Углерод против алюминия

Термоинтерфейс процессора требует сегодня особого внимания. Читайте обзор нескольких термопаст, доступных на российском рынке, и одной графитовой прокладки.

Тепловое сопротивление современных воздушных кулеров очень невелико — 0,29–0,66 °C/Вт для полностью собранной системы «процессор — система теплосъема». В переводе на более понятные цифры, это означает, что если рабочая температура процессора не должна превышать 65 °C, а температура окружающей среды — 25 °C, то эти кулеры могут нормально охлаждать процессоры, рассеивающие 140–60 Вт тепла соответственно (Честно говоря, очень интересно, какие боксовые кулеры будут прилагаться к будущим двуядерным процессорам Intel Smithfield с заявленным TDP 130 Вт: минимально оценка необходимого теплового сопротивления получается порядка 0,34 °C/Вт. Это требует либо использования тепловых трубок, либо самого совершенного цельномедного кулера, либо использования корпусов стандарта BTX с их громадными Thermal Modules).

Однако чтобы получить столь малое термическое сопротивление, мало просто установить радиатор на теплорассеивающую крышку (хитспредер) процессора: требуется еще и обеспечить между ними надежный тепловой контакт. Удельная теплопроводность у воздуха почти в 17 тысяч раз хуже, чем у меди, и поэтому, если, скажем, оставить между подошвой радиатора и процессором зазор толщиной с человеческий волос (0,07 мм), то тепловое сопротивление у получившейся системы будет такое же, как если бы между радиатором и процессором поместили плиту меди метровой толщины.

Любая, даже сколь угодно качественно обработанная поверхность, всегда обладает крошечными шероховатостями. При соприкосновении под давлением они слегка деформируются и превращаются в своеобразные «площадки», которые и обеспечивают механический и тепловой контакт радиатора с крышкой процессора. Чем мягче металл, из которого сделан радиатор, и чем меньше величина шероховатостей, тем больше площадь контакта и тем меньше зазор между радиатором и процессором. Именно по этой причине подошвы современных кулеров тонко шлифуют, а в некоторых случаях — даже полируют.

Теоретически, можно отшлифовать подошвы радиатора и кулера настолько тщательно, что соприкасающиеся поверхности будут прилипать друг к другу (Помните соответствующий школьный опыт с двумя брусочками свинца? У обычных цилиндрических свинцовых грузиков тщательно полируются основания, после чего достаточно прикосновения, чтобы образовался весьма прочный механический контакт) — это как раз будет означать, что площадь плотно соприкасающихся «площадок» стала достаточно значимой. Однако в реальной жизни приходится мириться с существованием микроскопических зазоров между радиатором и процессором и стараться как-то минимизировать их тепловое сопротивление. При прочих равных (одинаковом качестве обработки соприкасающихся поверхностей) условиях все, что мы можем сделать, — заменить воздух в этих зазорах на что-нибудь более теплопроводное. А вот на что заменять — есть множество вариантов.

Пайка

Вариант первый, экстремальный. При некоторых условиях можно попробовать заполнить зазор каким-нибудь металлом. Просто подкладывать между кулером и радиатором какую-то металлическую прокладку или порошок бессмысленно — возникающие зазоры при сколь-либо приемлемом качестве обработки радиатора имеют гораздо меньшие размеры. Но можно попробовать залить полости специально подобранным расплавом металла, то есть припаять радиатор к процессору (Например, пайка используется в тех случаях, когда радиатор набирается из нескольких частей, скажем, набора медных пластин и основания. Пластины просто припаиваются к основанию, и проблем с хорошим тепловым контактом не возникает). Звучит страшновато, но такие варианты действительно предлагаются — между процессором и кулером наносится тонкий слой реактивов (алюминия и никеля), затем слой «поджигается», быстро «сгорает» (один металл окисляется, другой восстанавливается), и выделившегося тепла как раз хватает на то, чтобы расплавить образующийся в ходе реакции металл. Сам кристалл процессора при этом не страдает: тепла в ходе реакции выделяется не очень много — просто оно выделяется в очень тонком слое и поэтому «успевает» до того, как будет рассеяно в окружающее пространство, расплавить металл в очень ограниченной области. Теплопроводность получающегося слоя — порядка 70 Вт/м°К, что в разы лучше, чем у конкурирующих решений (см. таблицу). Но, правда, о практическом выпуске подобных схем пока речь не идет.

