Кулеры для процессоров
Введение
Эволюция компьютеров продолжает стремительно набирать обороты. Новые процессоры всё чаще объявляются целой серией, с разными частотами, но на одном ядре. Следуя закону Мура, каждое следующее поколение CPU имеет большее число интегрированных транзисторов. Постоянно растёт тактовая частота процессоров, а вместе с ней и тепловыделение этих, пожалуй, самых горячих элементов современных компьютеров. Охлаждать ядро микропроцессора становится всё сложнее, но и производители компьютерных кулеров постоянно стремятся улучшить производительность своих изделий, чтобы они могли с максимальной эффективностью отводить тепло от ядра, сохраняя при этом небольшие размеры, невысокую стоимость и приемлемый уровень шума. В этой статье мы расскажем о кулерах для центральных процессоров: зачем, в принципе, они нужны, какие они бывают и какие тенденции в настоящее время просвечиваются в плане эволюции компьютерных кулеров.
Почему и как греются процессоры
Сначала, давайте поговорим о процессорах, центральных процессорах, являющихся "сердцем" любых современных компьютеров. Человеку, не знакомому с компьютерным оборудованием, они могут показаться весьма простыми квадратным чипами с ножками. На самом же деле современные процессоры содержат в себе десятки миллионов транзисторов, обеспечивающих работу различных блоков CPU. Среди основных функциональных блоков современных CPU можно назвать блок по обработке целочисленных операций, блок по обработке операций с плавающей точкой, а так же кэш первого и второго уровня. В ядре процессора есть и другие блоки, но именно эти для нас являются более важными, так как на них ложится основная нагрузка вычислений и соответственно они в большей степени влияют на нагрев ядра. По законам физики, любой проводник, через который протекает электрический ток, выделяет тепло. Любой полупроводниковый прибор, будь то простенький транзистор, диод или сложный процессор, так же при работе выделяет тепло. Выделяемое тепло прямо пропорционально потребляемой электрической энергии. В случае с CPU, содержащим, как я уже сказал, десятки миллионов транзисторов, потребляемая электрическая мощность почти равна тепловыделению. Потребляемая мощность равна потребляемому току, помноженному на рабочее напряжение. Потребляемый ток здесь зависит от нескольких факторов: от величины интеграции процессора (сколько в его ядре содержится транзисторов), от частоты работы его ядра и от технологического процесса. Естественно, что большее число транзисторов и увеличенная частота работы ядра ведут к увеличению энергопотребления. Чтобы как-то снизить это значение, производители постоянно совершенствуют технологический процесс изготовления ядра CPU. Более совершенные техпроцессы позволяют всё более снижать тепловыделение ядра. Сегодня совершенствование технологических процессов немного не успевает за эволюцией CPU, поэтому как ни пытаются производители процессоров удержать их тепловыделение на каком-то определённом уровне, оно медленно, но растёт от модели к модели, от серии к серии. И это - цена за высокую производительность компьютеров.
Инженеры компаний AMD и Intel, основных производителей центральных процессоров для рабочих компьютеров, постоянно стремятся снизить тепловыделение своих Athlon XP и Pentium 4, стараясь снять с этих продуктов клеймо "утюгов" и "печек". И если пока что техпроцесс не позволяет этого добиться и блоки CPU при работе выделяют десятки ватт тепла, то надо искать альтернативный способ решения этой проблемы. Выход был известен давно, но применялся лишь на мобильных процессорах для ноутбуков, где каждый лишний ватт оборачивается сокращением времени работы от батарей. Дело в том, что при обычной работе компьютера в офисных приложениях, CPU не всегда работает на полную мощность и некоторые его блоки большую часть времени не загружены. А раз так, то зачем заставлять их потреблять энергию? В процессорах Pentium 4 компания Intel применила несколько новых технологий, помогающих справиться с повышенной температурой ядра. Одна из них заключалась в том, что при отсутствии нагрузки работают не все блоки ядра CPU. Они отключаются, за счёт чего температура ядра падает. В этом легко убедиться, если вы запустите систему мониторинга температуры на компьютере с процессором Pentium 4 и постараетесь кратковременно загрузить систему. Хотя бы потаскать какое-нибудь окно по рабочему столу Windows. Температура ядра резко поднимется, а когда вы прекратите это делать - резко опустится. За счёт этого в офисных приложениях удаётся удерживать температуру Pentium 4 на относительно невысоком уровне. Компания AMD пошла ещё дальше - её процессоры с ядром Barton используют функцию "disconnect from system bus". То есть, в режиме простоя CPU может отключаться от системной шины.
Данные технологии энергосбережения, конечно же, способны снизить температуру ядра процессора при работе в офисных приложениях или программах, не требовательных к ресурсам. Но ведь очень многие программы полностью загружают ресурсы системы. Это могут быть компьютерные игры, программы по работе с графикой или другие приложения с интенсивными вычислениями. Как часто приходится слышать от пользователей, что компьютер отлично работает в MS Word, но при запуске игры через несколько минут повисает. Причина этого зачастую кроется именно в недостаточном охлаждении.
