И прошедшие, и будущие солнечные летние дни — это не только источник бесконечного позитива. Когда небесное светило начинает печь особо настырно и столбик термометра показывает нечто неразумное, многим обывателям лето перестает нравиться. Пот, льющийся ручьями, спасает хрупкий человеческий организм от перегрева с большим трудом. Без вентилятора или кондиционера порой становится совсем тоскливо: мозги в буквальном смысле плавятся....
Персональный компьютер — по сути своей ящик, заполненный массой греющихся железок, — высокие температуры также недолюбливает. Снижение быстродействия, всевозможные зависания... то, что обычно списывают на недоработки Windows, на деле нередко оказывается следствием неприемлемого для компонентов ПК температурного режима. Впрочем, даже если вентиляторы крутятся, а система не зависает, это еще не значит, что она чувствует себя хорошо. С охлаждением системного блока не все так просто, как кажется на первый взгляд.
Синдромы и последствия
Тесный, плохо продуваемый корпус, минимальный набор вентиляторов, штатное охлаждение на видеокарте и процессоре... такое решение имеет право на жизнь. Но эксплуатация подобной системы нередко приводит либо к перегреву, либо к головной боли из-за чрезмерного шума вентиляторов. Избежать обоих негативных последствий в большинстве случаев не представляется возможным.
Как ни странно, последствия воздействия высоких температур не всегда очевидны для пользователя. Взять, к примеру, процессор: у современных моделей есть защита от перегрева, именуемая throttling. Ее включение приводит к снижению производительности процессора, что благотворно сказывается на температуре последнего. Так что падение скорости работы компьютера вполне может быть обусловлено перегревом.
Чрезмерно жаркий пыл видеокарты часто приводит к появлению проблем с изображением. Если на пределе работает видеочип, это проявляется в виде фризов — кратковременных замираний картинки, тоже, кстати, не всегда заметных. В случае, если начинает сбоить видеопамять, на экране можно наблюдать искажения цветов и различные артефакты, вроде полос и неправильно отображаемых текстур.
Перегрев чипсета и памяти приводит к периодическим появлениям так называемого «синего экрана смерти», после которого компьютер выключается или перезагружается. Обычно этот синдром путают с критическими ошибками операционной системы или отдельных программ.
Часто последствия воздействия высоких температур сказываются не сразу, а через некоторое время. Жесткие диски остаются работоспособными даже тогда, когда на их теплораспределителе невозможно удержать палец, но это вовсе не значит, что винчестеры можно безнаказанно эксплуатировать в таком режиме. Аналогичным образом некоторые видеокарты оказываются поразительно стойкими к высоким температурам и не дают явных сбоев даже тогда, когда датчик, расположенный на видеочипе, регистрирует значения, превышающие 100 градусов. В этих условиях видеоадаптер долго не проживет.
Словом, качественное охлаждение системного блока позволяет избежать многих проблем. К тому же путем небольших финансовых вливаний можно не только обеспечить стабильность, бесшумность и долголетие системы, но и существенно увеличить ее разгонный потенциал. Дополнительная производительность еще никому не мешала.
Ветер, ветер, ты могуч...
С точки зрения физики, охлаждение объектов основывается на трех базовых принципах.
Во-первых, любая система стремится к равновесию, так что если у какого-либо объекта температура выше, чем у окружающего пространства, он будет рассеивать тепловую энергию, пока температуры объекта и окружения не уравняются. Чем выше разница температур, тем интенсивнее будет происходить передача тепла между объектами. Пример действия этого закона — чашка с горячим чаем. Чем прохладнее в помещении, тем быстрее она остынет. Если дуть на чай, он охладится еще быстрее, так как нагретый воздух, расположенный на поверхностью, будет отводиться в сторону, уступая место более прохладному.
Во-вторых, чем больше площадь поверхности нагретого объекта, тем быстрее он рассеивает тепловую энергию: в блюдце чай остынет быстрее, чем в чашке.
И наконец, время наступления теплового равновесия внутри объекта зависит от теплоемкости и теплопроводности материала, из которого он изготовлен. Например, ложка из нержавеющей стали, опущенная в горячий чай, прогреется медленнее, чем аналогичный столовый прибор, выполненный из серебра.
Существует несколько типов систем охлаждения (СО), но, бесспорно, наибольшее распространение получили так называемые воздушные СО, к коим относятся вентиляторы, радиаторы, а также их разнообразные сочетания. С помощью этих инструментов охлаждаются компоненты ПК в подавляющем большинстве случаев.