Графитовые прокладки

Традиционно считается, что лучшие тепловые проводники — металлы. Можно даже вывести соответствующие формулы, обосновывающие эту закономерность. Но если обратиться к таблице теплопроводности материалов, можно заметить совершенно неожиданную вещь: теплопроводность такого, казалось бы, безнадежного диэлектрика, как алмаз, составляет (для некоторых кристаллических модификаций) до 1600 Вт/м°К — результат, вчетверо превосходящий достижения меди и серебра! Об использовании алмаза в качестве промежуточного слоя между радиатором и процессором не может идти и речи, но вот другая кристаллическая модификация углерода — графит — для этих целей вполне подходит. Теплопроводность кристаллического графита хотя и уступает алмазу, но не столь принципиально (до 800 Вт/м°К). Причем теплопроводность эта анизотропна. Графит — слоистый по структуре материал. Атомы углерода внутри каждого слоя соединены чрезвычайно прочными химическими связями, напоминающими алмазные, а вот связи между слоями — слабые (см. иллюстрации). Поэтому и теплопроводность у кристаллического графита в плоскости слоев, in-plane, огромная, а вот «перпендикулярно» слоям, through the thickness, — сравнительно небольшая (4-6 Вт/м°К).

Изготовленная из графита пленка замечательно распространяет тепло по своей площади. Никакого локального перегрева — графит, может быть, и не слишком хорошо принимает и отдает тепло, но зато замечательно его «размазывает», то есть служит как минимум совершенным тепловым экраном (тепло быстрее уходит в стороны, нежели проникает насквозь). Никакой другой термоинтерфейс(Разве что кроме тепловых трубок — они еще более эффективны. Но, к сожалению, они и стоят гораздо дороже, да и не всегда возможно их использовать) ничего подобного сделать не позволяет, а потому интерес к теплопроводящим пленкам уже несколько лет остается стабильно высоким. Промышленную технологию получения высокоэффективных теплопроводящих графитовых пленок (Pyrolitic Graphite Sheet, PGS) давно разрабатывает и использовала для гибкого теплоотвода в нескольких ноутбуках Matsushita Electronics. Однако в одной из последних моделей, Panasonic Toughbook CF-Y2, она использовала более перспективные технологии eGraf Fredda и eGraf SpreaderShield на основе натурального кристаллического графита компании Graftech, благодаря которым 14-дюймовый Centrino-ноутбук не нуждается ни в одном вентиляторе. Аналогично технологии Graftech применяются в безвентиляторном супертонком ноутбуке Sony VAIO X505, а также для оптимального распределения и экранирования тепла в ноутбуках IBM и LG. Компания Samsung выбрала пленки SpreaderShield для предотвращения локального перегрева своих плазменных панелей.

Вернемся к настольным процессорам. У графита достаточно высокая теплопроводность даже перпендикулярно кристаллическим слоям; он является очень мягким материалом и хорошо «прилегает» к любым поверхностям; однако по обоим показателям графитовая прокладка — скорее уверенный середнячок, нежели лидер, поэтому сегодня их уже почти никто для этих целей не использует. Однако одну такую прокладку — от отечественной компании «АРМО-Графит» — мы включили в наш обзор.

Термопасты, термоклеи, плавящиеся термопрокладки

Самый часто используемый вариант: чтобы обеспечить надежный контакт между соединяемыми поверхностями, используют какое-либо вязкое вещество, заполняющее собой все зазоры. Иногда используется материал с фазовым переходом, то есть в обычных условиях на кулер нанесена обычная прокладка, но в ходе работы она расплавляется. Подавляющее большинство подобных жидкостей — аморфные вещества и диэлектрики. Сами по себе они являются довольно плохими тепловыми проводниками (хотя и лучшими, чем воздух); поэтому в них вводят специальный наполнитель — очень мелкодисперсный порошок из какого-нибудь хорошо проводящего тепло материала. Причем наполнителем может служить все что угодно — обычно используется алюминий или цинк, но в некоторых термопастах применяется медь и даже серебро (и возможно существование термопаст на основе порошка алмаза). Теплопроводность подобных решений — скромные 0,7-2,2 Вт/м°К.

Испытания

Мы использовали работающий на номинальных частотах Athlon 64 3500+ (ADA3500DEP4AW) и кулер Zalman 7000B-Cu, температура измерялась программой Motherboard Monitor 5 (MbM5), процессор «разогревался» с помощью пакетов BurnK7 и S&M. Температура воздуха в комнате +25 °C. Результаты сведены в таблицу.

Как и следовало ожидать, при отсутствии термоинтерфейса от перегрева процессор не спасает даже отличная шлифовка подошвы радиатора Zalman 7000B-Cu. Температура при запуске BurnK7 быстро возрастает до 85 °С и затем градус за градусом уверенно доходит до 100 °С. Максимально допустимая рабочая температура для данного экземпляра процессора составляет 70 °C; на практике сбои в работе процессора возникают, начиная с температуры 85 °С. Поскольку обе цифры оказываются превышенными с солидным запасом, назвать работоспособной такую систему трудно.