Года два назад, когда я общался с производителями кулеров для процессоров, мне говорили, что теоретическим пределом тепловыделения CPU станет значение в 100 Вт. Охладить 100-ваттный нагреватель с площадью ядра несколько десятков квадратных миллиметров в обычном компьютерном корпусе будет очень сложно. Времена изменились и сегодня тепловыделение процессоров подходит к заветной цифре с двумя нулями. Процессоры Pentium 4 3.06 ГГц на ядре Northwood потребляют почти 82 Вт, а по последней информации, следующие Pentium 4 на ядре Prescott уже будут иметь тепловыделение в пределах 100 Вт. AMD тоже не отстаёт от конкурента - сообщается о том, что Athlon 64 сможет выделять около 100 Вт тепла, в зависимости от частоты. Каким будет охлаждение у этих моделей, я думаю, мы можем представить уже сейчас.
Две платформы: крепление кулеров
Pentium 4 и Athlon XP используют различные конструкции процессорных разъёмов. Сегодня для Pentium 4 и Celeron это Socket 478, гнездо с 478 контактами, а для Athlon XP и Duron - это Socket A с 462 контактами. Несмотря на то, что Socket A имеет меньшее число контактов, данный разъём больше по размерам. Благодаря этому кулеры под процессоры AMD в большинстве своём крепятся, цепляясь стальной скобой за зубчики с двух сторон от гнезда. Ранее AMD требовала, чтобы на материнских платах под Socket A вокруг гнезда располагалась так называемая защитная зона, лишённая высоких электрических элементов типа конденсаторов, и четыре отверстия по углам сокета. Это позволяло устанавливать большие по размерам кулеры и крепить их непосредственно к материнской плате. Со временем требование к размерам защитной зоны осталось, а отверстия стали необязательными, так что на многих современных материнских платах можно установить кулеры, цепляющиеся только за зубчики гнезда. Здесь надо помнить, что надёжным креплением может считаться только то, которое использует все шесть зубчиков на двух гранях гнезда. При этом скоба крепления должна двигаться на кулере в двух плоскостях - вертикальной и горизонтальной (вдоль скобы), так как в этом случае вероятность скола повреждения процессора при установке кулера будет минимальной, а сам охладитель будет крепко закреплён на гнезде и не соскочит даже при транспортировке компьютера. А так как давление скобы будет распределяться на шесть зубчиков, вероятность скола одного из них будет ниже.
Кулеры на Socket 478 имеют совершенно другое крепление: из-за малых размеров гнезда закреплять за него кулер очень сложно, поэтому Intel предусмотрела два варианта установки охлаждающего устройства. Первый - это, как и в случае с процессорами под Socket A, крепление за материнскую плату, через четыре отверстия, расположенные возле углов гнезда. Второй - крепление за стойки специальной пластиковой рамки, которая закрепляется в эти же четыре отверстия на материнской плате. Первый тип крепления чаще всего используется низкопрофильными кулерами для серверов, второй - наиболее распространённый в обычных компьютерах. Pentium 4 и Celeron под Socket 478 повреждение ядра не грозит, поскольку там оно закрыта медным распределителем тепла, небольшой пластиной, выполняющей две роли: защиту ядра от повреждений и распределению его тепла по поверхности основания радиатора кулера. Зато распределитель тепла увеличивает площадь соприкосновения кулера и CPU. И именно из-за этого нередко, когда пытаешься снять кулер с Pentium 4, процессор настолько сильно прилипает к поверхности радиатора, что вырывается даже из замкнутого гнезда. Я сам нередко сталкивался с этой проблемой и каждый раз, когда пытался оторвать Pentium 4 от радиатора, смотрел, не осталось ли в гнезде его ножек...
Гнездо Socket 478
Большинство кулеров для современных процессоров рассчитаны либо только на платформу Socket 478, либо только на Socket A. Хотя есть и приятные исключения, универсальные кулеры. Пример тому - модель Volcano 7+ от компании Thermaltake. Сегодня существуют и другие процессорные разъёмы: Socket 370, Socket 7, Slot 1, Slot A и т.д. Но так как они в силу своего возраста сильно устарели, мы не будем их касаться. Так же не будем говорить про разъёмы для серверных CPU, потому что, как правило, серверные корпуса и процессоры поставляются в комплекте с кулерами и выбор охлаждающего устройства там не имеет значения. В ближайшее время, даже после анонса новых платформ под Athlon 64, разъёмы Socket 478 и Socket A останутся самыми распространёнными.
Анатомия обычного кулера
Обычным кулером на процессор, в нашем понимании, является активный воздушный охладитель: металлический радиатор с установленным на него вентилятором. В общем-то, это и есть основные составляющие активного воздушного кулера. Даже скобы крепления могут быть не обязательными, потому что на материнских платах VIA с интегрированными процессорами C3 кулер приклеен к их поверхности.
Радиаторы
Радиатор служит для распределения тепла охлаждаемого объекта (в нашем случае - ядра процессора) в окружающую среду. Он должен находиться в непосредственном физическом контакте с охлаждаемым объектом. Так как тепло от одного тела к другому передаётся через поверхность, то площадь контакта радиатора и процессора должна быть как можно большей. Сторона, которой радиатор прилегает к процессору, называется основанием или подошвой. Тепло от ядра переходит к основанию, потом распределяется по всей поверхности радиатора (причём распределение это - неравномерное) и отводится в окружающую среду. Если на радиаторе не установлен вентилятор, то процесс такого отвода тепла называется излучением. Увеличить эффективность излучения можно, если повысить площадь поверхности радиатора. Для этого они изготавливаются ребристыми: на основание устанавливаются рёбра, с которых и происходит отвод тепла в окружающую среду. Рёбра должны быть как можно более тонкими и они должны иметь как можно более лучший контакт с основанием (в идеале радиатор должен быть монолитным). Плоские радиаторы (без рёбер) получили название "распределители тепла".
