Ядерная зима: Кульные дивайсы

Для стабильной работы полупроводников необходимо поддерживать их рабочую температуру в пределах нормы — проще говоря, хорошенько охлаждать. Чем ниже температура, тем стабильнее работа чипа при прочих равных условиях. 10−15 лет назад для охлаждения всего персонального компьютера хватало пары-тройки небольших алюминиевых радиаторов, не требующих обдува. Сегодня, купив новую видеокарту, можно получить рябь на экране или зависание системы всего лишь из-за неэффективного вентилятора. Возможностей штатных систем охлаждения, которыми комплектуют видеокарты и процессоры, часто не хватает для сдерживания пыла ядер даже middle-end группы, не говоря уже о hi-end решениях.

Еще один существенный недостаток штатного охлаждения — вечный гул и свист, раздающийся из системного блока. С течением времени уровень шума усиливается из-за грязи и пыли, попавших на лопасти вентиляторов. Когда почти на каждом элементе стоит по «карлсону», никуда от фонового шума не деться. Процессор, видеокарта (может быть и две, ведь технологии SLI и CrossFire сейчас очень популярны), северный мост, блок питания, жесткий диск — все эти компоненты должны обдуваться.

В итоге получаем около 6−8 вечно гудящих вентиляторов в корпусе. Плохое охлаждение и высокий уровень шума могут стать причиной многих проблем как с «железом», так и с нервами. К счастью, штатную систему охлаждения можно легко заменить на более эффективную и тихую.

Благодаря своей простоте и доступности на сегодняшний день наибольшей популярностью пользуется воздушное охлаждение. Существует два типа воздушных систем: пассивные (на греющийся элемент через термоинтерфейс крепится радиатор) и активные (если радиатор еще и обдувается вентилятором). Большую часть работы берет на себя радиатор. Чем более развитая у него конструкция, тем лучше отводится тепло. Чтобы эффективно охлаждать современные процессоры, воздушные кулеры приходится делать конструктивно очень сложными: медная полированная подошва и сильно развитая система ребер, чаще алюминиевых, соединяются посредством тепловых трубок. Это запаянные с обеих сторон полые трубочки с хладагентом внутри. Нагреваясь у подошвы, хладагент испаряется и передает тепло ребрам, а затем, конденсируясь, вновь возвращается к подошве. Такая конструкция позволяет максимально быстро и равномерно распределять тепло по всей поверхности ребер.

Системы охлаждения, рассчитанные на пассивную работу, имеют большие габаритные размеры. В пассивном охлаждении важна площадь оребрения, причем желательно, чтобы ребра находились на достаточном расстоянии друг от друга. Плюс пассивного охлаждения в том, что его не слышно, но минусов, к сожалению, гораздо больше. Для качественного охлаждения придется организовать хорошую циркуляцию воздуха внутри корпуса ПК, что не так-то просто. В любом случае самые «горячие» ядра так не остудить, а о разгоне (overclocking — увеличение тактовой частоты работы процессора) с пассивным охлаждением лучше сразу забыть.

Пожалуй, самый интересный продукт в сфере пассивного охлаждения — корпус компании Zalman, стенки которого представляют собой огромные алюминиевые радиаторы. Все греющиеся элементы внутри корпуса — процессор, чипсет, видеокарта, блок питания — оснащены собственными термоинтерфейсами, которые соединяются со стенками с помощью тепловых трубок, за счет чего и происходит их охлаждение. Цена такого удовольствия достаточно высока — около $1000.

Системы жидкостного охлаждения ПК работают точно так же, как система охлаждения двигателя автомобиля. Комплект представляет собой герметичный замкнутый контур, состоящий из теплообменника (или нескольких), забирающего тепло у греющегося элемента (ватерблок); теплообменника, отдающего это тепло воздуху (радиатор); насоса, прокачивающего хладагент через все эти компоненты (помпа) и собственно самого хладагента (обычно это вода с различными добавками). Иногда в контур добавляются различные дополнительные элементы, например резервуар, который упрощает заправку и увеличивает общее количество хладагента в системе, повышая тем самым ее инертность.

У систем жидкостного охлаждения есть два очень весомых плюса: это возможность добиться очень тихой работы (вплоть до бесшумной) и огромный запас производительности (даже low-end системы благодаря высокой теплопроводности воды способны охладить самые мощные процессоры). Конечно, такая система требует большего к себе внимания, ведь при протечке можно лишиться дорогостоящего «железа». Но при грамотной установке такие системы служат очень долго и не требуют ни дозаправок, ни обслуживания.