Вентиляторы
В чистом виде вентиляторы используются сегодня разве что для налаживания циркуляции воздуха внутри корпуса. Дело в том, что сама по себе вертушка не обладает высокой эффективностью охлаждения, и если просто приделать вентилятор к процессору или видеочипу, ничего хорошего из этого не выйдет — чипы обладают малыми размерами и выделяют слишком много тепла на единицу площади.
К основным характеристикам вентиляторов можно отнести их диаметр, уровень шума, скорость вращения, тип подшипника и создаваемый воздушный поток. Именно последняя характеристика определяет абсолютную производительность устройства, выраженную в объеме воздуха, пропускаемого через вентилятор за единицу времени. Тип подшипника напрямую влияет на долговечность вертушки. Например, вентиляторы на основе подшипников скольжения живут в среднем двадцать тысяч часов, использование шарикоподшипников увеличивает этот срок до пятидесяти тысяч часов, а применяя гидродинамический тип, можно добиться феноменальной цифры в 150 тысяч часов, правда, и стоит подобное устройство недешево.
Для эффективного охлаждения внутренностей системного блока необходимо, чтобы температура внутри него была как можно ниже, и корпусные вентиляторы играют в этом важную роль. В идеальном случае несколько вентиляторов должно работать на вдув (intake), а еще несколько — на выдув (exhaust). Вертушки, нагнетающие воздух, обычно располагаются на передней и боковой стенках корпуса, а также изредка на дне, как, например, в случае с Cooler Master Cosmos. Выброс воздуха осуществляется через заднюю и верхнюю стенки. Это, по сути, оптимальная конфигурация, и при установке или замене вентиляторов не стоит пытаться менять эту закономерность. Не последнюю роль в эффективности охлаждения играет объем корпуса — чем больше системный блок, тем медленнее он прогревается и тем эффективнее циркулирует воздух внутри него.
Основание радиатора и теплораспределитель чипа должны контактировать как можно более плотно. Однако даже на отполированной до зеркального блеска поверхности располагается множество микротрещин, снижающих теплопроводность соединения. Чтобы улучшить контакт между поверхностями, применяют так называемые термоинтерфейсы.
Пример термоинтерфейса — это термоклей. Он хорошо проводит тепло, выдерживает сильный нагрев и хорошо склеивает любые поверхности. Вот только снять приклеенный радиатор практически невозможно, так что этот термоинтерфейс используют в редких случаях.
В большинстве случаев в роли связующего звена выступает термопаста — вещество с высокой теплопроводностью, заполняющее собой микротрещины. Клейкими свойствами термопаста не обладает, так что радиатор должен оснащаться собственными креплениями. На сегодня существует огромное множество марок термопаст, и выпускаются они из самых разных материалов, начиная с керамики и заканчивая жидкими металлами.
Также для установки радиаторов на чипы видеопамяти нередко используются клейкие термопрокладки — они не в состоянии выдержать большой вес, но их, по крайней мере, можно безболезненно удалить.
Радиаторы
При охлаждении горячих чипов невозможно обойтись без помощи радиаторов. Радиатор — это всего лишь кусок металла особой формы, крепящийся к чипу и увеличивающий таким образом площадь рассеивания. Очевидно, что одно и то же количество тепла проще отвести от здоровенной железяки, чем от крохотного чипа. Простейший пример радиатора — кусок алюминия с пропилами. Более дорогие и эффективные радиаторы представляют собой сложные конструкции с множеством ребер для рассеивания тепла.
Хороший радиатор должен обладать рядом свойств.
Во-первых, тепловая энергия внутри него должна как можно эффективнее передаваться от основания к ребрам. Скорость прогревания конструкции во многом зависит от характеристик металла, из которого она изготовлена. При производстве радиаторов обычно используются алюминий и медь. Медь лучше пропускает тепло, но она тяжелее, а главное, дороже, чем алюминий. По этой причине производители часто вынуждены идти на компромисс, сочетая в своих творениях элементы из разных металлов.
Также важную роль в переносе тепла из одной части радиатора в другую играют тепловые трубки. Эти элементы прогреваются с феноменальной скоростью и способны переносить тепло на существенные расстояния. Крепятся трубки, как правило, к основанию, чем их больше — тем лучше. Последнее время популярность набирают радиаторы, у которых тепловые трубки оголены в районе основания, что позволяет им непосредственно контактировать с поверхностью охлаждаемого объекта. Эффективность охлаждения от такого подхода ощутимо увеличивается, но и цена устройства, из-за усложнения процесса производства, возрастает.