Чтобы радиатор эффективно рассеивал тепло, он должен обладать высокой теплопроводностью и теплоёмкостью. Физическая величина теплопроводность имеет размерность Вт/М*К (Ватт/метр*Кельвин), для единицы материала, так называемая удельная теплопроводность. Она определяет, с какой скоростью тепло распространяется по объёму тела. В случае если теплопроводность радиатора будет невысокой, вы получите ситуацию, когда его основание будет нагреваться сильнее, чем его рёбра. Охлаждение в этом случае будет неэффективным. У радиаторов с высокой теплопроводностью температура основания и кончика рёбер различается незначительно и тепло эффективно отводится со всей поверхности. Теплоёмкость, как известно из курса физики, определяет количество теплоты, которое необходимо сообщить телу для увеличения его температуры на 1 градус. Удельная теплоёмкость имеет размерность Дж/Кг*К (Джоуль/Килограмм*Кельвин). Радиатор с низкой теплоёмкостью будет иметь температуру, близкую к температуре самого процессорного ядра и ни о каком охлаждении здесь говорить не придётся. Он должен иметь высокую теплоёмкость, ведь при остывании тела на один градус оно отдаёт то же количество теплоты, которое получило при нагреве на один градус. Именно поэтому радиатор с высокой теплоёмкостью всегда будет иметь значительно меньшую температуру, чем ядро процессора. Эти две физические величины определяются материалом, используемым для изготовления радиатора.
| Удельные теплопроводность и теплоёмкость металлов | ||
|
Металл |
Теплопроводность, Вт/М*К |
Теплоёмкость, Дж/Кг*К |
| Серебро (Ag) | 418.7 | 240 |
| Медь (Cu) | 398 | 385 |
| Алюминий (Al) | 238 | 880 |
| Золото (Au) | 322 | 130 |
| Никель (Ni) | 90.1 | 460 |
Идеального материала для создания радиатора не существует. Серебро имеет самую высокую теплопроводность, но мы знаем, что это очень дорогой металл, да и теплоёмкость у него невысокая. Медь имеет чуть меньшую теплопроводность и почти в полтора раза большую теплоёмкость. Этот материал лучше всего подходит для изготовления основания радиаторов. Алюминий имеет в 1.6 раз меньшую теплопроводность, чем у меди, но в 2.29 раз большую теплоёмкость. Данный метал лучше применять для рёбер радиаторов. Золото имеет высокую теплопроводность, большую, чем у алюминия, но меньшую, чем у меди. Некоторые производители кулеров, такие как Zalman и Glacialtech сообщают о том, что их топовые модели кулеров имеют радиаторы, покрытые тонкой плёнкой золота. Не думаю, что в этом есть смысл с точки зрения теплопроводности. Всё же толщина этой плёнки слишком мала для влияния на физические свойства радиатора. То же самое касается никеля. Никелированные радиаторы с эстетической точки зрения, конечно, более привлекательны, но не с точки зрения термических свойств. Так как идеального контакта между двумя металлами добиться очень сложно, то зачастую большую эффективность имеют радиаторы из одного материала - чисто медные или чисто алюминиевые, но это уже зависит от конкретного производителя радиаторов. Потому что, как правило, радиаторы с медным основанием и алюминиевыми рёбрами охлаждают лучше, чем чисто алюминиевые, а медные охлаждают ещё лучше.
Помимо материала радиатора большое значение имеет его конструкция. Конфигурация рёбер: их высота, длинна, расположение на основании рассчитываются индивидуально для каждой модели кулера. Но смысл расчетов всегда сводится к одному: воздух должен беспрепятственно и равномерно проходить по всей поверхности радиатора. Турбулёнтность (завихрения воздушного потока) в радиаторе, как правило, улучшает отвод тепла от рёбер и основания к воздушному потоку, но снижает скорость этого потока. Так что определённо сказать, положительно ли влияет турбулёнтность на охлаждение или нет применимо ко всем кулерам нельзя. Но так как в настоящее время многие производители кулеров стараются сделать поток воздуха внутри кулера более линейным (некоторые производители, например Thermaltake, даже выпускают переходники для вентиляторов, которые выравнивают поток воздуха через радиатор), можно сделать вывод, что для процессорных кулеров прямой поток лучше турбулёнтного, хотя даже в этом потоке будут сохраняться небольшие завихрения.
