборотних жорстких дисків. Локальне охолодження кожного елемента начебто забезпечується нормально. Але власні вентилятори компонентів розраховані на прокачування повітря, що поступає з температурою не вище 30-35 градусів. Може скластися ситуація, коли вентилятор буде отримувати повітря від працьовитого сусіда, сильно нагрівається в процесі роботи. Природно, що почне перегріватися охолоджувана їм мікросхема, що викликає загальне підвищення температури повітря всередині корпусу. Всі вентилятори і мікросхеми будуть отримувати гаряче повітря, і далі процес візьме лавинний характер, у результаті комп'ютер у кращому випадку зависне, хоча не виключений і варіант виходу з ладу будь-якого елемента. Симптомами проблем з охолодженням зазвичай служать періодичні зависання комп'ютера без видимих зовнішніх причин, несподівані відмови в роботі відеокарти, жорстких дисків і інших компонентів з високим енергоспоживанням. Іноді комп'ютер відмовляється працювати при підвищенні температури зовнішнього повітря (взимку - при розташуванні поблизу опалювальних приладів). Специфікація ATX в першій редакції передбачала пасивний радіатор на процесорі, що обдувається вентилятором на блоці живлення. Із зростанням тепловиділення процесорів на них почали встановлювати окремі вентилятори. Сучасна специфікація ATX вимагає спеціальний воздухоотвод, розташований навпроти процесора, по якому тепле повітря видаляється за межі корпусу ПК. Сучасні стандарти з конструювання корпусів комп'ютерів серед іншого регламентують і спосіб побудови системи охолодження. Починаючи ще з систем на базі Intel Pentium II, випуск яких був початий в 1997 році, впроваджується технологія охолодження комп'ютера наскрізним повітряним потоком, спрямованим від передньої стінки корпусу до задньої (додатково повітря для охолодження всмоктується через ліву стінку).
Як мінімум один вентилятор встановлений в блоці живлення комп'ютера (багато сучасні моделі мають два вентилятори, що дозволяє істотно знизити швидкість обертання кожного з них, а, значить, і шум при роботі). У будь-якому місці всередині корпусу комп'ютера можна встановлювати додаткові вентилятори для посилення потоків повітря. Обов'язково потрібно слідувати правилу: на передній і лівої бічний стінці повітря нагнітається всередину корпусу, на задній стінці гаряче повітря викидається назовні. Також потрібно проконтролювати, щоб потік гарячого повітря від задньої стінки комп'ютера не потрапляв прямо в повітрозабір на лівій стінці комп'ютера (таке трапляється при певних положеннях системного блоку щодо стін кімнати і меблів). Які вентилятори встановлювати, залежить в першу чергу від наявності відповідних кріплень в стінках корпусу. Шум вентилятора головним чином визначається швидкістю його обертання, тому рекомендується використовувати повільні (тихі) моделі вентиляторів. При рівних настановних розмірах і швидкості обертання, вентилятори на задній стінці корпусу суб'єктивно шумлять трохи менше передніх: по-перше, вони знаходяться далі від користувача, по-друге, позаду корпусу розташовані майже прозорі грати, в той час як спереду - різні декоративні елементи. Часто шум створюється внаслідок огинання елементів передньої панелі повітряним потоком: якщо переносимий обсяг повітряного потоку перевищує деяку межу, на передній панелі корпуса комп'ютера утворюються вихрові турбулентні потоки, які створюють характерний шум.
Сучасна схема розподілу повітряних потоків усередині корпусу ПК виглядає наступним чином: Рисунок1.
Сучасна специфікація охолодження корпусу ПК
2 Огляд різних технологій охолодження
2.1 Основні компоненти системи повітряного охолодження
Радіатор служить для розподілу тепла охолоджуваного об'єкта (у нашому випадку - ядра процесора) у навколишнє середовище. Він повинен перебувати в безпосередньому фізичному контакті з охолоджуваних об'єктом. Так як тепло від одного тіла до іншого передається через поверхню, то площа контакту радіатора і процесора повинна бути якомога більшою. Сторона, якої 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 встановлений вентилятор, то процес такого відводу тепла називається випромінюванням. Збільшити ефективність випромінювання можна, якщо підвищити площу поверхні радіатора. Для цього вони виготовляються ребристими: на основу встановлюються ребра, з яких і відбувається відвід тепла в навколишнє середовище. Ребра мають 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 підставу буде нагріватися сильніше, ніж його ребра. Охолодження в цьому випадку буде неефективним. У радіаторів з високою теплопровідністю температура підстави і кінчика ребер розрізняється незначно й тепло ефективно відводиться зі всієї 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 буде мати 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 те ж кількість теплоти, яке отримало 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.Удельние теплопровідність і теплоємність металів. Ідеального матеріалу для створення радіатора не існує. Срібло має найвищу теплопровідність, але це дуже дорогий метал, так 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, більшу, 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. У цьому немає сенсу з 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 суто алюмінієві, але це вже залежить від конкретного виробника радіаторів. Тому що, як правило, радіатори з мідною основою і алюмінієвими ребрами охолоджують краще, ніж суто алюмінієві, а мідні охолоджують ще лучше.Помімо 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 має безперешкодно і рівномірно проходити по всій поверхні радіатора. Турбулентність (завихрення повітряного потоку) в радіаторі, як правило, покращує відведення 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 не 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.
2.2 Конструкція радіаторів
Взагалі, конструкція радіаторів - це тема для окремої статті. У 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 разі, якщо радіатор зроблений за технологією витискування, "Extrusion" або кування / плавлення "Forging" / "Melting"), тонкі ребра, плоскі пластинчасті ребра, впрессованной 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 бандажними скобами. Нерідко в радіаторах застосовуються теплопровідні трубки - герметичні судини 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. Основні показники, що характеризують вентилятор, це: швидкість повітряного потоку, об'єм повітря, при перегоні їм у хвилину, споживана потужність, частота обертання лопатей і рівень шуму. Швидкість повітряного потоку вимірюється в лінійних футів за 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 футів за 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 у мінуту.Потребляемая потужність визначається двигуном, встановленим у вентиляторі, і дорівнює споживаному струму, помноженому на робоче напруга вентилятора. Зараз переважна частина вентиляторів для комп'ютерних кулерів працюють на напрузі 12 Вольт. Раніше, в кулери 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, двигун 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, що мають регулювання частоти обертання лопатей. Частота обертання лопат - так само дуже важливий параметр. Вона визначається конструкцією вентилятора, потужністю і потужністю двигуна. Ця величина вимірюється в обертах за хвилину (Об / хв. Або RPM - 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 метрів за 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. Рівень шуму вимірюється в децибелах і звичайно позначається як дБ або dB. Скажу лише, що зараз "безшумними" вважаються кулери, які 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 2 000 до 8 000 оборотів в хвилину. Вже при 7 000 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 з швидкими 60-міліметровими вентиляторами, що мають частоту обертання лопат 6 000 - 7 000 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 складає від 22 до 50 CFM, а рівень шуму - від 17 до 35 дБ. Вісь пропелера у 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, із-за своєї низької надійності не використовуються у 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. У 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 - найбільш 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, що використовують два обидва типи підшипників, мають середній час напрацювання на відмову 40 000 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 хороше співвідношення продуктивність / шум. Звичайний вентилятор, з пропелером - це осьовий вентилятор, в ньому потік повітря прямує уздовж осі вращенія.Радіальние вентилятори отримали назву "бловери" (від англ. Blow - дути). У бловере повітряний потік прямує під кутом 90 градусів до осі двигуна. Замість пропелера з лопатами в радіальних вентиляторах використовуються барабани, або як їх прийнято називати, крильчатки. Цей тип вентиляторів вимагає установки двигунів 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 володіє меншою турбулентністю, більшою швидкістю, а крім того - радіальні вентилятори позбавлені "мертвої зони". У звичайних, осьових, вентиляторах двигун розташований в центрі. Іноді двигун займає значну частину "активної" площі вентилятора, площі, утвореною окружністю пропелера. Під двигуном швидкість повітряного потоку незрівнянно нижче, ніж під лопатками. Вже на деякій відстані швидкості повітря під вентилятором вирівнюється на всій площі, але це відстань вже може бути за межами основи радіатора. На жаль, як правило, "мертва зона" розташована над центром радіатора, в тому місці, де розташоване 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 мали 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 двигун 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, у центрі пропелера встановлена лише вісь, а площа "мертвої зони" знижена в кілька разів. Все це відноситься до осьових 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 трьохконтактним Molex-конекторами. 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, що 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 системних плат і комп'ютери в цілому мають захист від перегріву процесорів, у 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 всього з одним проводка, по якому передаються дані про частоту обертання пропелера. У результаті і кулер може працювати без небезпеки пошкодження плати і сигналізація апаратного моніторингу залишається активною. Останнім часом гонка продуктивності настільних ПК піднялася на новий рівень. Зростають тактові частоти, обчислювальні потужності, перехід на багатоядерних архітектуру і впровадження архітектури х64 покликане підняти продуктивність ПК на новий рівень. Але є зворотний бік медалі. При збільшенні тактових частот відповідно збільшується тепловиділення електронних компонентів. Так як у електронних схем працездатність забезпечується при вузькому діапазоні температур, то збільшення тепловиділення не може відбуватися нескінченно. Для вирішення цієї проблеми можна піти декількома шляхами: по-перше, впровадження нових процесорних архітектур, технологічних процесів дозволяє знизити тепловиділення, але при появі старших процесорів сімейства це перевага втрачається. Існує другий шлях - удосконалити системи охолодження процесорів. Саме в цьому напрямку зараз йде більшість виробників процесорів. За останні кілька років еволюція систем охолодження пройшла шлях від радіаторів, якими задовольнялися процесори Intel 80486 до сучасних систем охолодження на основі теплових трубок. У даному курсовому проекті розглянуті загальні принципи систем охолодження, склад традиційних систем охолодження. Також проведено порівняння різних систем охолодження. Виявлено переваги і недоліки основних сучасних систем, проведений їх порівняльний аналіз. На закінчення розглядаються сучасні перспективні технології охолодження, які знайдуть місце в процесорах наступного дня.
