Замороженные мозги

Архив

Не будем вдаваться в природу эффекта Пельтье, хорошо описанного в учебниках по общей физике (к слову, Пельтье открыл его в 1834 году, истолковал Ленц четыре года спустя, и только академик А. Ф. Иоффе много позже предложил использовать данный эффект в полупроводниках для создания охлаждающих устройств). Отметим лишь, что при проождении тока через контакт двух различных проводников (а лучше - полупроводников) в области контакта может поглощаться тепло (то есть контакт охлаждается), а при обратном направлении тока тепло будет выделяться. Реальный прогресс в изготовлении "холодильников" на эффекте Пельтье стал возможен только в последней четверти стремительно уходящего века в связи с бурным развитием полупроводниковых технологий. И хотя элементы Пельтье попадались на московских радиорынках еще в начале 90-х, а, по слухам, умельцы ухитрялись даже делать на плохо приспособленных для компьютера элементах разгон "четверок" до 200 МГц при напряжении питания 486-го процессора аж в 8 В (!), такие кулеры, удобные именно для "напроцессорного" применения, появились в Москве сравнительно недавно (год-два назад), и нынче их можно за несколько долларов найти, например, в фирмах БЭСМ-2000 (www.besm.ru), в московском магазине "Чип и Дип", на Митинском и Савеловском радиорынках или заглянуть на www.postman.ru/~mediadat/cooler/faq.htm (говорим это не бесплатной рекламы ради, поскольку денег на продажах кулеров не сделаешь, а только для тех умельцев, которые пожелают поиграться сами).

Устроены кулеры Пельтье весьма нехитро: массив последовательно соединенных полупроводниковых элементов закреплен между двумя плоскопараллельными керамическими (например, поликоровыми) пластинами - для электроизоляции. Наружу выходит два контакта, при пропускании постоянного тока между которыми одна из пластин греется, а другая охлаждается (изменение полярности подключения кулера лишь меняет назначение пластин). Нужно отметить, что такой кулер порождает разницу температур между пластинами, а не абсолютные значения температур, и выделяемое кулером тепло заметно больше поглощаемого (КПД элемента низок), поэтому для реального охлаждения одной из пластин температура другой не должна быть высока и ее обязательно нужно хорошенько охлаждать извне (например, мощным радиатором с вентилятором от процессоров типа Pentium II). Я использовал квадратные 4х4 см кулеры Пельтье толщиной около 3,5 мм, причем для установки их между процессором и стандартным процессорным кулером требовалась доработка крепежа, чтобы такой пирог можно было застегнуть (в БЭСМ-2000 для этого даже выфрезеровывали место в радиаторе!). Для лучшей теплопроводности прилегание кулера к процессору и радиатору должно быть как можно более плотным (я обязательно притирал пластины с использованием термопасты, без нее результаты были заметно хуже). Кулеры питались от +5-12 В (с блока питания компьютера), потребляя при этом ток 1-1,5 А (от +5 В) и 5-7 А (от +12 В) в зависимости от прогрева, а разница температур между пластинами (без процессора) составляла 30-50. С. При питании от +12 В без ну очень хорошего радиатора с вентилятором греющаяся пластина просто обжигает (шутка ли - около 70 Вт потребляет!), поэтому лучше использовать питание в районе +5-8 В. При грамотном охлаждении обратная пластина без процессора обычно имеет температуру +5-15. С, но при большом желании можно ее и "заморозить", образовав конденсат. (И не только конденсат. Ни к чему не присоединенная "холодная" обкладка элемента при наличии на "горячей" радиатора и вентилятора охлаждается так, что капли воды на ней мгновенно замерзают. - С.Л.)