Во-вторых, площадь рассеивания радиатора должна быть как можно большей, но при этом расстояние между ребрами не должно быть слишком маленьким. Таким образом, эффективность охлаждения в значительной степени зависит от размеров конструкции и конфигурации ребер.
Наконец, в-третьих, основание радиатора должно быть как можно более гладким, чтобы он мог максимально эффективно забирать тепло с поверхности теплораспределителя чипа.
Если радиатор используется сам по себе, без дополнительного обдува вентилятором, то такую систему охлаждения принято называть пассивной. Очевидный плюс таких систем — абсолютная бесшумность. Явный минус — спорная эффективность. Как правило, пассивным образом охлаждаются чипсеты материнских плат и бюджетные видеоадаптеры, однако в хорошо проветриваемом корпусе без помощи вентилятора можно остудить достаточно мощные видеокарты и даже центральные процессоры. Например, радиатор Arctic Cooling Accelero S1 нередко обходит по эффективности штатное охлаждение видеокарт, несмотря на наличие вентиляторов у последних. Аналогичным образом лишенный подвижных элементов Cooler Master Hyper Z600 разносит в пух и прах стандартные СО, поставляющиеся вместе с процессорами.
Но, конечно же, наиболее эффективным считается сочетание радиатора и вентилятора, которое принято называть кулером. Насколько хорош будет кулер, зависит от качества двух его составных частей. Впрочем, и здесь есть нюансы. В частности, местоположение вентилятора на процессорном кулере определяет, насколько эффективно будет охлаждаться околосокетное пространство материнской платы — элементы подсистемы питания, располагающиеся на этом месте, тоже греются, и не слабо. В то же время, если вентилятор располагается перпендикулярно поверхности системной платы, нагретый воздух выносится за пределы корпуса более эффективно. Что лучше? Все зависит от конкретных обстоятельств.
Кулеры для видеокарт также можно разделить на две категории. Первые построены по типу турбины, то есть вентилятор прогоняет воздух сквозь ребра радиатора и выбрасывает его за пределы корпуса через заднюю стенку. Ко второй категории относятся модели, рассеивающие тепло внутри корпуса. По первому принципу, как правило, работают штатные кулеры для видеокарт, по второму — в основном альтернативные, то есть те, которые приходиться самостоятельно докупать и устанавливать. Связано это с тем, что производители кулеров стараются делать свои творения как можно более универсальными, и, как следствие, различная длина видеокарт, входящих в список совместимости, мешает созданию устройства турбинного типа. Штатное охлаждение затачивается под одну конкретную модель, так что проблема, описанная выше, отпадает сама собой.
Что представляют собой тепловые трубки, и почему их так боготворят производители систем охлаждения? Конструкция этих элементов очень проста и включает всего три компонента: корпус, рабочую жидкость и капиллярно-пористый материал.
Корпус, как правило, выполняется из меди — из-за ее высокой теплопроводности. В качестве рабочей жидкости используется дистиллированная вода, а в роли пористого материала выступают порошковые напыления или керамика. Из трубки откачан воздух, так что жидкость внутри начинает кипеть при очень низких температурах. Вода преобразуется в пар в зонах с высокой температурой, забирая тепловую энергию, а обратная метаморфоза происходит в зонах с пониженной температурой. Жидкость перемещается из холодного конца в горячий с помощью пористого материала благодаря капиллярному эффекту, так что тепловые трубки могут работать при любом положении в пространстве. Важно отметить, что эти элементы начинают функционировать при малейшем перепаде температур на их концах, а теплопроводность подобных конструкций может превышать теплопроводность трубки из чистой меди в сотни раз.
Водный мир и термоэлектрика
Оксид водорода
Среди энтузиастов популярностью пользуются так называемые системы водяного охлаждения (СВО). У них есть три отличительных особенности: высокая эффективность, низкий уровень шума и запредельная цена.
Любая жидкостная система водяного охлаждения состоит из резервуара, радиатора, помпы, водоблока, а также шлангов и фитингов. Все эти компоненты образуют единый замкнутый контур, по которому циркулирует жидкость, коей обычно выступает дистиллированная вода или она же, но с антикоррозионными присадками.
Резервуар, как следует из названия, предназначен для хранения жидкости и обычно совмещается с радиатором. Чем больше резервуар и массивнее радиатор, тем выше эффективность охлаждения. Помпа — это единственный подвижный элемент во всей конструкции. Именно она отвечает за циркуляцию жидкости внутри системы. Наконец, водоблок крепится непосредственно к нагревающемуся элементу, коим может выступать центральный процессор, чипсет, оперативная память или видеокарта. В последнем случае водяному охлаждению может подвергаться не только видеочип, но также память и подсистема питания — все зависит от конфигурации водоблока. Этот ключевой элемент пронизывает масса тонких каналов, через которые проходит вода, забирающая тепловую энергию и переносящая ее в радиатор, где и происходит охлаждение жидкости. Стоит заметить, что в одном контуре может присутствовать сразу несколько водоблоков, подсоединенных последовательно, однако охлаждать каждый из них в этом случае будет хуже.
