IDF в Москве: проблема охлаждения компьютеров

АрхивПлатформа

Решение проблемы охлаждения высокопроизводительных процессоров и настольных персональных компьютеров глазами инженеров Intel.

Последние два доклада аппаратного потока московского IDF представлял Лесли Фишер, инженер центра по поддержке дизайн-проектов, Intel Swindon. Он рассказал о решении проблемы охлаждения для высокопроизводительных процессоров настольных персональных компьютеров и требованиях системного уровня при поддержке процессоров Intel Pentium 4 с частотами 3 ГГц и выше. В рамках первого из его докладов были рассмотрены существующие решения по охлаждению процессоров в ПК, варианты построения систем контроля температуры процессора (термальный диод, механизмы аварийного понижения частоты, механизмы аварийного останова процессора), приемы борьбы с локальным динамическим перегревом кристалла (теплорассеиватель, распределенные датчики). А также был дан обзор методик проверки режимов работы процессора и проведен анализ типовых ошибок при измерении тепловых характеристик.

Если подходить к проблеме охлаждения ПК со строгих научно-технических позиций (как это делает, например, Intel), то задача приобретает нешуточную сложность. Например, на слайде ниже грубо показан путь, который нужно преодолеть коллективу квалифицированных инженеров для достижения хороших результатов при конструировании систем охлаждения. Думаю, дальнейшая излагаемая здесь информация может оказаться полезной не только многочисленным коллективам отечественных профессионалов-сборщиков ПК, но и армии любителей компьютеров, собирающих своих «железных друзей» самостоятельно и желающих получить наиболее сбалансированный конечный продукт, производящий минимум шума и не испытывающий перегрева даже при экстремальном оверклокинге.

Методология конструирования охлаждающей системы.

Прежде всего, по мнению Intel, следует провести оптимизацию движения воздуха внутри корпуса ПК. Здесь важно уменьшить сопротивление системы потоку воздуха за счет, например, больших отверстий для вентиляции, более компактной укладки кабелей и удачного дизайна передней панели системного блока, где производится забор воздуха извне. Например, на графике ниже показано, что при более низком сопротивлении системы воздухопотоку, последний может оставаться на должном уровне даже при использовании менее производительного вентилятора, а использование вентиляторов с меньшей скоростью вращения снижает, в свою очередь, акустический шум системного блока, на что так часто жалуются пользователи в последнее время. Кроме того, не следует забывать и о «качестве» охлаждающего воздуха и его объеме: более свежий воздух, свободно циркулирующий в просторном корпусе значительно эффективнее будет производить охлаждение внутренних компонентов компьютера, чем разогретый и «спертый» воздух внутри тесного корпуса.

При низком сопротивлении воздухопотоку можно использовать вентилятор с низкой скоростью.

Одной из основных концепций Intel здесь является увеличение площади охлаждения. При этом можно будет снизить общую скорость потока воздуха (то есть разность давления на входе и выходе системы), а дополнительную пользу принесет уменьшение сопротивлении воздухопотоку. Для оценки этого эффекта используют понятие коэффициента открытой поверхности (FAR или Free Area Ratio), равного отношению открытой площади к общей площади охлаждаемого объекта. При большом значении коэффициента FAR (близком к 100%) одинаковой скорости воздухопотока соответствует меньшая разность давления (см. график ниже), то есть снижаются общие затраты на охлаждение, оно производится более эффективно.

Эффективность охлаждения систем с разным FAR существенно различна.

Оказывается, что коэффициент FAR достаточно сильно зависит даже от формы отверстий в жестяном корпусе: на слайде ниже показано, как он может меняться от размеров и формы ячеек. Сравните левый и правый случай «дырок» по предыдущему графику, и вам станет понятно действительно существенное влияние казалось бы такого незначительного фактора, как дырки в корпусе, на эффективное охлаждение системы в целом. От себя добавлю, что, на мой взгляд, самым грамотным подходом здесь является, по-видимому, применение внешних проволочных решеток по типу показанной слева.

Форма товерстий в корпусе может сильно влиять на FAR.

Немаловажным здесь является и вид отверстий в передней (лицевой) панели системного блока. Следует избегать применения щелей сложного профиля, затрудняющих воздухопоток, и сужений воздуховода (см. слайд).

Идеология отверстий для воздухопотока.

В некоторых случая хорошим решением является применение специальных воздуховодов в корпусе. Воздуховоды нужны, например, когда температура воздуха внутри системы не может быть снижена другими способами, когда нужно создать нужный (большой) воздухопоток около критичных компонентов или нужно охлаждать сразу несколько критичных компонентов. Реализовать воздуховоды можно, например, через переднюю или заднюю панель системного блока, как показано на этом слайде.

Идеология воздуховодов от Intel.

При этом можно выделить несколько типов воздуховодов в зависимости от количества входов/выходов и направления потока (детали см. на слайде ниже).

Типы воздуховодов.

При конструировании воздуховодов нужно быть аккуратным, чтобы перекрестное и взаимомешающее расположение нескольких воздуховодов не создавало мертвых зон и не затрудняло работу друг друга. Несколько примеров применения воздуховодов в промышленных корпусах показано на этом слайде.