Радиатор с медным основанием
Вообще, конструкция радиаторов - это тема для отдельной статьи. В рамках регламента я могу лишь рассказать о том, какими они бывают по конструкции и способу изготовления. Для современных процессоров используются радиаторы различных форм: кубические, в форме параллелепипеда, в форме цилиндра, веера, с изогнутыми гранями и сложных форм. Они могут иметь толстые рёбра (в случае, если радиатор произведён по технологии выдавливания, "Extrusion" или ковки/плавления "Forging"/"Melting"), тонкие рёбра, плоские пластинчатые рёбра, впрессованные в основание (по технологии диффузионного прессования), согнутые гармошкой из тонкой пластины, как в случае с кулерами Molex. На некоторых радиаторах вместо рёбер установлены цилиндрические или прямоугольные иглы. Как показывает практика, это самая эффективная конструкция. Компания Zalman использует для изготовления своих кулеров метод шихтовки, когда радиатор составляется из десятков пластин и стягивается бондажными скобами. Нередко в радиаторах применяются теплопроводящие трубки - герметичные сосуды из пористого материала, заполненные жидкостями с низкой температурой испарения. Такие трубки очень эффективно проводят тепло (намного лучше, чем медь или серебро) и значительно повышают эффективность охлаждения. Ведущие специалисты в области компьютерного охлаждения сегодня считают, что будущее кулеров для процессоров именно за моделями с тепловыми трубками.
Вентиляторы
Современный кулер для процессора невозможно представить без вентилятора. Компания VIA в качестве рекламной кампании утверждала, что её процессоры C3 работают бесшумно, охлаждаясь пассивными кулерами (без вентилятора). Правда, когда процессоры C3 подошли к частоте 1000 МГц, им потребовалось уже более серьёзное охлаждение и вентилятор был установлен. Основные показатели, характеризующие вентилятор, это скорость воздушного потока, объём воздуха, перегоняемый им в минуту, потребляемая мощность, частота вращения лопастей и уровень шума. Скорость воздушного потока измеряется в линейных футах в минуту (LFM, Linear Feet per Minute). Зачастую скорость потока заменяется показателем давления воздуха на выходе из вентилятора. Эта величина измеряется в миллиметрах жидкости (мм.H2O). Эти два показателя, скорость и давление потока, зачастую не дают представление о производительности вентилятора, в то время, как более привычный показатель, объём перегоняемого воздуха, в полной мере оценивает эффективность. Этот показатель измеряется в кубических футах в минуту (CFM - Cubic Feet per Minute). Один кубический фут равняется приблизительно 28.3 литрам или 0.028 кубического метра, так что при желании можно перевести эту величину в метрическую систему. Так как эффективность охлаждения активного кулера во многом зависит именно от объёма воздуха, проходящего через радиатор, то CFM можно считать одной из основных величин, на которые стоит полагаться как при выборе отдельно вентилятора для компьютера, так и при выборе кулера в общем. Современные кулеры используют вентиляторы производительностью от нескольких до нескольких десятков кубических футов в минуту.
Потребляемая мощность определяется моторчиком, установленным в радиаторах и равняется потребляемому току, умноженному на рабочее напряжение вентилятора. Сейчас подавляющая часть вентиляторов для компьютерных кулеров работают на напряжении 12 Вольт. Раньше, в кулерах для видеокарт использовались вентиляторы, работающие от 7 Вольт и 5 Вольт, но сейчас, при темпах развития видеочипов, это уже нечастое явление. Обычно, рабочее напряжение вентилятора отличается от стартового. То есть, моторчик вентилятора может "завестись" и на напряжении 7 В или 9 В, а работать - на напряжении от 6 В до 15 В. Такой разброс напряжения очень важен для вентиляторов, имеющих регулировку частоты вращения лопастей.
Частота вращения лопастей - так же очень важный параметр. Она определяется конструкцией вентилятора, мощностью и мощностью моторчика. Данная величина измеряется в оборотах в минуту (Об/мин. или RMP - Rotates per Minute). В настоящее время очень многие обозреватели измеряют в RPM скорость вентилятора. Это не верно, потому что скорость обычно измеряется в радианах в секунду или метрах в секунду, а обороты в секунду характеризуют именно частоту вращения. Чем быстрее вращаются лопасти вентилятора, тем большую производительность он будет иметь. К сожалению, пропорционально с частотой вращения вентилятора изменяется и уровень его шума. Что такое шум, я думаю, никому не надо объяснять. Уровень шума измеряется в ДециБелах и обычно обозначается как дБ или dB. Скажу лишь, что сейчас "бесшумными" считаются кулеры, выделяющие около 23 дБ. Кулер, работающий с громкостью 30 дБ уже может вывести из себя самого терпеливого пользователя. Вентиляторы современных кулеров имеют частоту вращения лопастей от 2 000 до 8 000 оборотов в минуту. Уже при 7 000 RPM вентилятор работает слишком громко и может вызывать раздражение у пользователей и окружающих, поэтому сегодня производители кулеров всеми средствами пытаются увеличить производительность кулера, снизив уровень его шума. Объём воздуха зависит не только от частоты вращения лопастей, но и от размеров вентилятора. Чем эти размеры больше, тем производительность будет выше. Поэтому в последнее время на смену кулерам с быстрыми 60-миллиметровыми вентиляторами, имеющими частоту вращения лопастей 6 000 - 7 000 оборотов в минуту (30-38 CFM, уровень шума - до 46.5 дБ) приходят 80-миллиметровые и 90-миллиметровые вентиляторы, лопасти которых совершают от полутора до трёх тысяч оборотов в минуту. Производительность таких вентиляторов составляет от 22 до 50 CFM, а уровень шума - от 17 до 35 дБ.