Выдающаяся эффективность жидкостных СО обусловлена высокой теплоемкостью воды и непрерывной ее циркуляцией по замкнутому контуру — водоблок просто не успевает нагреться. В дорогих и качественных системах водяного охлаждения радиатор, как правило, отличается большими размерами и располагается вне системного блока. Взгляните, например, на ветерана жидкостного охлаждения в лице Zalman Reserator 2. А потом взгляните на его цену... Да-да, будьте готовы выложить за хорошую СВО порядка 300-400 долларов.
В системах попроще малый объем циркулирующей жидкости зачастую пытаются компенсировать добавлением вентилятора к радиатору. Малые размеры подобных СО благотворно сказываются на стоимости, но при этом теряется одно из главных преимуществ подобных устройств — бесшумность. Да и высокой эффективности при таком подходе обычно достичь не удается. Так что, как правило, такие модели шумят и охлаждают так же, как хорошие кулеры, но стоят при этом в несколько раз дороже. Покупают эти системы скорее ради престижа, а вовсе не из-за практических соображений.
Также последнее время набирают популярность видеокарты с предустановленной автономной СВО. Охлаждают такие системы плохо, шуму от них много... Единственное их преимущество — малые размеры. Такие видеокарты обычно занимают один слот расширения, а не два, так что их удобнее использовать в конфигурациях SLI или CrossFire.
Электричество
Еще одна радость для ценителей необычных решений — кулеры на основе модуля Пельтье. В подобных конструкциях используется специальная пластина, под воздействием тока тепло переносится с одной ее стороны на другую. Проблему отвода тепла от кулера чудо-модуль не решает — он лишь перераспределяет тепловую энергию внутри устройства. Соответственно, если одна сторона пластины обладает низкой температурой, то другая, напротив, будет очень горячей, и ее надо будет охлаждать с удвоенной силой. По этой причине подобные кулеры обычно снабжаются мощными вентиляторами. По сути, кулеры на основе модуля Пельтье не сильно отличаются от традиционных воздушных, но по эффективности сопоставимы с качественными СВО, а их цена находится в разумных пределах. Если вас заинтересовали эти необычные устройства — присмотритесь, скажем, к моделям Titan Elena (для видеокарт) и Titan Amanda (для процессоров).
Встречаются также СО, в которых термоэлектрический модуль работает в тандеме с водяным охлаждением. Пример подобного гибрида — процессорный кулер CoolIT Freezone. Эффективность данного решения впечатляет, но цена непомерно высока.
Криогенный экстрим
Поговорим о вещах, выходящих за рамки обыденности. Например, о тех системах охлаждения, что используют любители разгона для установки различных мировых рекордов быстродействия. Понятно, что всевозможных высокоэффективных систем охлаждения, выпускаемых серийно, таким людям явно недостаточно. Чтобы выжать максимум из «железа», нужны отрицательные рабочие температуры, и чем ниже будут показания термометра, тем лучше. В домашних условиях экстремальный холод достигается с помощью систем фазового перехода, жидкого азота или сухого льда.
Фреон
Системы фазового перехода (в быту «фреонки») представляют собой сложные конструкции, работа которых основана на следующих физических законах: при переходе жидкости в пар поглощается энергия, при переходе пара в жидкость энергия выделяется, а температуры испарения и конденсации напрямую зависят от окружающего давления. Простейшая «фреонка» состоит из испарителя, компрессора, радиатора, дросселя и многочисленных трубок. Все компоненты образуют единый замкнутый контур, внутри которого циркулирует какой-либо хладагент (он же «фреон»).
Испаритель крепится к охлаждаемому объекту и, по сути, очень похож на водоблок какой-нибудь СВО. В испаритель поступает фреон в жидком виде. Поскольку в подобных системах используются хладагенты, закипающие при отрицательных температурах, фреон в испарителе под воздействием тепла, выделяемого чипом, быстро переходит в газообразное состояние, поглощая при этом тепловую энергию. Далее газ попадает в компрессор, который перемещает хладагент в радиатор, выступающий в роли зоны высокого давления. Температура поступившего в радиатор газа оказывается ниже температуры кипения фреона под высоким давлением, из-за чего газ начинает конденсироваться, превращаясь в жидкость и отдавая тепловую энергию радиатору, который в дальнейшем рассеивает ее в окружающее пространство. Став жидким, хладагент вновь поступает в испаритель через дроссель, регулирующий подачу фреона к охлаждаемому элементу. В простейшем случае в качестве дросселя используется капиллярная трубка, длина которой зависит от тепловыделения чипа и перепада давлений.