Примеры корпусов.

А вот тут показаны примеры реализации воздуховодов в компьютерах российской компании Эксимер, представленные на московском IDF:

Отдельная задача в охлаждении - это теплоотвод. О теплоотводе говорят применительно к твердотельным конструкциям (радиаторам, корпусам винчестеров и т.п.), от которых нужно отвести тепло, выделяемое работающими компонентами под ними (под радиаторами) или внутри них (винчестеров, дисководов и пр.). Главной характеристикой теплоотвода является удельная теплопроводность материала (металла), из которого изготовлен радиатор или корпус. Здесь вне конкуренции - медь (радиаторы из серебра или золота - это уже слишком), хотя алюминий уступает меди не так уж много. Однако не менее важным является и способ приготовления (микростркутура) материала - так, теплопроводность медных (или алюминиевых) деталей, изготовленных разными способами, может различаться вдвое и даже больше! Поэтому «не вся та медь, что красная», и иногда качественный алюминиевый радиатор оказывается лучше некачественного медного. Другие важные для теплоотвода характеристики вы можете посмотреть на этом слайде.

Радиатор - базис теплоотвода.

Безусловно, одним из главных моментов при использовании радиаторов для теплоотвода является употребление грамотного термоинтерфейса между радиатором и охлаждаемым им объектом (процессором, чипсетом и т.п.). Более подробно о термопастах и термопрокладках вы можете почитать, например, в нашем прошлогоднем тестовом обзоре.

Переходим к вентиляторам - основе систем охлаждения современных ПК. Тут Intel выделяет четыре ключевых направления. Во-первых, следует всегда выбирать вентилятор наибольшего размера (из возможных) - при этом можно снизить скорость его вращения (и шум), не уменьшая воздухопоток. Во-вторых, наибольшая площадь лопастей вентилятора позволит увеличить воздухопоток при той же скорости вращения. В третьих, важным является оптимизация угла наклона, формы (аэродинамики) и числа лопастей вентилятора. И, наконец, приобретает значение разумное управление скоростью вращения, поскольку при более низких температурах компонентов скорость вентилятора можно уменьшать с сохранением общих характеристик охлаждения.

При охлаждении радиаторов потоками воздуха от вентиляторов необходимо заботиться о надлежащей конвекции воздуха, то есть о вентилируемости ребер радиатора и способности вентилирующего воздуха наиболее эффективно отводить тепло от поверхности металла. Тут помимо достаточно очевидных и традиционных подходов (увеличение скорости воздухопотока и общего объема воздуха, уменьшения температуры воздуха и оптимизации его потоков для специфических конфигураций) Лести Фишер отметил один достаточно неординарный ход - применение ламинарных потоков воздуха вместо турбулентных. Это необходимо пояснить подробнее.

Дело в том, что в подавляющем большинстве случаев потоки воздуха от вентиляторов через радиаторы существенно турбулентны, то есть воздух протекает хаотично с множеством завихрений. Чем выше скорость вентилятора и потока воздуха сквозь радиатор, тем больше его турбулентность, однако даже при небольших оборотах вентиляторов для типичных компьютерных кулеров поток воздуха сквозь радиаторы не перестает быть турбулентным. С одной стороны это хорошо, поскольку именно вихревые турбулентные микропотоки вблизи поверхности металла радиатора лучше всего отводят от него тепло. Однако с другой стороны турбулентность существенно снижает эффективность (скорость) протекания воздуха сквозь радиатор, теплый воздух там задерживается, вновь и вновь соприкасаясь с поверхностью радиатора, что ухудшает теплоотвод в целом. Если мы будем тупо увеличивать скорость оборотов и воздухопоток собственно вентилятора (как поступают во многих современных кулерах, ревущих как турбины), мы заодно увеличим и турбулентность воздухопотока через радиатор, то есть реальный прирост воздухопотока сквозь систему будет существенно меньше прироста числа оборотов вентилятора (и его гула). И мы упираемся в неэффективную систему охлаждения.

Одним из выходов здесь, по мнению Intel, является применение ламинарного потока воздуха. Ламинарный, то есть плавно, без завихрений, текущий поток быстрее протекает сквозь систему (при прочих равных условиях), то есть будет более эффективно отводить нагретый воздух из системы. Однако, как известно, ламинарный поток хуже нагревается от соприкосновения с поверхностью радиатора, нежели турбулентный, поскольку в этом случае не происходит перемешивания слоев воздуха в направлении, перпендикулярном поверхности металла. Как пояснил Лесли Фишер, выход тут - в сочетании тонкого приповерхностного турбулентного слоя воздуха, эффективно нагреваемого поверхностью, и остальной ламинарной части потока, быстро и оптимально отводящей нагретый воздух наружу.