Ось пропеллера в вентиляторе может устанавливаться, используя подшипники качения (ball bearing) или подшипники скольжения (sleeve bearing). Первые представляют собой как бы подушку из скользящих материалов и масла. Такие подшипники менее долговечны, они достаточно быстро изнашиваются, после чего вентилятор начинает "подвывать". Его можно смазывать, но лучше заменить. Подшипники скольжения так же, из-за своей низкой надёжности не используются в вентиляторах с высокой частотой вращения лопастей. Единственное их преимущество - низкая стоимость. Подшипники качения, это подшипники в том виде, в котором мы привыкли их видеть, с двумя радиальными кольцами, между которых расположены маленькие шарики. Эти подшипники более надёжны и чаще всего именно они используются в современных кулерах. В некоторых вентиляторах используются одновременно один подшипник качения и один подшипник скольжения. Основной характеристикой, которая имеется у подвески вентилятора - это время наработки на отказ, MTBF (Middle Time Before Failure). Так как подшипники - самая ненадёжная часть вентилятора, то именно они определяют, сколько ему проработать в компьютере. Для подшипников скольжения эта величина - 30 000 часов, для подшипников качения - 50 000 часов. Вентиляторы, использующие два оба типа подшипников, имеют среднее время наработки на отказ 40 000 часов. Сейчас стали появляться кулеры с керамическими подшипниками, которые обещают проработать от 300 000 до 500 000 часов. И хотя, может показаться, что это достаточно большое время, всё же оно не гарантировано производителем и вентилятор может выйти из строя буквально на следующий день после покупки.
Вентиляторы бывают двух типов: радиальные и осевые. Осевые получили широкое распространение в силу своих небольших размеров и хорошего соотношения производительность/шум. Обычный вентилятор, с пропеллером - это осевой вентилятор, в нём поток воздуха направляется вдоль оси вращения.
Осевой вентилятор
Радиальные вентиляторы получили название "бловеры" (от англ. Blow - дуть). В бловере воздушный поток направляется под углом 90 градусов к оси моторчика. Вместо пропеллера с лопастями в радиальных вентиляторах используются барабаны, или как их принято называть, крыльчатки. Этот тип вентиляторов требует установки моторчиков с большей мощностью, бловеры имеют большие физические размеры и большую стоимость. Но несмотря на эти, казалось бы, недостатки, радиальные вентиляторы имеют ряд преимуществ. Прежде всего, воздушный поток в них менее обладает меньшей турбулёнтностью, большей скоростью, а кроме того - радиальные вентиляторы лишены "мёртвой зоны".
Поговорим о "мёртвой зоне". В обычных, осевых, вентиляторах моторчик расположен в центре. Иногда моторчик занимает значительную часть "активной" площади вентилятора, площади, образуемой окружностью пропеллера. Под моторчиком скорость воздушного потока несравнимо ниже, чем под лопастями. Уже на некотором расстоянии скорости воздуха под вентилятором выравнивается на всей площади, но это расстояние уже может быть за пределами основания радиатора. К сожалению, как правило, "мёртвая зона" расположена над центром радиатора, в том месте, где расположено ядро процессора. Естественно, эта "мёртвая зона" негативно сказывается на охлаждении.
Производители кулеров ни раз пытались решить проблему "мёртвой зоны". Компании GlacialTech и Global Win в некоторых своих кулерах располагали вентилятор не по центру радиатора, а с небольшим сдвигом, чтобы над тем местом основания кулера, где расположено ядро процессора, располагались лопасти вентилятора. Другие производители изменили конструкцию вентилятора, как бы распределив моторчик из центра вентилятора по периметру. В таких типах вентилятора четыре обмотки расположены в углах корпуса, а вокруг лопастей проходит кольцо с постоянным магнитом. Таким образом, в центре пропеллера установлена лишь ось, а площадь "мёртвой зоны" снижена в несколько раз. Всё это относится к осевым вентиляторам. В радиальных же, поток, на выходе практически равномерный, с одинаковым давлением и скоростью. Наиболее известными кулерами с радиальными вентиляторами являются модели серии AERO производства компании CoolerMaster.
Современные вентиляторы, в большинстве своём, подключаются к материнским платам трёхконтактными Molex-коннекторами. В этих разъёмах два контакта используются для питания, а ещё один - для того, чтобы передавать материнской плате данные со встроенного тахометра вентилятора. Но материнские платы имеют ограничения по мощности, которую они могут подать на вентилятор, и если подключить к системной плате мощный кулер, она может запросто сгореть. Когда эта проблема появилась, производители дорогих мощных кулеров (с потребляемой мощностью более 4 Вт) стали продавать свои охладители с вентиляторами, имеющими четырёхконтактные разъёмы питания PCPlug (как у жёсткого диска или привода CD-ROM). Таким образом вентилятор подключался непосредственно к блоку питания и опасности для материнской платы не представлял. Но очень многие системные платы и компьютеры в целом имеют защиту от перегрева процессоров, в том числе и от остановки вентилятора. Подключение по PCPlug не давало возможности сообщать материнской плате информацию о частоте вращения лопастей, а питание мощных кулеров от материнской платы опасно для самой платы. Сегодня многие производители делают комбинированное питание - два разъёма Molex и один разъём PCPlug. Питание осуществляется по одному из разъёмов - от материнской платы или блока питания. Во втором случае к системной плате подключается Molex-разъём всего с одним проводком, по которому передаются данные о частоте вращения пропеллера. В итоге и кулер может работать без опасности повреждения платы и сигнализация аппаратного мониторинга остаётся активной.