1 Негативний вплив нагріву і заходи щодо його усунення
Нагрівання кристалу інтегральної схеми (ІС) у процесі її функціонування - факт абсолютно очевидний і неминучий. Протікання струму в провіднику (напівпровіднику) обов'язково супроводжується виділенням у ньому теплової потужності, і оскільки сам провідник (напівпровідник) має цілком кінцеву теплопровідність, його температура виявляється вище температури навколишнього середовища. Корпус мікросхеми та різні внутрішні захисні / ізолюючі шари, які, як правило, мають меншу теплопровідність, ніж провідникові або напівпровідникові матеріали, ще більше погіршують ситуацію, утруднюючи тепловідвід від кристала ІС та істотно збільшуючи його температуру.
У принципі, дуже високі (або навпаки, екстремально низькі) температури були б зовсім не страшні, якби не чітка залежність правильної і транзисторів ІС і структури їх з'єднань від температурних умов. У результаті робочий температурний діапазон для "середньостатистичної" ІС виходить досить вузьким - як правило, від -40 до
Найбільш "впливові" на свій шкідливому впливу дві групи таких процесів. Перша - електрохімічне руйнування металізації (ЕЛЕКТРОМІГРАЦІЯ). Під впливом електричного поля й підвищеної температури атоми металу зриваються зі своїх насиджених місць і мігрують у прилеглі області. З плином часу товщина провідника може значно зменшитися (з різким збільшенням активного опору на цій ділянці), так що навіть при відносно малому струмі в умовах локального перегріву цілком імовірний обрив (вигоряння) ділянки доріжки і наступний за ним вихід з ладу групи транзисторів, функціонального вузла і всієї ІС в цілому. Незважаючи на те, що 0.18-ти мікрометровая технологія виробництва процесорів Pentium 4 і Athlon XP закладає досить непоганий імунітет до електроміграціі і робить цей процес практично рівноважним, забезпечуючи сприятливі умови для зворотної дифузії, вже при температурах 75 -
1.1 Охолодження корпусу ПК
Правильне охолодження процесора, так само як і інших пристроїв ПК можливо лише при правильному охолодженні корпуса ПК і правильної організації повітряних потоків усередині нього. У насиченому сучасними компонентами комп'ютері іноді спостерігається своєрідний ефект доміно, пов'язаний з лавиноподібним наростанням перегріву. Припустимо, що в комп'ютері встановлені потужні процесор, відеокарта, звукова карта, парочка високооборотних жорстких дисків. Локальне охолодження кожного елемента начебто забезпечується нормально. Але власні вентилятори компонентів розраховані на прокачування повітря, що поступає з температурою не вище 30-35 градусів. Може скластися ситуація, коли вентилятор буде отримувати повітря від працьовитого сусіда, сильно нагрівається в процесі роботи. Природно, що почне перегріватися охолоджувана їм мікросхема, що викликає загальне підвищення температури повітря всередині корпусу. Всі вентилятори і мікросхеми будуть отримувати гаряче повітря, і далі процес візьме лавинний характер, у результаті комп'ютер у кращому випадку зависне, хоча не виключений і варіант виходу з ладу будь-якого елемента. Симптомами проблем з охолодженням зазвичай служать періодичні зависання комп'ютера без видимих зовнішніх причин, несподівані відмови в роботі відеокарти, жорстких дисків і інших компонентів з високим енергоспоживанням. Іноді комп'ютер відмовляється працювати при підвищенні температури зовнішнього повітря (взимку - при розташуванні поблизу опалювальних приладів). Специфікація ATX в першій редакції передбачала пасивний радіатор на процесорі, що обдувається вентилятором на блоці живлення. Із зростанням тепловиділення процесорів на них почали встановлювати окремі вентилятори. Сучасна специфікація ATX вимагає спеціальний воздухоотвод, розташований навпроти процесора, по якому тепле повітря видаляється за межі корпусу ПК. Сучасні стандарти з конструювання корпусів комп'ютерів серед іншого регламентують і спосіб побудови системи охолодження. Починаючи ще з систем на базі Intel Pentium II, випуск яких був початий в 1997 році, впроваджується технологія охолодження комп'ютера наскрізним повітряним потоком, спрямованим від передньої стінки корпусу до задньої (додатково повітря для охолодження всмоктується через ліву стінку).
Як мінімум один вентилятор встановлений в блоці живлення комп'ютера (багато сучасні моделі мають два вентилятори, що дозволяє істотно знизити швидкість обертання кожного з них, а, значить, і шум при роботі). У будь-якому місці всередині корпусу комп'ютера можна встановлювати додаткові вентилятори для посилення потоків повітря. Обов'язково потрібно слідувати правилу: на передній і лівої бічний стінці повітря нагнітається всередину корпусу, на задній стінці гаряче повітря викидається назовні. Також потрібно проконтролювати, щоб потік гарячого повітря від задньої стінки комп'ютера не потрапляв прямо в повітрозабір на лівій стінці комп'ютера (таке трапляється при певних положеннях системного блоку щодо стін кімнати і меблів). Які вентилятори встановлювати, залежить в першу чергу від наявності відповідних кріплень в стінках корпусу. Шум вентилятора головним чином визначається швидкістю його обертання, тому рекомендується використовувати повільні (тихі) моделі вентиляторів. При рівних настановних розмірах і швидкості обертання, вентилятори на задній стінці корпусу суб'єктивно шумлять трохи менше передніх: по-перше, вони знаходяться далі від користувача, по-друге, позаду корпусу розташовані майже прозорі грати, в той час як спереду - різні декоративні елементи. Часто шум створюється внаслідок огинання елементів передньої панелі повітряним потоком: якщо переносимий обсяг повітряного потоку перевищує деяку межу, на передній панелі корпуса комп'ютера утворюються вихрові турбулентні потоки, які створюють характерний шум.
Сучасна схема розподілу повітряних потоків усередині корпусу ПК виглядає наступним чином: Рисунок1.