Возможны также ситуации, когда радиатор одной системы фазового перехода охлаждается другой «фреонкой», — это так называемые каскадные модели. Лишь они позволяют достигать очень низких температур (скажем, минус 100 градусов), но подобные конструкции очень сложно спроектировать, к тому же их сборка обойдется в круглую сумму, а энергопотребление устройства будет превышать аналогичный показатель самого компьютера на порядок.
Поскольку температура отдельных элементов систем фазового перехода опускается существенно ниже температуры окружающего воздуха, на них образуется конденсат. А электрические цепи, как известно, очень не любят, когда на них попадает вода. Борются с этой проблемой путем тщательной изоляции компонентов охлаждения, но все же вероятность появления влаги внутри системного блока достаточно велика.
Серийно «фреонки» практически не выпускают, а редкие заводские модели (например, Thermaltake Xpressar ACS100) не попадают в розницу, а используются в составе готовых ПК. Дело в том, что системы фазового перехода должны «затачиваться» под каждую систему индивидуально. Малейшая ошибка в расчетах, и либо испаритель вообще останется без фреона и охлаждаемый им чип умрет, либо хладагента окажется слишком много и он в жидком виде попадет в компрессор, что губительно для последнего.
Впрочем, «фреонки» — это все же выбор тех, кому нужен компьютер, предназначенный для использования в повседневной жизни. Если все собрано и настроено правильно, гибрид ПК и холодильника может проработать долго, не обременяя своего хозяина излишними хлопотами.
Азот
Но все же, температуры, создаваемые фреонными установками, далеки от тех, что в состоянии обеспечить жидкий азот. Минус 196 градусов Цельсия — такова температура кипения этой чудесной субстанции.
Пустить жидкий азот по замкнутому контуру проблематично: вещество быстро испаряется, увеличивая при этом свой объем на пару порядков, и, в отличие от фреона, не возвращается в прежнее агрегатное состояние. По этой причине при охлаждении процессоров или видеочипов жидким азотом используется так называемый открытый стенд, то есть нашпигованная деталями материнская плата без компьютерного корпуса — он в подобных опытах лишь мешается.
Вспомогательные компоненты при работе с жидким азотом — высокая емкость малого диаметра с гладким основанием (так называемый стакан) и крепления, способные придавить эту емкость к охлаждаемому чипу с достаточной силой. Залив в емкость ценное вещество, можно приступать к опытам. Правда, и здесь существует проблема образования конденсата: стакан быстро обрастает снежными хлопьями, которые со временем срываются, падают на поверхность материнской платы и тают. Вообще, системные платы покрываются специальным лаком, защищающим от влаги, но от серьезного потопа он не спасает. Выходов из этой ситуации несколько. Самый простой — надеть на стакан изоляцию для труб. Самый изощренный — приставить к емкости мощный комнатный вентилятор. В этом случае образующийся снег будет очень плотным — хоть снеговиков лепи, — так что отдельные хлопья не будут срываться со стакана. Также некоторые эстеты в буквальном смысле поливают систему жидким азотом, чтобы «выпавший» снег не таял, но... вы представляете себе, как выглядит материнская плата после завершения экспериментов?
Жидкий азот быстро улетучивается, так что содержимое емкости приходится постоянно обновлять. Поиграть с комфортом на таком компьютере навряд ли удастся. А вот поставить пару-тройку рекордов быстродействия, прогнав соответствующие бенчмарки, — легко!
Лед
Для охлаждения системы сухим льдом используется то же оборудование, что и в случае с жидким азотом, но стакан в данном случае заполняется смесью из теплоносителя (например, спирта или ацетона) и дробленого сухого льда. Стоит заметить, что температура сухого льда составляет «всего» минус 78 градусов, зато он более доступен для рядовых пользователей. К тому же это вещество незаменимо в тех случаях, когда чип отказывается функционировать под жидким азотом из-за слишком низкой рабочей температуры.
Такое, как ни странно, тоже бывает.
Ну вот, мы познакомились с принципиальным устройством разных видов систем охлаждения. Теперь, вооружившись знанием, вы сможете выбрать для своего компьютера лучший способ пасть ниже нуля.
Vova