Термическое сопротивление
Выше мы говорили о составляющих компьютерных кулерах, но теперь пришло время поговорить и об устройстве в целом. Мы уже говорили о величинах, характеризующих радиаторы и вентиляторы. Как правило, производители компьютерных охлаждающих устройств указывают эти характеристики, но имея в продуктовой линейке одни и те же кулеры, различающиеся всего лишь моделями вентиляторов или с одинаковыми вентиляторами, но разными радиаторами, появляется необходимость в одной характеристике для всего охлаждающего устройства. Эта характеристика - термическое сопротивление. Оно измеряется в Цельсиях на Ватт (C/W) и определяет, насколько поднимется температура процессора при увеличении его тепловыделения на один Ватт. Чем ниже термическое сопротивление, тем лучше. Чтобы посчитать термическое сопротивление кулера, надо вычесть из температуры ядра процессора температуру воздуха над вентилятором и разделить эту разность на мощность процессора. Для современных кулеров обычное термическое сопротивление - 0.38 C/W. Но дело в том, что не все производители кулеров честно указывают термическое сопротивление. Пример тому - компания Molex, рекламирующая низкое термосопротивление своих охладителей, но на деле оказывается, что эта величина далека от реальной. Поэтому я рекомендую смотреть на другие характеристики кулеров - производительность и уровень шума вентиляторов и тип радиатора.
Тепловой интерфейс
Мы уже разобрались, что тепло от одного тела к другому передаётся через поверхность соприкосновения. Соответственно, чем больше площадь этой поверхности, тем выше будет эффективность работы кулера. Но, к сожалению, идеально гладких поверхностей не имеет ни основание радиатора, ни ядро процессора. Небольшие шероховатости, углубления и царапины заполняются при соприкосновении образуют воздушные подушки, а воздух имеет очень малую теплопроводность. Чтобы улучшить тепловой контакт, применяют различные тепловые интерфейсы - термопасты или прокладки. Эти интерфейсы имеют высокую теплопроводность и при контакте заполняют собой неровности поверхности, избавляя таким образом, поверхности от воздушных подушек.
Контакт радиатора и процессора без теплового интерфейса
Теплопроводящие прокладки обычно создаются из полимерных материалов или из графитовой пыли. Последние чаще всего использовались в кулерах, поставляющихся с процессорами Intel. Материал полимерных прокладок обладает свойством изменять своё состояние, проще говоря, при нагреве он разжижается и заполняет собой воздушные подушки. Термопрокладки чаще всего уже нанесены на поверхность основания радиатора. Сейчас всё чаще полимерные прокладки заменяются термопастами. Паста так же может быть нанесена на поверхность радиатора или может поставляться в пакетиках, тюбиках или шприцах.
Контакт радиатора и процессора с тепловым интерфейсом
Термопасты могут производиться на основе различных материалов с разной теплопроводностью. На сегодняшний день мне известны кремниевая, бескремниевая, керамическая, алюминиевая, медная, серебряная и золотая термопаста. Название говорит о материале, используемом в термопасте. Для теплопроводящей пасты существуют две характеристики, определяющие качество теплового интерфейса: это - теплопроводность и средний размер зерна. Так как пасты создаются на основе измельчённой пыли того или иного материала, то величина зерна и есть средний размер одной пылинки. Чем меньше этот размер, тем лучше паста будет заполнять собой все неровности поверхности радиатора. Хорошим тепловым интерфейсом считается паста с зерном 0.38 мкм и теплопроводностью 8 Вт/м*K.
Контакт радиатора и процессора с тепловым интерфейсом, имеющим мелкую зернистость
Несколько недель назад я наткнулся на исследование западных специалистов в области термопасты. Они утверждали, что современные кремниевые и металлические термопасты имеют одну общую проблему - большой размер зерна, в результате чего они работают не как теплопроводник, а как теплоизолятор. Они предлагали использовать карбоновые пасты, созданные на основе материалов с более низкой теплопроводностью, чем металлы, но имеющих много меньший размер зерна. Вообще-то, их утверждения небезосновательны, потому что многие микроскопические царапины на поверхности процессора и радиатора всё равно остаются заполненными воздухом и никогда не получится залить пастой каждую впадину. Но пока мы не увидим в продаже карбоновую термопасту и не сравним её эффективность с кремниевой, серебряной и медной, разговор о том, что лучше, будет безосновательным.
Кстати, многие, наверное, задавались вопросом, почему термопасты на основе таких материалов, как алюминий, медь, серебро или золото, не вызывают короткого замыкания на процессоре, ведь эти металлы являются отличными проводниками электрического тока. Всё дело в том, что термопаста - это вещество со сложным химическим составом. Процент указанного на ней металла может быть, в серебряной пасте, например, может быть от 1% до 75% серебра. Остальное - вещества с очень высокими электроизоляционными свойствами. Так что, конечно, не стоит допускать того, чтобы паста попадала на электрические контакты, но даже если это случится, едва ли она вызовет короткое замыкание.