Термопрокладка от «АРМО-Графита» тестировалась первой и, можно сказать, «в тепличных условиях» — на еще ни разу не использовавшихся кулере и процессоре. Прокладка очень тонкая (0,1 мм), размеры точно соответствуют размерам подошвы кулера и процессора (см. фото). С помощью двенадцати клеевых подушечек, размещенных на прокладке, она легко приклеивается к одной из охлаждаемых поверхностей (лучше к кулеру). При снятии кулера — не повреждается и может быть использована многократно (но отдирать ее от того, к чему она прилепилась, — весьма трудоемкое и неприятное занятие). В комплект входят две прокладки. Однако результат неприятно поразил: картина точь-в-точь напоминала ситуацию, возникающую при полном отсутствии термоинтерфейса. И даже хуже. Пришлось перепроверить результаты на более холодном 90-нм Athlon 3200+. Итог: под нагрузкой S&M с термопастой АлСил-3 температура составила 43 °С; без термоинтерфейса — 54 °С, с графитовой прокладкой — 53 °С. Уже лучше, но результат все равно удручающий. Судя по всему, причиною тому — слишком малое давление радиатора на хитспредер процессора. Теплопроводность графитового интерфейса быстро растет с увеличением давления (см. график), а у кулеров для современных Athlon 64 и Pentium 4 это давление невелико. То есть прижимное усилие Zalman 7000B-Cu, вообще говоря, составляет внушительные 10 кг, но после распределения этого усилия по примерно 1300 мм² основания получаются скромные 0,075 МПа. У Pentium 4 крышка теплораспределителя поменьше: около 1000 мм², но и там давление составляет не больше 0,1 МПа. Для сравнения: давление типового кулера для Athlon XP на кристалл (площадью 101 мм²) — порядка 0,95 МПа, то есть в двенадцать с половиной раз больше. Так что, наверное, на этих процессорах прокладка «АРМО-Графит» была бы способна раскрыть свой потенциал.

Тюбик старой доброй КПТ-8 (Эта паста, кстати, существовала еще аж во времена СССР (паста теплопроводная кремнийорганическая ГОСТ 19783-74). Так что перед нами редкий образчик советского хайтека хранится у меня, наверное, лет пять — с тех самых времен, когда я впервые узнал про существование термопаст. Эта паста — самая густая в нашем обзоре, наполнитель — оксид цинка. Работать с ней не очень удобно, а тепловые характеристики, как показали испытания — на пару градусов хуже, чем у ее более молодых соперников. Справедливости ради стоит отметить, что если бы я использовал свежекупленный тюбик КПТ-8, то результат, возможно, был бы совсем другим. Все же многолетнее хранение едва ли идет термопасте на пользу .

АлСил-3 — наверное, самый ходовой термоинтерфейс. Работать с ним удобно (это самая «жидкая» в обзоре паста, ее легко наносить и стирать), продается она в достаточно больших шприцах (хватает не на один десяток переустановок кулеров). Цвет — грязно-серый, наполнитель — нитрид алюминия. Показанные на стенде результаты — самые лучшие.

TTG-S104 Silver Compound — это та самая знаменитая «серебряная паста», которая прилагается к кулерам Titan. Характерный металлический блеск и серый цвет, правда, больше напоминают графит, нежели серебро (да и химический анализ показывает, что серебра в S104 и близко нет). Термопаста весьма вязкая, и работать с ней не очень удобно. Особенно проблематично отмывать ее с тех поверхностей, куда она по неосторожности попала. Упаковка — небольшой тюбик втрое меньшего, чем у АлСила, объема. Термическая эффективность такая же, как и у АлСил-3.

CSL-850 прилагается в качестве штатного термоинтерфейса к кулерам Zalman. Маленький тюбик с белой термопастой. За исключением той мелочи, что из этого тюбика не так просто выдавить достаточное количество термопасты даже на одну (!) установку кулера, работать с пастой удобно — она достаточно жидкая и легко размазывается тонким слоем по рабочим поверхностям радиатора и процессора. Термическая эффективность идентична эффективности АлСила и TTG-S104.

Выводы

Специальный термоинтерфейс — не роскошь, а жестокая необходимость для большинства современных процессоров. Исключение составляют разве что младшие Athlon 64 на 90-нм ядре Winchester при использовании дорогих и эффективных кулеров (да и в этом случае термопасту лучше все-таки нанести).

Несмотря на всю свою потенциальную эффективность, на современных процессорах с хитспредером графитовые прокладки пока сильно уступают самой обычной термопасте. Компания «АРМО-Графит» согласна с нашими выводами и уже активно работает над более мягкими материалами, эффективными под невысоким давлением с хитспредерами современных процессоров.

АлСил-3 (пожалуй, лучший выбор среди обычных паст), Zalman CSL-850, Titan TTG-S104 показали в наших испытаниях практически идентичные результаты, КПТ-8 лишь чуть-чуть отстала (на пару градусов), так что гоняться за какой-нибудь «особой серебряной термопастой» нет смысла — просто используйте ту пасту, которая прилагается к вашему кулеру.

- из журнала "Компьютерра"