Сучасна специфікація охолодження корпусу ПК
2 Огляд різних технологій охолодження
2.1 Основні компоненти системи повітряного охолодження
Радіатор служить для розподілу тепла охолоджуваного об'єкта (у нашому випадку - ядра процесора) у навколишнє середовище. Він повинен перебувати в безпосередньому фізичному контакті з охолоджуваних об'єктом. Так як тепло від одного тіла до іншого передається через поверхню, то площа контакту радіатора і процесора повинна бути якомога більшою. Сторона, якої 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 встановлений вентилятор, то процес такого відводу тепла називається випромінюванням. Збільшити ефективність випромінювання можна, якщо підвищити площу поверхні радіатора. Для цього вони виготовляються ребристими: на основу встановлюються ребра, з яких і відбувається відвід тепла в навколишнє середовище. Ребра мають 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 підставу буде нагріватися сильніше, ніж його ребра. Охолодження в цьому випадку буде неефективним. У радіаторів з високою теплопровідністю температура підстави і кінчика ребер розрізняється незначно й тепло ефективно відводиться зі всієї 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 буде мати 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 те ж кількість теплоти, яке отримало 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.Удельние теплопровідність і теплоємність металів. Ідеального матеріалу для створення радіатора не існує. Срібло має найвищу теплопровідність, але це дуже дорогий метал, так 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, більшу, 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. У цьому немає сенсу з 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 суто алюмінієві, але це вже залежить від конкретного виробника радіаторів. Тому що, як правило, радіатори з мідною основою і алюмінієвими ребрами охолоджують краще, ніж суто алюмінієві, а мідні охолоджують ще лучше.Помімо 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 має безперешкодно і рівномірно проходити по всій поверхні радіатора. Турбулентність (завихрення повітряного потоку) в радіаторі, як правило, покращує відведення 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 не 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.
2.2 Конструкція радіаторів
2.3 Термічний опір системи охолодження
Вище ми говорили про складові комп'ютерних кулерів, 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 охолоджувальних 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 охолоджувального пристрою. Ця характеристика - термічний опір. Він вимірюється в Цельсіях на Ват (C / W) і визначає, наскільки підніметься температура процесора при збільшенні його тепловиділення на один Ват. 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, яка рекламує низьке термоопір своїх охолоджувачів, але на ділі виявляється, що ця величина далека від реальної. Тому я рекомендую дивитися на інші характеристики кулерів - 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 та подряпини 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, що 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 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 із зерном 0.38 мкм і теплопровідністю 8 Вт / м * K. Контакт радіатора і процесора з тепловим інтерфейсом, що має дрібну зернистість. 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 і 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 повітряний кулер Titan .. Незважаючи на те, що це досить дорогою теплової інтерфейс, вартість свою вона виправдовує. Хороша термопаста завжди зберігає свою плинність: вона ніколи не зсихається, не розповзається і не випливає.
3 Альтернативні способи і технології охолодження
3.1 Елементи Пельтье
Незважаючи на те, що параметри традиційних кольорів безперервно поліпшуються, останнім часом на комп'ютерному ринку з'явилися і спеціальні засоби охолодження електронних елементів, засновані на термоелектричних ефекти в напівпровідниках. Зокрема, на думку фахівців, напівпровідникові термоелектричні модулі, охолоджуючі властивості яких засновані на ефекті Пельтье, надзвичайно перспективні для створення необхідних умов експлуатації комп'ютерних компонентів. До речі, подібні засоби вже багато років успішно застосовуються в різних галузях науки і техніки. Так, у 60-70-х роках минулого століття вітчизняна промисловість робила неодноразові спроби випуску побутових малогабаритних холодильників на основі ефекту Пельтьє. Однак недосконалість технологій того часу, низькі значення ККД та високі ціни не дозволили подібних пристроїв покинути науково-дослідні лабораторії і випробувальні стенди. Тим не менш, в процесі вдосконалення технологій багато негативні явища вдалося істотно послабити, і в результаті цих зусиль були створені високоефективні і надійні напівпровідникові модулі. В останні роки такі модулі, робота яких заснована на ефекті Пельтье, стали активно використовувати для охолодження різноманітних електронних компонентів комп'ютерів. Зокрема, їх почали застосовувати для охолодження високопродуктивних процесорів з високим рівнем теплоутворення. Завдяки своїм тепловим і експлуатаційним властивостям пристрої, створені на основі термоелектричних модулів (модулів Пельтьє), дозволяють досягти необхідного рівня охолодження комп'ютерних елементів без особливих технічних труднощів і фінансових витрат. Як кулерів електронних компонентів такі засоби надзвичайно перспективні: вони компактні, зручні, надійні і володіють дуже високою ефективністю. Особливо великий інтерес напівпровідникові кулери представляють в якості засобів, що забезпечують інтенсивне охолодження в комп'ютерних системах, елементи яких встановлені та експлуатуються в жорстких форсованих режимах. Використання таких режимів розгону (overclocking) часто забезпечує значний приріст продуктивності електронних компонентів, а отже, і всієї системи. Однак робота в подібних режимах супроводжується значним тепловиділенням і нерідко перебуває на межі можливостей комп'ютерних архітектур і мікроелектронних технологій. Необхідно відзначити, що високим тепловиділенням супроводжується робота не тільки процесорів, але й сучасних високопродуктивних відеоадаптерів, а в деяких випадках і модулів пам'яті. Ці потужні елементи вимагають для коректної роботи інтенсивного охолодження навіть в штатних режимах і тим більше в режимах розгону.
3.1.1 Ефект Пельтьє
У кулерах Пельтье використовується так званий термоелектричний холодильник, дія якого заснована на ефекті Пельтье. Даний ефект названий на честь французького годинникаря Пельтье (1785-1845), який зробив своє відкриття понад півтора століття тому - у 1834 р . В експериментах Пельтье було встановлено, що при проходженні електричного струму через контакт двох провідників, зроблених з різних матеріалів, крім традиційного джоулева тепла, виділяється або поглинається (залежно від напряму струму) додаткове тепло. Кількість виділеної або поглинається теплоти пропорційно силі струму. Це явище було названо явищем Пельтье, а додаткове тепло отримало назву тепла Пельтье. Ступінь прояву даного ефекту в значній мірі залежить від матеріалів обраних провідників і використовуваних електричних режимів. Описаний ефект за своєю суттю обернений раніше відкритого явищу Зеєбека, що спостерігається в замкнутому електричному ланцюзі, що складається з різнорідних металів або напівпровідників. Якщо температури в місцях контактів металів або напівпровідників різняться, то в ланцюзі з'являється електричний струм. Це явище термоелектричного струму і було відкрито в 1821 р . німецьким фізиком Зеєбека (1770-1831). Класична теорія пояснює явище Пельтье тим, що електрони, що переносяться струмом з одного металу в іншій, прискорюються або сповільнюються під дією внутрішньої контактної різниці потенціалів між металами. У першому випадку кінетична енергія електронів збільшується і виділяється у вигляді тепла. У другому випадку кінетична енергія електронів зменшується, і ця спад енергії поповнюється за рахунок теплових коливань атомів другого провідника, в результаті чого відбувається охолодження. Більш повна теорія враховує зміну не потенційної енергії при перенесенні електрона з одного металу в іншій, а повної енергії. Ефект Пельтьє, як і багато термоелектричні явища, особливо сильно виражений в ланцюгах, складених з напівпровідників з електронною (n-тип) і діркової провідністю (p-тип). Такі напівпровідники, як відомо, називаються відповідно напівпровідниками n-і p-типу. Розглянемо термоелектричні процеси, що відбуваються при контакті таких напівпровідників. Припустимо, напрям електричного поля таке, що електрони в електронному і дірки в діркової напівпровіднику будуть рухатися назустріч один одному. Електрон з вільної зони напівпровідника n-типу після проходження через кордон розділу потрапляє в заповнену зону напівпровідника p-типу і там рекомбінує з діркою. У результаті рекомбінації вивільняється енергія, яка виділяється в контакті у вигляді тепла (малюнок 2).
Малюнок 2. Виділення тепла Пельтье в контакті
напівпровідників n-і p-типу.
При зміні напрямку електричного поля на протилежне електрони і дірки в напівпровідниках відповідного типу будуть рухатися в протилежні сторони. Дірки, що йдуть від кордону розділу, будуть поповнюватися в результаті утворення нових пар при переходах електронів із заповненої зони напівпровідника p-типу у вільну. На утворення таких пар потрібна енергія, яка поставляється тепловими коливаннями атомів решітки. Електрони і дірки, що утворюються при народженні таких пар, захоплюються електричним полем в протилежні сторони. Тому поки через контакт йде струм, безперервно відбувається народження нових пар, і в результаті в контакті поглинається тепло (малюнок 3).
Малюнок 3. Поглинання тепла Пельтье в контакті
напівпровідників n-і p-типу.
3.1.2 Модулі Пельтье
Об'єднання великої кількості пар напівпровідників p-і n-типу дозволяє створювати охолоджуючі елементи - термоелектричні модулі, або, як їх ще називають, модулі Пельтье, порівняно великої потужності. Структура напівпровідникового термоелектричного модуля Пельтье представлена на Малюнку 4.