Сегодня такие известные производители кулеров, как Titan и другие менее известные поставляют свои кулеры, укомплектованные шприцами с серебряной термопастой. Точнее сказать, с термопастой на серебряной основе. Дело в том, что не каждая серебристая термопаста сделана на основе этого металла. К примеру, Titan под маркой "Silver Grease" продаёт пасту на основе оксида серебра. В этой пасте менее 10% металла. Конечно, её не сравнить с пастой "Arctic Silver" от одноимённого производителя, имеющей в своём составе до 80% серебряной пыли чистотой 99.9%. Однако, два грамма такой пасты стоят как самый дорогой кулер воздушный кулер Titan. Исходя из собственного опыта работы с разными термопастами, могу посоветовать вам использовать пасту на основе серебра "Arctic Silver". Несмотря на то, что это достаточно дорогой тепловой интерфейс, стоимость свою она оправдывает. И запомните - хорошая термопаста всегда сохраняет свою текучесть: она никогда не ссыхается, не расползается и не вытекает.
Автоматический и ручной контроль над кулером
Основными тенденциями в современном кулеростроении я могу назвать стремление к уменьшению шума, производимого кулером при работе и осуществлении контроля над кулером. В действительности, так как современные процессоры, как я уже упоминал, не всё время работают на полную мощность, то они и не выделяют максимальное количество тепла в течение всего времени работы. А раз так, то зачем кулеру постоянно работать с максимальной частотой вращения лопастей вентилятора, раздражая своим шумом? Так же, один и тот же кулер может быть установлен на различные модели процессоров с различным тепловыделением, а раз так, то справедливее будет, что на более мощных процессорах кулер должен шуметь громче, а на слабых - тише. Некоторые современные материнские платы способны сами регулировать скорость вращения лопастей вентилятора, если тот подключен к системной плате через трёхконтактный Molex-коннектор. Но пока что эта возможность реализована далеко не во всех платах, да к тому же, как я уже упоминал, многие кулеры подключаются непосредственно к блоку питания, а значит, в этом случае плата не имеет возможности влиять на работу вентилятора. Так же сегодня существуют различные блоки контроля скорости вращения лопастей вентилятора, такие как Thermaltake Hardcano, CoolerMaster Musketeer и др. Но приобретать их надо отдельно, за отдельную плату, а это не каждому по карману. Так что вполне обоснованным было решение возложить задачу регулировки частоты вращения лопастей вентилятора на сам кулер. Как говорится, спасение утопающих - дело рук самих утопающих.
На сегодняшний день существует два способа регулировки частоты вращения лопастей вентилятора: автоматический, в зависимости от температуры и ручной, то есть, самим пользователем. В первом случае на вентилятор устанавливается термодатчик, термопара или терморезистор, регулирующий напряжение, подаваемое на моторчик. Одним из первых и наиболее распространённых кулеров с автоматической регулировкой скорости работы вентилятора была модель Thermaltake Volcano 7. У этого кулера термодатчик был установлен на самом вентиляторе и регулировка скорости вращения лопастей вентилятора производилась в зависимости от температуры воздуха возле вентилятора. Естественно, эта температура была далека от реальной температуры ядра процессора.
Термодатчик сбоку на вентиляторе
Следующим, более удачным вариантом на тему автоматической температурной регулировки были кулеры Titan типа W5TB-TC, в которых термодатчик был установлен в основании радиатора, то есть, уже достаточно близко к ядру процессора. Но так как в этих кулерах радиатор был полностью алюминиевым, то температура металла вокруг датчика опять-таки отличалась от температуры ядра процессора. Хотя, эти кулеры имели очень существенный плюс - большие пределы регулирования скорости вентилятора.
Термодатчик в радиаторе кулера
Наверное, наиболее оптимальный вариант автоматической регулировки предложила компания Thermaltake в кулере Volcano 7+. Этот охладитель имеет выносной датчик температуры - термопару, которую благодаря малой толщине можно было установить прямо возле ядра процессора Athlon XP или Pentium 4. Таким образом, регулировка скорости могла бы быть очень точной, если бы не недостатки самого охладителя, а именно - неправильные пределы регулирования.
Термодатчик под процессором
Любая автоматическая регулировка скорости вентилятора работает по следующему принципу: сначала процессор нагревается, потом повышается температура термодатчика, а затем изменяется частота вращения лопастей вентилятора. Именно поэтому кулеры с автоматикой такого рода менее подходят для разгона процессоров, где важно - удержать температуру ядра процессора на определённом уровне и не дать ей подняться. Так же производители вентиляторов не имеют представления, на каких процессорах будут использоваться кулеры с их продукцией, поэтому они устанавливают пределы регулировки скорости в зависимости от температуры на каком-то среднем уровне. В итоге это означает, что кулер мог бы позволить процессору нагреться ещё немного, снизив уровень воспроизводимого им шума, и это никак не сказалось бы на стабильности, но автоматика так не рассчитана и скорость вентилятора будет выше, чем могла бы быть. Именно поэтому производители охлаждающих устройств решили, что надо позволить и пользователю вручную регулировать скорость вентилятора.