Преимущества от использования кулеров Пельтье проявляются, главным образом, при разгоне процессоров (на паспортной частоте они и так хорошо работают) и основываются на двух взаимосвязанных явлениях, характерных в основном для микросхем, изготовленных по технологии КМОП (по которой и производятся все современные процессоры для PC): на повышении быстродействия КМОП-вентилей с ростом питающего напряжения и/или понижением их температуры. Например, микросхемы популярной некогда отечественной КМОП-серии К561 "убыстрялись" на порядок при росте напряжения питания с 3 до 15 В за счет уменьшения сопротивления каналов полевых транзисторов и более быстрой перезарядки паразитных емкостей. К большому сожалению, современные процессоры для PC (Pentium II, Celeron, AMD K6-2 и К6-3) не позволяют столь сильно завышать напряжение: по опыту, они просто отказываются бессбойно работать, если напряжение превышено на 30-50 процентов от номинала, и "виновата" в этом "вылизанная" передовая КМОП-технология с точной подгонкой пороговых напряжений транзисторов под нужное "питание" (что совсем даже неплохо, учитывая нынешние тактовые частоты процессоров, еще вчера казавшиеся заоблачными). С другой стороны, ускорение процессоров охлаждением (благодаря росту подвижности электронов и дырок в полупроводниках) используется очень давно (а не так давно были продемонстрированы процессоры Pentium II и AMD K6-2, работавшие при специальном охлаждении жидким азотом на частотах 1 ГГц и что-то около 700 МГц соответственно, о чем "КТ" не раз писала), однако данный эффект требует действительно глубокого охлаждения и слабо заметен при комнатной температуре. С другой стороны, нагрев процессоров даже до +50. С снижает его частотные возможности: любители разгона, наверное, подметили, что сначала на критично высокой частоте процессор может запуститься хорошо и даже некоторое время нормально поработать, но потом, при прогреве, безвозвратно виснет и уже не перезапускается. Так, например, по-холодному некоторые процессоры Celeron 300A запускаются аж на 600 МГц (4,5х133), но быстро виснут и затем могут стабильно работать только на 450-515 МГц. И повышение напряжения ядра до 2,3-2,6 В не слишком помогает (хотя, справедливости ради, отмечу, что был у меня один камушек, сбоивший на 450 МГц при 2,0 В и работавший стабильно на 515 МГц при 2,4 В, но исключение лишь подтверждает правило). Таким образом, немного повышая напряжение на процессоре и снижая порождаемый этим дополнительный нагрев при помощи кулера Пельтье, теоретически можно добиться наибольшего роста быстродействия.

Как же обстоит дело на практике? Эксперименты проводились в основном на процессорах Celeron 300A (варианты для Socket 370 и Slot 1), AMD K6-2 и "мамах" ABIT ZM6, Chaintech 6BTM и FIC VA-503+ с памятью DIMM64 PC100 8ns Micron, работоспособной до 133 МГц включительно. Питание ядра процессора легко варьировалось: для ABIT из BIOS до 2,3 В, джамперами на FIC до 3,5 В и заклейкой/подпайкой ламелей разъема Slot 1 для Chaintech до 3,0 В. Везде использовались мощные радиаторы с пропеллерами и обдув дополнительным вентилятором системного блока. Наилучшим образом температура контролировалась на ZM6, где термодатчик прижат к процессору снизу (со стороны электроконтактов). Отмечу, что применять Пельтье для разгона Pentium II в стандартном картридже нецелесообразно, поскольку наиболее критичными здесь являются отдельные микросхемы кэш-памяти второго уровня, не контачащие с радиатором и легко выгорающие при подъеме напряжения и перегреве, а разбирать картридж и делать термопрокладки на них далеко не всегда удобно, да и эффект от этого, вероятно, не велик. Возможно, с выходом Pentium III с кэшем L2 на чипе процессора ситуация изменится.

Не будем утомлять вас перипетиями хладокомбинирования. Можно, например, отметить ряд курьезных случаев при "засыпании" компьютера: как-то раз, "уснув" и, как положено, выключив через "маму" вентилятор, процессор от работы кулера Пельтье раскалился (!) так сильно, что глухо завис (радиатора нельзя было рукой коснуться, пластмасса пропеллера начала размякать, да и "мамка" нагрелась как никогда!), пришлось вырубать питание и долго ждать, пока все остынет. Хорошо хоть вовремя спохватился, и ничего не сгорело. (У меня в подобной ситуации однажды просто отпаялись контакты от элемента Пельтье, спасши тем самым от худшего. - С.Л.) Если же вентилятор во сне не выключать, то уснувший и переставший выделять тепло процессор может охладиться до конденсации на нем влаги, что также может привести к плачевным результатам. Так что спать с г-ном Пельтье без неприятных последствий не получится! (Именно в этом я убедился, оставив работать ночью компьютер с Пельтье. Сюрприз ждал меня наутро: компьютер "висел", причем намертво, и не хотел запускаться не то что кнопкой сброса, но даже и включением/выключением питания. Первой мыслью было, что я перепутал обкладки охлаждающего элемента: процессор перегрелся и сгорел. Но пощупав плату с нижней стороны, я убедился, что она холодная, причем подозрительно сильно холодная... Предчувствуя результат, вынул процессор, и точно: несколько крупных капель воды выкатились из-под панельки и растеклись по дорожкам. Отработав ночью положенные тесты, компьютер некоторое время простоял в бездействии, а потом "заснул". Вентилятор у меня был не отключаемый, а охлаждающий элемент засыпать не умеет, поэтому, когда процессор перестал выделять свой положенный десяток ватт тепла, температура его корпуса быстро стала отрицательной. В Москве хотя и не тропики, но влажность воздуха не нулевая, конденсат попал на выводы и в разъем, и проснуться наутро компьютер уже не смог. - С.Л.)