Малюнок 4. Використання напівпровідників p-і n-типу в термоелектричних модулях.
Модуль Пельтьє - це термоелектричний холодильник, що складається з послідовно з'єднаних напівпровідників p-і n-типу, що утворюють pn-і np-переходи. Кожен з таких переходів має тепловий контакт з одним із двох радіаторів. У результаті проходження електричного струму певної полярності утворюється перепад температур між радіаторами модуля Пельтье: один радіатор працює як холодильник, інший нагрівається і служить для відводу тепла. Поміщений холодної стороною на поверхню захищається ним об'єкта термоелектричний модуль, заснований на ефекті Пельтье, по суті виступає як тепловий насос, перекачуючи тепло від цього об'єкта на гарячу бік модуля, охолоджувану повітряним або водяним кулером. Як будь-який тепловий насос, він описується формулами термодинаміки. Тому модулі Пельтье можна назвати не тільки термоелектричними, але і термодинамічними модулями. На малюнку 5 представлений зовнішній вигляд типового напівпровідникового термоелектричного модуля Пельтье.
Малюнок 5. Напівпровідниковий термоелектричний модуль Пельтье.
Типовий модуль забезпечує значний температурний перепад - у кілька десятків градусів. При відповідному примусовому охолодженні нагрівається радіатора другий радіатор (холодильник) дозволяє досягти від'ємних значень температур. Для збільшення різниці температур можливе каскадне включення термоелектричних модулів Пельтье (за умови адекватного їх охолодження). Це дозволяє порівняно простими, дешевими і надійними засобами отримати значний перепад температур і забезпечити ефективне охолодження елементів, що захищаються.
Малюнок. 6. Конструкція кулера з модулем Пельтье.
Пристрої охолодження на основі модулів Пельтье часто називають активними термоелектричними кулерами, або активними кулерами Пельтье, або просто кулерами Пельтье. Такий кулер зазвичай складається з термоелектричного модуля, що виконує функції теплового насоса, і знижують температуру гарячої сторони радіатора і охолоджуючого вентилятора. На рис. 6 представлена схема активного кулера, у складі якого використаний напівпровідниковий термоелектричний модуль. Використання термоелектричних модулів Пельтье в активних кулерах робить їх істотно більш ефективними в порівнянні зі стандартними кулерами на основі традиційних радіаторів і вентиляторів. Однак у процесі конструювання та використання кулерів з модулями Пельтье необхідно враховувати ряд специфічних особливостей, що випливають з конструкції модулів, їх принципу роботи, архітектури апаратних засобів комп'ютерів. Велике значення має потужність модуля Пельтье, яка, як правило, залежить від його розміру і від числа і параметрів використовуваних в ньому пар напівпровідників p-і n-типу. Модуль малої потужності не здатний забезпечити необхідний рівень охолодження, що призводить до порушення працездатності електронного елемента, наприклад, процесора, із-за перегріву. Однак застосування модулів дуже великої потужності може знизити температуру охолоджуючого радіатора до рівня конденсації вологи з повітря, що може привести до коротких замикань в електронних ланцюгах комп'ютера. Тут доречно нагадати, що відстань між провідниками на сучасних друкованих платах нерідко становить частки міліметрів. Тим не менше саме потужні модулі Пельтье в складі високопродуктивних кулерів і відповідні системи додаткового охолодження і вентиляції дозволили свого часу фірмам KryoTech і AMD в спільних дослідженнях розігнати процесори AMD, створені за традиційною технологією, до частоти, що перевищує 1 ГГц, тобто збільшити їх частоту майже у два рази в порівнянні зі штатним режимом. Необхідно ще підкреслити, що даний рівень продуктивності був досягнутий в умовах достатньої стабільності та надійності роботи процесорів у форсованих режимах. Наслідком же такого екстремального розгону став рекорд продуктивності серед процесорів архітектури і системи команд 80х86. Зауважимо тут, що фірма KryoTech прославилася не тільки своїми експериментами з екстремальним розгоном процесорів. Широку популярність здобули її установки глибокого охолодження комп'ютерних компонентів. Постачені відповідної електронною начинкою, вони виявилися затребуваними в складі платформ високопродуктивних серверів і робочих станцій. A компанія AMD отримала підтвердження високого рівня своїх виробів і багатий експериментальний матеріал для подальшого вдосконалення архітектури процесорів. До слова сказати, аналогічні дослідження проводилися також з процесорами корпорації Intel, і в них був зафіксований значний приріст продуктивності.
3.1.3 Особливості експлуатації модулів Пельтье
Напівпровідникові термоелектричні модулі Пельтье, що застосовуються в засобах охолодження електронних елементів, відрізняються порівняно високою надійністю. На відміну від холодильників, створених за традиційною технологією, вони не мають рухомих частин. Як зазначалося вище, для збільшення ефективності допускається каскадне включення модулів Пельтье, що дозволяє довести температуру корпусів електронних елементів до негативних значень навіть при значній потужності розсіювання. Однак, крім очевидних переваг, модулі Пельтье володіють і рядом специфічних властивостей, які необхідно враховувати при їх використанні у складі охолоджуючих засобів. Нижче ми розглянемо найважливіші особливості експлуатації цих модулів. Термоелектричні модулі відрізняються відносно низьким холодильним коефіцієнтом і, виконуючи функції теплового насоса, самі стають потужними джерелами тепла. Використання їх у складі засобів охолодження викликає значне зростання температури усередині системного блоку, створюючи труднощі для роботи не тільки захищаються елементів та їх систем охолодження, але і для інших компонентів комп'ютера. Це означає, що потрібні додаткові кошти для зниження температури, зокрема, радіатори і вентилятори в конструктиві корпусу, поліпшують теплообмін з навколишнім середовищем. Найбільш відповідне рішення з повітряних засобів охолодження - технологія теплового вихлопу, наприклад, конструкції типу OTES (Outside Thermal Exhaust System) від Abit. З іншого боку, в процесі роботи кулерів Пельтье надлишкової потужності встановлюються низькі температури, сприяють конденсації вологи з повітря. Це становить небезпеку для електронних компонентів, так як конденсат може викликати короткі замикання між елементами. Щоб уникнути цього, потрібно підбирати кулери Пельтье оптимальної потужності. Сконденсовану чи ні, залежить від декількох параметрів, з яких найбільше значення мають температура навколишнього середовища (в даному випадку повітря усередині корпусу), температура охолоджуваного об'єкту і вологість повітря. Чим тепліше повітря всередині корпусу і чим більше його вологість, тим імовірніше конденсація вологи. Модулі Пельтье також створюють порівняно велику додаткове навантаження на блок живлення комп'ютера - з огляду на значення споживаного ними струму, потужність блоку живлення повинна бути не менше 300 Вт. У такій ситуації доцільно вибирати системні плати і корпусу конструктиву ATX, що полегшує організацію оптимальних теплового та електричного режимів, з блоками живлення достатньої потужності. У разі виходу з ладу модуль Пельтье ізолює охолоджуваний елемент від радіатора кулера. Це дуже швидко призводить до порушення теплового режиму захищається елемента і його перегріву. Тому доцільно використовувати якісні модулі від відомих виробників. Такі модулі мають високу надійність, ресурс їх роботи нерідко перевищує 1 млн. год
3.1.4 Ефективність використання модулів Пельтье
Ефективність використання модулів Пельтье залежить від вибору відповідної моделі та встановлення відповідних режимів її експлуатації. Необхідно відзначити, що неоптимальні потужність і режим роботи кулера можуть навіть призвести до виходу з ладу охолоджуваних компонентів. Засоби охолодження, представлені, як правило, радіатором і вентилятором, повинні не тільки розсіювати досить потужний тепловий потік, а й забезпечувати низький рівень температури гарячої сторони модуля Пельтье. Пов'язано це з тим, що модуль забезпечує різницю температур гарячої та холодної своїх сторін, тому чим нижче буде температура гарячої його боку (за рахунок охолодних засобів), тим нижче виявиться і температура холодної сторони, а, отже, і прилеглої поверхні охолоджуваного об'єкту. Якщо традиційні пристрої підтримки теплових режимів не володіють необхідними параметрами, рішенням може стати використання коштів водяного охолодження. До речі, слід звернути увагу, що, вибираючи відповідний по потужності хладообразованія модуль Пельтье, необхідно задіяти всю поверхню гарячої та холодної сторін. В іншому випадку частини модуля, не стикаються з поверхнею, що захищається, наприклад, кристалу процесора, будуть тільки даремно витрачати електроенергію і виділяти тепло. Якщо ж площа, наприклад, холодної сторони модуля, зробленої з кераміки, перевищує площу контакту з охолоджуваних об'єктом, то слід застосовувати проміжні теплопровідні пластини достатніх розмірів і товщини. Проміжна пластина повинна бути зроблена з матеріалу з хорошою теплопровідністю, наприклад, з міді На жаль, описаним вище не вичерпуються всі проблеми застосування модулів Пельтье в складі кулерів. Справа в тому, що архітектура сучасних процесорів і деякі системні програми передбачають зміну енергоспоживання залежно від завантаження процесорів. До речі, це передбачено і стандартами енергозбереження, які підтримуються спеціальними функціями, вбудованими в апаратно-програмне забезпечення сучасних комп'ютерів. У звичайних умовах оптимізація роботи процесора і його енергоспоживання благотворно позначається як на тепловому режимі самого процесора, так і на загальному тепловому балансі. Проте режими з періодичною зміною енергоспоживання можуть погано поєднуватися із засобами охолодження процесорів, що використовують модулі Пельтье. Це пов'язано з тим, що кулери Пельтье, як правило, розраховані на безперервну роботу. У разі ж переходу процесора в режим зниженого енергоспоживання (і відповідно тепловиділення) температури корпусу і кристала процесора можуть помітно знизитися. Переохолодження ядра процесора здатне викликати тимчасову втрату його працездатності і стійке "зависання" комп'ютера. Нагадаємо, що відповідно до документації корпорації Intel мінімальна температура, при якій гарантується коректна робота серійних процесорів для настільних і серверних рішень, зазвичай становить +5 град.