В отличие от вентиляторов воздушного охлаждения, которые создают циркуляцию воздуха внутри корпуса и побочно охлаждают все греющиеся компоненты ПК, ватерблоки жидкостных систем отводят тепло только от тех чипов, с которыми они непосредственно соприкасаются. Конструируя жидкостную систему, необходимо предусмотреть ватерблоки для всех греющихся компонентов (процессор, видеокарта, северный мост, жесткий диск). При этом многие менее заметные элементы электронных схем, ранее получавшие свою долю ветерка, теперь охлаждаться не будут. Это небольшой минус систем жидкостного охлаждения.

В прошлом году компания NanoCoolers анонсировала прототип системы охлаждения, построенной по принципу жидкостной, с металлическим хладагентом. Он представляет собой сплав двух металлов — индия и галлия, — который остается жидким при температуре от +100С. Теплопроводность такой смеси превышает теплопроводность воды в 65 раз, а воздуха в 1600. Металлический хладагент позволяет полностью отказаться от механической помпы в пользу электромагнитной (жидкость приходит в движение под действием переменного магнитного поля), делая систему абсолютно бесшумной. Данная технология впервые была применена для охлаждения реакторов атомных подводных лодок — шум механических помп значительно увеличивал риск обнаружения лодки неприятелем.

К сожалению, стоимость систем с металлическим хладагентом слишком высока для массового пользователя, а выигрыш в производительности по сравнению с «воздухом» или «водой» на практике составляет всего 5−30%.

Самые продвинутые системы охлаждения компьютера не увидишь в обычном компьютерном магазине. Они практически бесполезны для рядового пользователя и очень хлопотны в эксплуатации. Использование этих систем — удел энтузиастов вечной гонки за мегагерцами и «попугаями» (очками в программах, оценивающих производительность ПК).

Чиллер — это видоизмененный вариант жидкостной системы охлаждения. Вместо радиатора, отдающего тепло воздуху, в чиллерах используется устройство, работающее как кондиционер. Вода, проходя через это устройство, охлаждается до температур, близких к нулю. Уходить ниже нуля, используя такую систему, нерезонно: появляются проблемы с хладагентом, соединительными элементами и другими частями системы. Даже при +5−10°С проблем хватает: взять хотя бы конденсат, выпадающий на ватерблоках.

Если же речь идет об отрицательных температурах, то в дело вступают так называемые фреонки, или фазовые системы охлаждения. Они работают на основе фазового перехода хладагента (фреона или его современных аналогов, безопасных для озонового слоя) из жидкого в газообразное состояние. Этот переход сопровождается поглощением тепла, которое снимается с греющейся микросхемы. Один контур фазовой системы охлаждения способен поддерживать температуру от -300С до -400С на одном элементе (если охлаждать два и более процессоров, то температура резко повышается). Заядлые экстремалы сооружают многоконтурные системы фазового перехода, способные морозить ниже -1000С. Воздух, поступающий в корпус с низкотемпературной системой охлаждения, необходимо осушать во избежание образования росы и инея.

Конечно же, энтузиасты экстремального охлаждения не могли обойти вниманием жидкий азот. Температура его кипения составляет -1960С. Используя специальные медные стаканы, установленные на микросхему, можно охладить их до -1500С. Такой метод обычно используют на различных мероприятиях, чтобы максимально разогнать удачный экземпляр процессора или видеокарты и поставить рекорд производительности. К сожалению, реализовать стабильное охлаждение в течение сколько-нибудь долгого времени на жидком азоте не представляется возможным. Азот очень быстро выкипает, а случайное попадание его на тело человека представляет серьезную опасность для здоровья.

Возникает вопрос: зачем гнаться за экстремально низкими температурами, когда компьютер неплохо работает и с обычными системами охлаждения? Ответ прост — overclocking. Добиться стабильной работы чипа на повышенных частотах можно, только повышая соответствующим образом рабочее напряжение. С ростом напряжения стремительно увеличивается количество тепла, выделяемое чипом, и при недостаточном охлаждении микросхема может просто-напросто сгореть. Более низкие температуры охладителей позволяют поглощать большее количество тепла и, следовательно, устанавливать более высокое напряжение без риска спалить чип.

Разгон давно превратился в киберспорт, очень широко распространенный по всему миру. Огромные корпорации спонсируют самых талантливых оверклокеров и благодаря их работе демонстрируют, что их продукт быстрее, мощнее и лучше, чем у конкурента. Именно эти люди первыми в мире получают новые образцы самых современных видеокарт или процессоров, и именно от их вердикта чаще всего зависит, будут ли оверклокеры всего мира скупать новые чипы или нет.

Кроме того, разгон и, в частности, конструирование систем охлаждения — это хобби для технически подкованных и остроумных людей. К примеру, энтузиаст оверклокинга Эрик Буэхл прославился жидкостной системой охлаждения своих трех компьютеров, резервуаром в которой служит его собственный бассейн. Буэхл разом «убил двух зайцев»: процессоры стали холоднее, а вода в бассейне — теплее.