Итак, каков же сухой остаток нашего разгона с применением кулера Пельтье? К большому сожалению, на какие бы хитрости не приходилось идти, получить безусловно положительный эффект при разгоне Celeron'ов не удалось. Более того, если при пассивной работе и слабой загрузке процессора (под Windows 98 c программой CPUidle, отключающей ядро во время простоя, или под NT4) температуру процессора удавалось понизить до +15-20. С, что позволяло работать стабильно на критических частотах (выше не удавалось загрузиться, поскольку во время перезагрузки процессор, работающий без отключения ядра, быстро нагревался), то при интенсивной работе эффект был даже отрицательный! Не секрет, что Celeron'ы в работе (особенно на частотах выше 450 МГц) сильно греются, и при этом очень важен интенсивный отвод от них тепла, то есть малое тепловое сопротивление кулера. В случае применения обычного металлического радиатора с пропеллером, да еще тщательно притертого к процессору на терпопасте, это сопротивление (металл-металл) минимально, и процессор хорошо охлаждается и разгоняется. Когда же кулер Пельтье с двумя толстыми керамическими прокладками находится между ними, тепловое сопротивление резко возрастает, теплопроводности керамики явно недостаточно, чтобы передать холод от элементов Пельтье активно греющемуся корпусу Celeron'а, независимо от температуры хорошо охлаждаемой обратной пластины Пельтье. В результате процессор нагревается даже больше, чем без Пельтье, но с хорошим радиатором, и работает на той же частоте менее стабильно! Попытки улучшить теплопроводность "пирога" почти ничего не дали. Вероятно, в данном случае следует керамические прокладки заменить на существенно лучше проводящие тепло, но все же электроизолирующие. Безуспешность разгона Celeron'ов с Пельтье отметили и в БЭСМ-2000, когда я (естественно, не как автор "Компьютерры", а как рядовой, ну, пусть не совсем рядовой покупатель) имел удовольствие это пообсуждать.

Однако не все так плохо: положительный эффект от Пельтье все же удалось получить на процессорах AMD K6-2. Известно, что они значительно меньше греются, чем собратья от Intel. (Речь именно о K6-2, так как результаты моих экспериментов с К6, изготовленным по технологии 0,35 мкм и греющимся не меньше, а больше интеловских, оказались похожи на то, что получилось с Celeron. Несмотря на то что зависимость разгоняемости от напряжения питания у K6 больше, чем у Celeron, я просто не смог найти радиатор такого размера, которого было бы достаточно для отвода суммарно выделяемого тепла. - С.Л.) K6-2 требуют для эффективного охлаждения меньшей теплопроводности кулера - обычно они прекрасно работают даже с маленькими "четверочными" радиаторами. Итак, применение "пирога" из Пельтье (с питанием от +5 В) и хорошего "шестерочного" кулера с большим радиатором позволяло, как правило, разгонять К6-2 (со стабильной работой) на 100-150 МГц выше паспорта (с поднятием напряжения ядра до 2,8-3,0 В, да простят мне это ребята из AMD), причем "хитрые" модели на 200 и 233 МГц в расчет не принимались, использовались частоты системной шины 95, 100 и 112 МГц с различным умножением, а без Пельтье разгон удавался только на 50-80 МГц.

И в качестве краткого заключения. Не надо рассматривать сии полукриминальные эксперименты, как официальное руководство к действию. Если вы станете повторять то, что здесь написано, и случайно спалите комп, стоящий 1000 долларов, пеняйте только на себя! На то он и огород, чтобы растить для себя то, что по вкусу.