С (хоча, як показує практика, вони прекрасно працюють і при більш низьких температурах). Крім того, як зазначалося вище, низькі температури можуть викликати конденсацію вологи з повітря на холодних частинах системи охолодження, тобто на холодній стороні модуля Пельтье, а, отже, і на охолоджуваної поверхні, наприклад, процесора. Якщо використовується теплопровідних пластина, вода конденсується і на ній. Боротися з цим ефектом можна шляхом ізоляції від повітря холодних ділянок системи охолодження, наприклад, за допомогою спеціальних кілець з губчастої гуми. Саме такий спосіб обрали деякі виробники серійних кулерів, створених на основі термоелектричних модулів. Деякі проблеми можуть виникнути і в результаті роботи ряду вбудованих функцій, наприклад, керуючих вентиляторами кулерів. Зокрема, режими управління енергоспоживанням процесора в деяких системах передбачають зміну швидкості обертання охолоджуючих вентиляторів через вбудовані апаратні засоби системної плати. У звичайних умовах це значно покращує тепловий режим процесора, однак при використанні найпростіших активних кольорів, в конструкції яких не передбачені температурні датчики та засоби контролю, зменшення швидкості обертання може призвести до погіршення теплового режиму з фатальним результатом для процесора (через його перегріву працюючим модулем Пельтьє). Однак у випадку графічних процесорів кулери Пельтье можуть бути гарною альтернативою традиційним засобам охолодження. Робота таких процесорів супроводжується значним тепловиділенням, а режим їх функціонування зазвичай не схильний до різких змін. Щоб виключити проблеми з режимами змінюваного енергоспоживання, що викликають конденсацію вологи і можливе переохолодження, а в деяких випадках навіть перегрів елементів, що захищаються, доведеться відмовитися від використання подібних режимів і ряду вбудованих функцій. Однак як альтернативу можна використовувати системи охолодження, що передбачають інтелектуальні засоби управління кулерами Пельтье. Такі кошти можуть не тільки контролювати роботу вентиляторів, а й змінювати режими роботи самих термоелектричних модулів, використовуваних у складі активних кольорів. У найпростішому випадку це може бути мініатюрне термореле на основі біметалічної пластини, укріплене на модулі Пельтье і управляє роботою його охолоджуючого вентилятора. Роботи, спрямовані на вдосконалення систем забезпечення оптимальних температурних режимів електронних елементів, ведуть сьогодні багато лабораторій. Порівняно недавно в технічній пресі з'явилися повідомлення про експерименти з вбудовування мініатюрних термоелектричних модулів безпосередньо в мікросхеми процесорів для охолодження найбільш критичних їх структур. Таке рішення сприяє кращому охолоджуванню за рахунок зниження теплового опору і дозволяє значно підвищити робочу частоту і продуктивність процесорів. Про серйозність намірів розробників свідчать відповідні патенти, частина яких належить виробникам процесорів, наприклад, AMD.
3.2 Системи водяного охолодження.
3.2.1 Компоненти системи водяного охолодження.
У складі класичної СВО повинні бути наступні компоненти: водоблок, радіатор, помпа, резервуар, теплоносій. Не забуваймо також про штуцерах кожного з вузлів і сполучних шлангах. Водоблоки відбирають тепло від гріються компонентів ПК, передаючи їх енергію рідини в контурі СВО. Існують моделі, призначені для охолодження процесорів, чіпсетів, графічних чіпів (або ж відеокарт в цілому), модулів пам'яті, вінчестерів. При виборі теплосприймача слід звернути увагу на метал підстави (бажана мідь), універсальність кріплення. Деякі екземпляри можуть бути використані для охолодження будь-якого з таких компонентів - чіпсета, GPU, CPU. Перевагу потрібно віддавати моделям з розвиненою внутрішньою структурою (велика кількість штирьков або тонких ребер), хоча не зайвим буде ознайомитися з порівняльними тестами кандидатів на покупку. Виробництвом водоблоком займаються як компанії зі світовим ім'ям - Asetek, Alphacool, Swiftech, Thermaltake та ін, так і окремі фірми / ентузіасти (у нас добре відомі ProModz, Silentchill, Waterworker). Дітища провідних виробників часто демонструють вищу ефективність, ніж їх конкуренти, хоча бувають і винятки. Зверніть увагу: різниця в ціні між першими і останніми далеко не завжди відповідає можливого виграшу в продуктивності. Радіатор розсіює теплову енергію, накопичену рідиною при проходженні крізь водоблоки. Чим більша площа його ребер - тим вище запас міцності окремої системи. Ефективність радіатора багато в чому залежить від наявності його додаткового охолодження. У комп'ютерах переважно використовуються моделі під один, два або три 120-міліметрових вентилятора, хоча зустрічаються та інші. Нерідкі приклади застосування автомобільних (від так званих «грубок») і навіть декількох ребер радіаторів кімнатного опалення. Найчастіше для ефективного охолодження СВО одного компонента системного блоку досить мати в контурі мідний теплорассеіватель під один вентилятор, якщо ж TDP комплектуючих велика і / або планується охолоджувати декілька пристроїв одночасно, краще запастися більш габаритними моделями. Помпа призначена для прокачування рідини в контурі СО. Основні їх типи - заглибні (здатні працювати тільки при повному зануренні в теплоносій), зовнішні і універсальні. Існують як моделі, що живляться від 12-вольта лінії комп'ютерного БП, так і пристрої, розраховані на підключення до мережі ~ 220 В. Основні характеристики помп - обсяг рідини, що перекачується (вимірюється в літрах за годину роботи) і максимальна висота підйомного стовпа. Чим більше ці показники, тим ефективніше буде СВО. Достатній для середньостатистичної системи є помпа, здатна реально прокачати 400-600 літрів рідини за годину. Моделі потужніший часто мають підвищений рівень шуму і власного тепловиділення, вносячи і свою лепту в нагрів теплоносія, тому при виборі слід дотримувати баланс характеристик. Відзначимо, що потужність дешевих помп від маловідомих виробників найчастіше істотно нижче заявленої, тому купувати слід продукти іменитих брендів - Aquacomputer, Eheim, Hydor, Swiftech. Резервуар (розширювальний бачок) служить для зручності заправки системи та усунення повітряних пробок в контурі СВО. У принципі можна обійтися і без цього вузла, але тоді доведеться добре повозитися під час збирання та запуску «водянки». Робоча рідина (теплоносій) передає енергію від водоблоком до радіатора СВО. Найчастіше в домашніх системах використовується дистильована вода або спеціальні суміші на її основі з додаванням антикорозійних присадок і УФ-фарбників. Можна застосувати звичайну воду з крана, попередньо прокип'ятивши і охолодивши її. Для запобігання розмноження в рідині мікроорганізмів в контур додають звичайний спирт. Штуцери служать для з'єднання компонентів між собою. При побудові СВО потрібно використовувати тільки такі, які мають однаковий зовнішній діаметр - тоді не виникне проблем зі шлангами. Пам'ятайте, що дуже тонкі штуцери збільшують гідросопротівленіе контуру, знижуючи ефективність охолодження. Існують три основні види штуцерів - з насічкою або гладкі без фіксаторів, з затискними гайками і так звані push-on, які не вимагають додаткових пристосувань для надійної фіксації шлангів. Сполучні шланги можуть бути декількох типів - силіконові, ПВХ і армовані. Перші найбільш зручні, добре гнуться, не перегинаються, але дорогі. Полівінілхлоридні (ПВХ) шланги, призначені для використання в харчовій промисловості, найбільш доступні рядовому ентузіасту. Вони добре гнуться, однак при складанні СВО потрібно проявляти максимальну обережність, не допускаючи заломів. Третій тип - армовані - застосовуються в сантехніці. Їх надмірна жорсткість здатна викликати перекіс водоблоком при монтажі в системі і течі при використанні неякісних затискних хомутиків. Для надійної фіксації і усунення можливих протікань системи внутрішній діаметр сполучних трубок повинен бути на 1-2 мм менше, ніж зовнішній - штуцерів. Помпа СВО розвиває порівняно невисокий тиск, і якщо шланг надійно фіксується без допоміжних засобів, то додаткові затискачі і не знадобляться.