Добиться такого «ламинаризированного» потока инженеры Intel пытаются за счет специального дизайна ребер радиатора и лопастей вентилятора. Как подчеркнул Лесли, от вентилятора отходит в целом турбулентный поток (даже на малых скоростях вращения), однако дальше его можно попытаться «выпрямить» при помощи оптимизированной конструкции ребер охлаждения (вспомните хотя бы знаменитую теорию сопел, где с потоками воздуха делают немыслимые вещи J). Не нужно забывать и об увеличении поверхности охлаждения - большая площадь отводит больше тепла. Ряд других структурных модификаций перспективных радиаторов показан на этом слайде.

Другие структурные модификации новых кулеров.

В результате, инженеры Intel сконструировали новые радиатор и вентилятор для своих процессоров Pentium 4, и теперь именно он будет входить в боксовые поставки будущих моделей процессоров (этот радиатор вов всю демонстрировался на недвано пошедшем IDF в Сан-Хосе, хотя, справедливости ради, нужон сказать, что опытные экземпляры "нового" кулера от Intel были замечены больше года назад, например, на выставке "Computex'2001", а в спецификациях Intel на процессоры Pentium 4 этот кулер фигурирует больше года).

Новый кулер Intel.

Усовершенствованный кулер отличается от предшественников перекрывающимися лопастями вентилятора (кстати, их восемь, а не 5, 7, 9 или 11, как у большинства нынешних кулеров), круговым расположением ребер радиатора (похоже на кулеры серии Orb от ThermalTake, однако у Intel есть свой патент на подобное «турбинное» расположение ребер), увеличенной траекторией отвода тепла и лучшей конвекцией за счет максимизации числа и поверхности ребер и использования центральной медной части. Из дополнительных «заслуг» нового кулера можно отметить более эффективное охлаждение других компонентов системы воздухом от этого кулера (по кругу), а также существенно более низкий акустический шум при той же скорости вращения вентилятора. Иначе говоря, воздухопоток у нового вентилятора увеличен вдвое при том же уровне шумов (см. слайд)!

Вентилятор в новом кулере Intel.

Радиатор в новом кулере Intel.

Борьба с шумом вентиляторов - еще одно достаточно новое направление в деятельности Intel. Очевидно, всеобщие жалобы пользователей на шумность мощных кулеров и вентиляторов, требующихся для современных высокопроизводительных настольных ПК, чтобы обеспечить надлежащий тепловой режим работы сильно греющихся компонентов с десятками миллионов транзисторов, превысили, наконец, критический порог, и лидер индустрии решил взяться за дело сам.

Пару лет назад мы уже писали большой концептуальный обзор по шумности компьютеров и методам борьбы с ними как в отдельных отраслях индустрии, так и силами самих пользователей («Мертвые с косами и тишина» части 1 и 2). Поэтому желающие подробнее ознакомиться с этой и поныне актуальной проблемой могут обратиться за деталями, например, к этим двум публикациям. Здесь же мы отметим, что Intel решила выступить с инициативой встраивания средств интеллектуального управления скоростью вращения вентиляторов в сами настольные системы - на уровне материнской платы. Данные системы управления будут анализировать текущую активность процессора и некоторых других компонентов и в случае их слабой загрузки снижать скорость вращения вентиляторов на процессорном кулере и других установленных в систему до допустимого уровня, не нарушающего общий теплообмен в системе. Как сказал Лесли Фишер, анализ активности предполагается проводить как на программном уровне, так и аппаратном. В последнем случае, на материнскую плату будут устанавливаться специальные микросхемы мониторинга, отслеживающие температуру в системе по реперным точкам (CPU, воздух вокруг и т. п.) и изменяющие скорость вентиляторов пропорционально показаниям термодатчиков.

Напомню, что данная функция не нова. В частности, еще старая-добрая плата Chaintech 6BTM могла снижать обороты вентиляторов в зависимости то температуры (правда, там эта функция была реализована не очень удачно). Сейчас многие системные платы компании ASUSTeK снабжены функцией Q-Fan, которая может ступенчато уменьшать скорость вращения процессорного кулера, когда процессор относительно холоден (по показаниям встроенного в него термодиода). Многие современные микросхемы мониторинга для материнских плат имеют в своем составе аналогичные блоки управления вентиляторами от температуры (жаль, что производители плат редко задействуют эти полезные функции). Наконец, два года назад мы тоже описывали небольшую аппаратную приставку FANSpeed, подключаемую прямо к системной плате и позволяющую плавно и безопасно регулировать скорость вращения любых вентиляторов в системном блоке в зависимости от температуры критических частей ПК, в результате чего удавалось существенно снижать шум работы компьютеров, даже оснащенных «ревущими» кулерами. Судя по многочисленным отзывам, приставка FANSpeed приглянулась пользователям компьютеров (и не только компьютеров) и сейчас используется не только в странах СНГ, но даже в Бельгии, Финляндии и США. Однако, если Intel взялась за это дело, то можно надеяться, что в будущем эта функция станет отраслевым стандартом для всех системных плат вплоть до стандартизации вентиляторов для использования их в системных блоках совместно с материнскими платами.

В следующей статье мы рассмотрим требованиях системного уровня при поддержке процессоров Intel Pentium 4 с частотами 3 ГГц и выше, которым были посвящены целых два доклада на прошедшем в Москве 2 октября Форуме Intel для разработчиков.

Терминология для справки.