Ручная регулировка в серийных кулерах встретилась впервые в кулерах Zalman CNPS 3000, где пользователь мог подключить вентилятор через один из двух переходников с резисторами, понижающими напряжение на моторчик вентилятора. Такая конструкция имела явный недостаток - в процессе работы компьютера изменить скорость вентилятора было затруднительно. Затем появились кулеры Zalman с переходником FanMate, позволяющим плавно регулировать скорость вентилятора в достаточно широких пределах. Недостатком было лишь то, что этот переходник устанавливался внутри компьютера, что усложняло к нему доступ. Сегодня компании Thermaltake и CoolerMaster предлагают свои охладители, укомплектованные регуляторами скорости вентиляторов, позволяющими пользователю изменять частоту вращения лопастей, не открывая корпуса компьютера. Регулятор устанавливается в заглушку PCI слота корпуса компьютера, либо в трёхдюймовый или пятидюймовый отсек. Плавным поворотом ручки переменного резистора можно подстраивать уровень шума кулера под себя.
Что касается регулировки, то примером идеальной реализации этой возможности я считаю охладитель Thermaltake Volcano 11 Xaser Edition, который имеет возможность автоматического температурного контроля с выносного датчика (термопары), а так же ручного контроля с помощью заглушки в слот для PCI карт, или пятидюймовый отсек корпуса. А может работать и вовсе без регулировки - всегда с постоянной скоростью. Как говорится, полный контроль. Для тех наших читателей, кто выбирает себе кулер, могу сказать, что сегодня по возможности надо покупать охладитель с ручной или автоматической регулировкой скорости. Хотя, если у вас есть панель управления кулером типа Thermaltake Hardcano, то для вас это необязательно. Сегодня существуют панели управления, дающие возможность регулировать скорость работы до шести различных вентиляторов в компьютере. И это - не предел. Возможно, не за горами то время, когда производители охлаждающих устройств дадут нам возможность программно управлять скоростью вентиляторов. Но не будем загадывать на будущее.
Неоновая подсветка
Говоря о кулерах для процессоров, нельзя обойти стороной и такую тенденцию, как создание светящихся кулеров. Никакого влияния на охлаждающие способности кулера свечение не оказывает: на вентиляторы устанавливаются цветные светодиоды, которые горят или мигают разными цветами. В компьютере, как и в человеке, всё должно быть прекрасно. А сегодня всё большее распространение получают корпуса с прозрачным окном в левой стенке, позволяющие любому желающему заглянуть внутрь ПК, не открывая корпус. А если там установлен светящийся кулер для процессора, то это производит серьёзное впечатление.
Светодиоды могут устанавливаться на вентилятор двумя способами. Первый - это их установка непосредственно в корпус вентилятора, с внутренней стороны, где движутся лопасти пропеллера. Второй - это пластиковая решётка, которая монтируется сверху на радиатор. Внутри этой решётки установлены несколько светодиодов, освещающих вращающиеся лопасти. Так сделано в кулере Thermaltake Volcano 9 + CoolMod. Светодиоды здесь могут мигать в такт обращений к жёсткому диску, что создаёт дополнительные визуальные эффекты.
Выводы
В этой статье мы рассмотрели теоретические основы работы кулеров и коснулись основных тенденций развития индустрии кулеров для процессоров. Много тем осталось неосвещёнными - термоэлектрические пластинки на основе элементов Пельтье, водяные охладители, криогенные системы охлаждения и т.д. Проблемы охлаждения процессоров настолько актуальны, что рассмотреть все решения в одной статье просто невозможно. Поэтому, подводя черту под вышесказанным, я хотел бы попытаться заглянуть в недалёкое будущее и представить, какими будут кулеры через полгода или год.
Я полагаю, что вскоре охладители с чисто алюминиевыми радиаторами начнут исчезать из продаж. Средним тепловыделением процессора станет значение 50-60 Вт, где уже требуется использование меди. Большее распространение получат кулеры с радиаторами, основание которых будет выполнено из меди. Наряду с ними так же распространены станут кулеры с чисто медными радиаторами, игольчатыми или с плоскими рёбрами. Радиаторы обязательно увеличатся в размерах. На подобных охладителях будут установлены 80-миллиметровые вентиляторы с термодатчиками и возможностью ручной регулировки их скорости вращения. Таким образом, удастся поддерживать уровень шума компьютера на допустимом уровне. Возможно, некоторые компьютерные корпуса будут поставляться в комплекте с кулерами и тёплый воздух от процессорного кулера в них будет выводиться по патрубкам наружу из компьютера. В комплекте к охладителям будут поставляться тюбики с термопастой на основе металлов с высокой теплопроводностью или с карбоновой пастой. Средняя цена за кулер поднимется до 15-20$. Многие модели охладителей для энтузиастов будут иметь светящиеся вентиляторы и простенькие панели управления, позволяющие не открывая компьютера переключать тип регулировки вентилятора - температурная или ручная.
Но есть одна возможность, о которой мы не говорили. Несколько раз я встречал информацию о том, что компания Intel всерьёз озабочена проблемой использования систем водяного охлаждения в компьютерах. Если гигант производства процессоров сделает водяное охлаждение стандартом для персональных компьютеров, развитие пойдёт по другому направлению, но это уже совсем другая история.
Надеюсь, что прочитав этот материал, вы уже будете иметь представление о том, каким должен быть кулер для центрального процессора, какие они сейчас есть в продаже и с чем связаны особенности их конструкции. А зная это, вам не составит труда выбрать именно тот охладитель, который идеально подходит именно для вашего компьютера.