Висновок
На сьогоднішній день не існує проблеми охолодження, як такої, а існує проблема відбирання і перенесення тепла від поверхні процесора в навколишнє середовище. До систем охолодження пред'являються високі і часом взаємовиключні вимоги: вони повинні бути ефективними, безшумними, недорогими. Сьогодні існує кілька видів систем охолодження: класичне повітряне охолодження, системи водяного охолодження, системи для екстремального охолодження при розгоні на рідкому азоті, системи охолодження на теплових трубках і елементах Пельтье. Ефективність, доступність і низька ціна систем повітряного охолодження - це їх основні гідності, до недоліків відносяться відносно низька надійність та високий рівень шуму в порівнянні з іншими системами. Системи водяного охолодження - дорожчий і ефективний варіант, який застосовується в системах з великим тепловиділенням або більш високими вимогами до рівня шуму системи. Системи охолодження на рідкому азоті не знаходять широкого застосування у зв'язку з їх складністю експлуатації. В основному вони застосовуються при з'ясуванні частотного потенціалу процесорів оверклокерами які прагнуть розкрити частотний потенціал процесора, незважаючи на низьку стабільність роботи. Системи охолодження на елементах Пельтье застосовуються в особливо відповідальних випадках, так як вони досить дорогі і необхідно підбирати їх до кожної конкретної моделі процесора. Системи охолодження на теплових трубках отримують все більше застосування у зв'язку із здешевленням виробництва теплових трубок і зростання їх доступності для пересічного споживача.
Список використаної літератури
1. Мураховський В. І. Залізо ПК. Нові можливості. СПб.: Питер, 2005.
2 Світ ПК серпня 2005 мікропроцесори сьогодні і завтра.
3. www.overclockers.ru. - Intel Core 2 Duo Conroe - особливості розгону.
4. www.ferra.ru. - Процесори Intel Core 2 Duo Conroe.
5. www.ixbt.com. - Огляд архітектури Core
У кулерах Пельтье використовується так званий термоелектричний холодильник, дія якого заснована на ефекті Пельтье. Даний ефект названий на честь французького годинникаря Пельтье (1785-1845), який зробив своє відкриття понад півтора століття тому - у
Малюнок 2. Виділення тепла Пельтье в контакті
напівпровідників n-і p-типу.
При зміні напрямку електричного поля на протилежне електрони і дірки в напівпровідниках відповідного типу будуть рухатися в протилежні сторони. Дірки, що йдуть від кордону розділу, будуть поповнюватися в результаті утворення нових пар при переходах електронів із заповненої зони напівпровідника p-типу у вільну. На утворення таких пар потрібна енергія, яка поставляється тепловими коливаннями атомів решітки. Електрони і дірки, що утворюються при народженні таких пар, захоплюються електричним полем в протилежні сторони. Тому поки через контакт йде струм, безперервно відбувається народження нових пар, і в результаті в контакті поглинається тепло (малюнок 3).
Малюнок 3. Поглинання тепла Пельтье в контакті
напівпровідників n-і p-типу.
3.1.2 Модулі Пельтье
Об'єднання великої кількості пар напівпровідників p-і n-типу дозволяє створювати охолоджуючі елементи - термоелектричні модулі, або, як їх ще називають, модулі Пельтье, порівняно великої потужності. Структура напівпровідникового термоелектричного модуля Пельтье представлена на Малюнку 4.
Малюнок 4. Використання напівпровідників p-і n-типу в термоелектричних модулях.
Модуль Пельтьє - це термоелектричний холодильник, що складається з послідовно з'єднаних напівпровідників p-і n-типу, що утворюють pn-і np-переходи. Кожен з таких переходів має тепловий контакт з одним із двох радіаторів. У результаті проходження електричного струму певної полярності утворюється перепад температур між радіаторами модуля Пельтье: один радіатор працює як холодильник, інший нагрівається і служить для відводу тепла. Поміщений холодної стороною на поверхню захищається ним об'єкта термоелектричний модуль, заснований на ефекті Пельтье, по суті виступає як тепловий насос, перекачуючи тепло від цього об'єкта на гарячу бік модуля, охолоджувану повітряним або водяним кулером. Як будь-який тепловий насос, він описується формулами термодинаміки. Тому модулі Пельтье можна назвати не тільки термоелектричними, але і термодинамічними модулями. На малюнку 5 представлений зовнішній вигляд типового напівпровідникового термоелектричного модуля Пельтье.
Малюнок 5. Напівпровідниковий термоелектричний модуль Пельтье.
Типовий модуль забезпечує значний температурний перепад - у кілька десятків градусів. При відповідному примусовому охолодженні нагрівається радіатора другий радіатор (холодильник) дозволяє досягти від'ємних значень температур. Для збільшення різниці температур можливе каскадне включення термоелектричних модулів Пельтье (за умови адекватного їх охолодження). Це дозволяє порівняно простими, дешевими і надійними засобами отримати значний перепад температур і забезпечити ефективне охолодження елементів, що захищаються.
Малюнок. 6. Конструкція кулера з модулем Пельтье.
Пристрої охолодження на основі модулів Пельтье часто називають активними термоелектричними кулерами, або активними кулерами Пельтье, або просто кулерами Пельтье. Такий кулер зазвичай складається з термоелектричного модуля, що виконує функції теплового насоса, і знижують температуру гарячої сторони радіатора і охолоджуючого вентилятора. На рис. 6 представлена схема активного кулера, у складі якого використаний напівпровідниковий термоелектричний модуль. Використання термоелектричних модулів Пельтье в активних кулерах робить їх істотно більш ефективними в порівнянні зі стандартними кулерами на основі традиційних радіаторів і вентиляторів. Однак у процесі конструювання та використання кулерів з модулями Пельтье необхідно враховувати ряд специфічних особливостей, що випливають з конструкції модулів, їх принципу роботи, архітектури апаратних засобів комп'ютерів. Велике значення має потужність модуля Пельтье, яка, як правило, залежить від його розміру і від числа і параметрів використовуваних в ньому пар напівпровідників p-і n-типу. Модуль малої потужності не здатний забезпечити необхідний рівень охолодження, що призводить до порушення працездатності електронного елемента, наприклад, процесора, із-за перегріву. Однак застосування модулів дуже великої потужності може знизити температуру охолоджуючого радіатора до рівня конденсації вологи з повітря, що може привести до коротких замикань в електронних ланцюгах комп'ютера. Тут доречно нагадати, що відстань між провідниками на сучасних друкованих платах нерідко становить частки міліметрів. Тим не менше саме потужні модулі Пельтье в складі високопродуктивних кулерів і відповідні системи додаткового охолодження і вентиляції дозволили свого часу фірмам KryoTech і AMD в спільних дослідженнях розігнати процесори AMD, створені за традиційною технологією, до частоти, що перевищує 1 ГГц, тобто збільшити їх частоту майже у два рази в порівнянні зі штатним режимом. Необхідно ще підкреслити, що даний рівень продуктивності був досягнутий в умовах достатньої стабільності та надійності роботи процесорів у форсованих режимах. Наслідком же такого екстремального розгону став рекорд продуктивності серед процесорів архітектури і системи команд 80х86. Зауважимо тут, що фірма KryoTech прославилася не тільки своїми експериментами з екстремальним розгоном процесорів. Широку популярність здобули її установки глибокого охолодження комп'ютерних компонентів. Постачені відповідної електронною начинкою, вони виявилися затребуваними в складі платформ високопродуктивних серверів і робочих станцій. A компанія AMD отримала підтвердження високого рівня своїх виробів і багатий експериментальний матеріал для подальшого вдосконалення архітектури процесорів. До слова сказати, аналогічні дослідження проводилися також з процесорами корпорації Intel, і в них був зафіксований значний приріст продуктивності.
