Развитие существующих средств охлаждения микропроцессоров не успевает за увеличением выделяемой ими тепловой мощности. Модернизация технологических процессов, влияющих на потребляемую отдельным транзистором мощность, на практике не позволяет эффективно «термокомпенсировать» всевозрастающее количество этих самых транзисторов на кристалле. И традиционные процессорные кулеры уже едва-едва справляются с охлаждением новых горячих «камней».
По сложившимся стандартам все полупроводниковые приборы, которые характеризуются выделяемой мощностью менее 3 Вт, могут функционировать без дополнительных теплоотводов. Первые микропроцессоры 8080, 8086, 80286 и 80386, прекрасно работали без каких-либо кулеров благодаря тому, что выделяемая ими мощность была порядка тех же 3 Вт, и они намертво впаивались в материнскую плату, используя ее в качестве дополнительного теплоотвода.
i80486 стал первым «сокетным» процессором для РС, и он же первым потребовал специализированного охлаждения (впрочем, тогда было достаточно маленького кулера, примерно соответствующего габаритам систем охлаждения современных low-end видеокарт). С появлением Pentium II, Intel заявила, что наступил конец света для сокета, на нем нельзя сделать много дешевого кэша, он не обеспечивает должного охлаждения, и теперь всем миром пора переходить на слоты. Дескать, сделаем огромный теплоотвод, поставим два вентилятора и т.д. и т.п. AMD пошла следом и после сокетных 486, К5, К6, К6-2, К6-3 стала делать первые слотовые К7, то бишь Athlon. С точки зрения отвода тепла идея была, в общем-то, неплохая, однако в силу ряда причин через пару лет все вернулось к старым добрым сокетам. Выделяемая процессорами мощность неуклонно повышалась, кулеры худо-бедно эволюционировали: росла полезная площадь теплоотводов, увеличивались - диаметр вентилятора, скорость его вращения и, естественно, шум, но ничего принципиально нового так и не появилось.
От современных топовых процессоров (а тем более разогнанных) можно ожидать 100 Вт выделяемого тепла.
Сформулируем основные принципы эффективного отвода тепла от источника. Это:
1. Эффективный подвод холодного теплоносителя к источнику тепла.
2. Эффективный теплообмен между источником тепла и теплоносителем.
3. Эффективный отвод горячего теплоносителя от источника тепла.
Рассмотрим реализацию вышеуказанных принципов в существующих традиционных системах охлаждения, условно классифицируя последние по типу применяемого теплоносителя.
Нитрогенные системы (жидкий азот)
Самый «хардкорный», самый недоступный, самый неудобный и самый эффективный на сегодня подход — «нитрогенное охлаждение». В емкость, закрепленную на кристалле, наливается сжиженный газ — азот, имеющий температуру далеко ниже нуля по Цельсию. Здесь вопрос эффективного подвода холодного теплоносителя не стоит, потому что он либо есть (и имеет свои -196°C), либо его нет. Теплообмен также не является проблемой по той же причине — емкость на кристалле имеет фактически ту же температуру -196°C, пока там есть жидкий азот.
Рисунок 1 - Система охлаждения на жидком азоте
И отвод горячего теплоносителя тоже не является проблемой, поскольку все происходит само собой — азот быстро и с шумом испаряется. Но в этом подходе при массе его достоинств остается одна непроходимая проблема — собственно сам жидкий азот, который нужно будет покупать в огромных количествах и регулярно доливать.
Гидрогенные системы (водяное охлаждение)
На кристалле процессора монтируется герметично закрытый теплоотвод, имеющий входную и выходную трубки (так называемые штуцеры). Вне корпуса или в его свободной области устанавливается теплообменник с вентилятором, похожий на автомобильный радиатор. Вместе с водяным насосом эти устройства трубками соединяются в замкнутую цепь, которая заполняется теплоносителем (водой). Насос прокачивает холодную воду через теплоотвод на процессоре, где она забирает тепло и нагревается. Этим обеспечивается поступление холодного теплоносителя и теплообмен с источником тепла. По трубкам вода поступает далее в теплообменник вне корпуса, где охлаждается и возвращается опять к теплоотводу (рисунок 2).
Рисунок 2 - Система водяного охлаждения Thermaltake Aquarius II
В целом здесь соблюдены все принципы эффективного теплоотвода, однако опять же количество теплоносителя является ограниченным, поэтому возникает необходимость его повторного использования, то есть предварительного охлаждения. Водяное охлаждение позволяет, образно говоря, вынести кулер на процессоре из корпуса, при некотором падении КПД. При цене порядка $100, системы водяного охлаждения дают выигрыш примерно в 10°C по сравнению с продвинутыми кулерами с нормально организованной системой продува воздуха внутри корпуса.
Криогенные системы (фреон)
Эти системы отличаются от «водяных» только тем, что в качестве теплоносителя вместо воды используется «прирожденный» термальный агент — фреон. Соответственно, контур полностью и обязательно герметичен, а насос и теплообменник отличаются улучшенным качеством.
Рисунок 3 - Система испарительного охлаждения Asetek Vapochill
В итоге получается своего рода минихолодильник на процессоре. При стандартном тепловыделении 70 Вт температура может поддерживаться в районе 5°C. Эффективность выше, но и стоимость — как минимум, несколько сотен долларов.
Аэрогенные системы с элементами Пельтье (воздух)
Элемент Пельтье — это небольшая пластинка, играющая роль «прокладки» между кристаллом процессора и кулером. Эта пластинка позволяет поддерживать разность температур сторон пластинки в районе 40°C при отдаваемых кристаллом процессора десятках ватт тепла (рисунок 4).
Это не означает, что добавление элемента Пельтье автоматически снижает температуру процессора на эту величину. Эти элементы в некоторой степени повышают КПД кулера за счет увеличения эффективности теплообмена между теплоносителем (воздухом) и теплоотводом, нагретым на дополнительные 40°C. Ведь, как известно, эффективность теплообмена зависит от разности температур холодного теплоносителя и горячего источника тепла. С другой стороны, и здесь есть один существенный недостаток — теплоотвод кулера нагревается сильнее, чем кристалл процессора, поэтому в случае отключения элемента (выключение компьютера или выход из строя самого элемента) теплоотвод сам начинает разогревать кристалл и может в принципе его «испечь». Поэтому без дополнительных систем контроля исключено применение массивных теплоотводов, что в свою очередь понижает КПД кулера. В целом элементы Пельтье, применительно к системам охлаждения, направлены на улучшение соблюдения второго принципа — эффективного теплообмена.
Развитие существующих средств охлаждения микропроцессоров не успевает за увеличением выделяемой ими тепловой мощности. Модернизация технологических процессов, влияющих на потребляемую отдельным транзистором мощность, на практике не позволяет эффективно «термокомпенсировать» всевозрастающее количество этих самых транзисторов на кристалле. И традиционные процессорные кулеры уже едва-едва справляются с охлаждением новых горячих «камней».