3.1.3 Особливості експлуатації модулів Пельтье
Напівпровідникові термоелектричні модулі Пельтье, що застосовуються в засобах охолодження електронних елементів, відрізняються порівняно високою надійністю. На відміну від холодильників, створених за традиційною технологією, вони не мають рухомих частин. Як зазначалося вище, для збільшення ефективності допускається каскадне включення модулів Пельтье, що дозволяє довести температуру корпусів електронних елементів до негативних значень навіть при значній потужності розсіювання. Однак, крім очевидних переваг, модулі Пельтье володіють і рядом специфічних властивостей, які необхідно враховувати при їх використанні у складі охолоджуючих засобів. Нижче ми розглянемо найважливіші особливості експлуатації цих модулів. Термоелектричні модулі відрізняються відносно низьким холодильним коефіцієнтом і, виконуючи функції теплового насоса, самі стають потужними джерелами тепла. Використання їх у складі засобів охолодження викликає значне зростання температури усередині системного блоку, створюючи труднощі для роботи не тільки захищаються елементів та їх систем охолодження, але і для інших компонентів комп'ютера. Це означає, що потрібні додаткові кошти для зниження температури, зокрема, радіатори і вентилятори в конструктиві корпусу, поліпшують теплообмін з навколишнім середовищем. Найбільш відповідне рішення з повітряних засобів охолодження - технологія теплового вихлопу, наприклад, конструкції типу OTES (Outside Thermal Exhaust System) від Abit. З іншого боку, в процесі роботи кулерів Пельтье надлишкової потужності встановлюються низькі температури, сприяють конденсації вологи з повітря. Це становить небезпеку для електронних компонентів, так як конденсат може викликати короткі замикання між елементами. Щоб уникнути цього, потрібно підбирати кулери Пельтье оптимальної потужності. Сконденсовану чи ні, залежить від декількох параметрів, з яких найбільше значення мають температура навколишнього середовища (в даному випадку повітря усередині корпусу), температура охолоджуваного об'єкту і вологість повітря. Чим тепліше повітря всередині корпусу і чим більше його вологість, тим імовірніше конденсація вологи. Модулі Пельтье також створюють порівняно велику додаткове навантаження на блок живлення комп'ютера - з огляду на значення споживаного ними струму, потужність блоку живлення повинна бути не менше 300 Вт. У такій ситуації доцільно вибирати системні плати і корпусу конструктиву ATX, що полегшує організацію оптимальних теплового та електричного режимів, з блоками живлення достатньої потужності. У разі виходу з ладу модуль Пельтье ізолює охолоджуваний елемент від радіатора кулера. Це дуже швидко призводить до порушення теплового режиму захищається елемента і його перегріву. Тому доцільно використовувати якісні модулі від відомих виробників. Такі модулі мають високу надійність, ресурс їх роботи нерідко перевищує 1 млн. год
3.1.4 Ефективність використання модулів Пельтье
Ефективність використання модулів Пельтье залежить від вибору відповідної моделі та встановлення відповідних режимів її експлуатації. Необхідно відзначити, що неоптимальні потужність і режим роботи кулера можуть навіть призвести до виходу з ладу охолоджуваних компонентів. Засоби охолодження, представлені, як правило, радіатором і вентилятором, повинні не тільки розсіювати досить потужний тепловий потік, а й забезпечувати низький рівень температури гарячої сторони модуля Пельтье. Пов'язано це з тим, що модуль забезпечує різницю температур гарячої та холодної своїх сторін, тому чим нижче буде температура гарячої його боку (за рахунок охолодних засобів), тим нижче виявиться і температура холодної сторони, а, отже, і прилеглої поверхні охолоджуваного об'єкту. Якщо традиційні пристрої підтримки теплових режимів не володіють необхідними параметрами, рішенням може стати використання коштів водяного охолодження. До речі, слід звернути увагу, що, вибираючи відповідний по потужності хладообразованія модуль Пельтье, необхідно задіяти всю поверхню гарячої та холодної сторін. В іншому випадку частини модуля, не стикаються з поверхнею, що захищається, наприклад, кристалу процесора, будуть тільки даремно витрачати електроенергію і виділяти тепло. Якщо ж площа, наприклад, холодної сторони модуля, зробленої з кераміки, перевищує площу контакту з охолоджуваних об'єктом, то слід застосовувати проміжні теплопровідні пластини достатніх розмірів і товщини. Проміжна пластина повинна бути зроблена з матеріалу з хорошою теплопровідністю, наприклад, з міді На жаль, описаним вище не вичерпуються всі проблеми застосування модулів Пельтье в складі кулерів. Справа в тому, що архітектура сучасних процесорів і деякі системні програми передбачають зміну енергоспоживання залежно від завантаження процесорів. До речі, це передбачено і стандартами енергозбереження, які підтримуються спеціальними функціями, вбудованими в апаратно-програмне забезпечення сучасних комп'ютерів. У звичайних умовах оптимізація роботи процесора і його енергоспоживання благотворно позначається як на тепловому режимі самого процесора, так і на загальному тепловому балансі. Проте режими з періодичною зміною енергоспоживання можуть погано поєднуватися із засобами охолодження процесорів, що використовують модулі Пельтье. Це пов'язано з тим, що кулери Пельтье, як правило, розраховані на безперервну роботу. У разі ж переходу процесора в режим зниженого енергоспоживання (і відповідно тепловиділення) температури корпусу і кристала процесора можуть помітно знизитися. Переохолодження ядра процесора здатне викликати тимчасову втрату його працездатності і стійке "зависання" комп'ютера. Нагадаємо, що відповідно до документації корпорації Intel мінімальна температура, при якій гарантується коректна робота серійних процесорів для настільних і серверних рішень, зазвичай становить +5 град.С (хоча, як показує практика, вони прекрасно працюють і при більш низьких температурах). Крім того, як зазначалося вище, низькі температури можуть викликати конденсацію вологи з повітря на холодних частинах системи охолодження, тобто на холодній стороні модуля Пельтье, а, отже, і на охолоджуваної поверхні, наприклад, процесора. Якщо використовується теплопровідних пластина, вода конденсується і на ній. Боротися з цим ефектом можна шляхом ізоляції від повітря холодних ділянок системи охолодження, наприклад, за допомогою спеціальних кілець з губчастої гуми. Саме такий спосіб обрали деякі виробники серійних кулерів, створених на основі термоелектричних модулів. Деякі проблеми можуть виникнути і в результаті роботи ряду вбудованих функцій, наприклад, керуючих вентиляторами кулерів. Зокрема, режими управління енергоспоживанням процесора в деяких системах передбачають зміну швидкості обертання охолоджуючих вентиляторів через вбудовані апаратні засоби системної плати. У звичайних умовах це значно покращує тепловий режим процесора, однак при використанні найпростіших активних кольорів, в конструкції яких не передбачені температурні датчики та засоби контролю, зменшення швидкості обертання може призвести до погіршення теплового режиму з фатальним результатом для процесора (через його перегріву працюючим модулем Пельтьє). Однак у випадку графічних процесорів кулери Пельтье можуть бути гарною альтернативою традиційним засобам охолодження. Робота таких процесорів супроводжується значним тепловиділенням, а режим їх функціонування зазвичай не схильний до різких змін. Щоб виключити проблеми з режимами змінюваного енергоспоживання, що викликають конденсацію вологи і можливе переохолодження, а в деяких випадках навіть перегрів елементів, що захищаються, доведеться відмовитися від використання подібних режимів і ряду вбудованих функцій. Однак як альтернативу можна використовувати системи охолодження, що передбачають інтелектуальні засоби управління кулерами Пельтье. Такі кошти можуть не тільки контролювати роботу вентиляторів, а й змінювати режими роботи самих термоелектричних модулів, використовуваних у складі активних кольорів. У найпростішому випадку це може бути мініатюрне термореле на основі біметалічної пластини, укріплене на модулі Пельтье і управляє роботою його охолоджуючого вентилятора. Роботи, спрямовані на вдосконалення систем забезпечення оптимальних температурних режимів електронних елементів, ведуть сьогодні багато лабораторій. Порівняно недавно в технічній пресі з'явилися повідомлення про експерименти з вбудовування мініатюрних термоелектричних модулів безпосередньо в мікросхеми процесорів для охолодження найбільш критичних їх структур. Таке рішення сприяє кращому охолоджуванню за рахунок зниження теплового опору і дозволяє значно підвищити робочу частоту і продуктивність процесорів. Про серйозність намірів розробників свідчать відповідні патенти, частина яких належить виробникам процесорів, наприклад, AMD.
3.2 Системи водяного охолодження.
3.2.1 Компоненти системи водяного охолодження.
У складі класичної СВО повинні бути наступні компоненти: водоблок, радіатор, помпа, резервуар, теплоносій. Не забуваймо також про штуцерах кожного з вузлів і сполучних шлангах. Водоблоки відбирають тепло від гріються компонентів ПК, передаючи їх енергію рідини в контурі СВО. Існують моделі, призначені для охолодження процесорів, чіпсетів, графічних чіпів (або ж відеокарт в цілому), модулів пам'яті, вінчестерів. При виборі теплосприймача слід звернути увагу на метал підстави (бажана мідь), універсальність кріплення. Деякі екземпляри можуть бути використані для охолодження будь-якого з таких компонентів - чіпсета, GPU, CPU. Перевагу потрібно віддавати моделям з розвиненою внутрішньою структурою (велика кількість штирьков або тонких ребер), хоча не зайвим буде ознайомитися з порівняльними тестами кандидатів на покупку. Виробництвом водоблоком займаються як компанії зі світовим ім'ям - Asetek, Alphacool, Swiftech, Thermaltake та ін, так і окремі фірми / ентузіасти (у нас добре відомі ProModz, Silentchill, Waterworker). Дітища провідних виробників часто демонструють вищу ефективність, ніж їх конкуренти, хоча бувають і винятки. Зверніть увагу: різниця в ціні між першими і останніми далеко не завжди відповідає можливого виграшу в продуктивності. Радіатор розсіює теплову енергію, накопичену рідиною при проходженні крізь водоблоки. Чим більша площа його ребер - тим вище запас міцності окремої системи. Ефективність радіатора багато в чому залежить від наявності його додаткового охолодження. У комп'ютерах переважно використовуються моделі під один, два або три 120-міліметрових вентилятора, хоча зустрічаються та інші. Нерідкі приклади застосування автомобільних (від так званих «грубок») і навіть декількох ребер радіаторів кімнатного опалення. Найчастіше для ефективного охолодження СВО одного компонента системного блоку досить мати в контурі мідний теплорассеіватель під один вентилятор, якщо ж TDP комплектуючих велика і / або планується охолоджувати декілька пристроїв одночасно, краще запастися більш габаритними моделями. Помпа призначена для прокачування рідини в контурі СО. Основні їх типи - заглибні (здатні працювати тільки при повному зануренні в теплоносій), зовнішні і універсальні. Існують як моделі, що живляться від 12-вольта лінії комп'ютерного БП, так і пристрої, розраховані на підключення до мережі ~ 220 В. Основні характеристики помп - обсяг рідини, що перекачується (вимірюється в літрах за годину роботи) і максимальна висота підйомного стовпа. Чим більше ці показники, тим ефективніше буде СВО. Достатній для середньостатистичної системи є помпа, здатна реально прокачати 400-600 літрів рідини за годину. Моделі потужніший часто мають підвищений рівень шуму і власного тепловиділення, вносячи і свою лепту в нагрів теплоносія, тому при виборі слід дотримувати баланс характеристик. Відзначимо, що потужність дешевих помп від маловідомих виробників найчастіше істотно нижче заявленої, тому купувати слід продукти іменитих брендів - Aquacomputer, Eheim, Hydor, Swiftech. Резервуар (розширювальний бачок) служить для зручності заправки системи та усунення повітряних пробок в контурі СВО. У принципі можна обійтися і без цього вузла, але тоді доведеться добре повозитися під час збирання та запуску «водянки». Робоча рідина (теплоносій) передає енергію від водоблоком до радіатора СВО. Найчастіше в домашніх системах використовується дистильована вода або спеціальні суміші на її основі з додаванням антикорозійних присадок і УФ-фарбників. Можна застосувати звичайну воду з крана, попередньо прокип'ятивши і охолодивши її. Для запобігання розмноження в рідині мікроорганізмів в контур додають звичайний спирт. Штуцери служать для з'єднання компонентів між собою. При побудові СВО потрібно використовувати тільки такі, які мають однаковий зовнішній діаметр - тоді не виникне проблем зі шлангами. Пам'ятайте, що дуже тонкі штуцери збільшують гідросопротівленіе контуру, знижуючи ефективність охолодження. Існують три основні види штуцерів - з насічкою або гладкі без фіксаторів, з затискними гайками і так звані push-on, які не вимагають додаткових пристосувань для надійної фіксації шлангів. Сполучні шланги можуть бути декількох типів - силіконові, ПВХ і армовані. Перші найбільш зручні, добре гнуться, не перегинаються, але дорогі. Полівінілхлоридні (ПВХ) шланги, призначені для використання в харчовій промисловості, найбільш доступні рядовому ентузіасту. Вони добре гнуться, однак при складанні СВО потрібно проявляти максимальну обережність, не допускаючи заломів. Третій тип - армовані - застосовуються в сантехніці. Їх надмірна жорсткість здатна викликати перекіс водоблоком при монтажі в системі і течі при використанні неякісних затискних хомутиків. Для надійної фіксації і усунення можливих протікань системи внутрішній діаметр сполучних трубок повинен бути на 1-2 мм менше, ніж зовнішній - штуцерів. Помпа СВО розвиває порівняно невисокий тиск, і якщо шланг надійно фіксується без допоміжних засобів, то додаткові затискачі і не знадобляться.
Висновок
На сьогоднішній день не існує проблеми охолодження, як такої, а існує проблема відбирання і перенесення тепла від поверхні процесора в навколишнє середовище. До систем охолодження пред'являються високі і часом взаємовиключні вимоги: вони повинні бути ефективними, безшумними, недорогими. Сьогодні існує кілька видів систем охолодження: класичне повітряне охолодження, системи водяного охолодження, системи для екстремального охолодження при розгоні на рідкому азоті, системи охолодження на теплових трубках і елементах Пельтье. Ефективність, доступність і низька ціна систем повітряного охолодження - це їх основні гідності, до недоліків відносяться відносно низька надійність та високий рівень шуму в порівнянні з іншими системами. Системи водяного охолодження - дорожчий і ефективний варіант, який застосовується в системах з великим тепловиділенням або більш високими вимогами до рівня шуму системи. Системи охолодження на рідкому азоті не знаходять широкого застосування у зв'язку з їх складністю експлуатації. В основному вони застосовуються при з'ясуванні частотного потенціалу процесорів оверклокерами які прагнуть розкрити частотний потенціал процесора, незважаючи на низьку стабільність роботи. Системи охолодження на елементах Пельтье застосовуються в особливо відповідальних випадках, так як вони досить дорогі і необхідно підбирати їх до кожної конкретної моделі процесора. Системи охолодження на теплових трубках отримують все більше застосування у зв'язку із здешевленням виробництва теплових трубок і зростання їх доступності для пересічного споживача.
Список використаної літератури
1. Мураховський В. І. Залізо ПК. Нові можливості. СПб.: Питер, 2005.
2 Світ ПК серпня 2005 мікропроцесори сьогодні і завтра.
3. www.overclockers.ru. - Intel Core 2 Duo Conroe - особливості розгону.
4. www.ferra.ru. - Процесори Intel Core 2 Duo Conroe.
5. www.ixbt.com. - Огляд архітектури Core