Введення, Радіатор - Системи охолодження центрального процесора
Останнім часом складається така ситуація, що розвиток існуючих засобів охолодження мікропроцесорів не встигає за збільшенням теплової потужності, що виділяється ними. Модернізація технологічних процесів, що впливають на споживану окремим транзистором потужність, на практиці не дозволяє ефективно "термокомпенсувати" зростаючу кількість цих транзисторів на кристалі. І традиційні процесорні кулери вже ледве справляються з охолодженням нових гарячих каміння.
Сьогодні вже немислимо уявити, що новий процесор може з'явитися без анонсування характеристик тепловиділення та енергоспоживання. Чому взагалі виникають претензії до тепла і чому процесор не може працювати за температури градусів 200? Фізика, звісно ж. Почнемо з того, що тепло ніколи не позначалося позитивним чином на надійність електронних компонентів. Втім, настав час перейти до більш практичних питань. Однак, спершу нам доведеться торкнутися деяких теоретичних основ предмета і поговорити про відведення тепла від процесора. Для початку мова піде про термопасти та радіатори.
Тут, про всяк випадок, варто торкнутися різниці між теплом і температурою. Радіатор не знижує температуру чипа! Він просто збільшує поверхню, що стикається з повітрям, за рахунок чого покращується відведення тепла. Досить проста річ, але чомусь не завжди очевидна. Радіатор дозволяє зробити так, що той же процесор для повітряних потоків, грубо кажучи, виглядає як пластина площею не 100 квадратних міліметрів, а, наприклад, 1000. Втім, на подібні площі в комп'ютері вам навряд чи хтось дозволить претендувати, так що сьогоднішній радіатор для потужних процесорів - це вельми невелика тривимірна річ, чий еквівалент у двовимірному вигляді часом міг би з легкістюрозтягнутися на всю площу корпусу вашого PC.
Втім, площа, як не крути, і як ефективно обсяг радіатора не використовуй, все ж таки є обмеженим ресурсом. Коли вона закінчується, в дію набирає наступного кроку захисту - використання теплопровідних властивостей різних матеріалів. Свого часу стандартом у цій галузі був алюміній, який чудово справлявся з відведенням тепла від відносно холодних чіпів аж до кінця 90-х років.
Однак, з роками, з чіпами відбувалася одна характерна метаморфоза: їхня площа безперервно скорочувалася, а температура так само безперервно зростала. В результаті, якщо раніше ми мали справу з великим чіпом під великим радіатором, тобто джерело тепла по відношенню до радіатора було приблизно рівномірно розподілено по всій його площі, а швидкість потоку повітря була відносно слабкою, оскільки йшлося або про радіатор сам по собі, або про простенький слабкий вентилятор. У таких умовах, звичайно, алюміній був непоганим варіантом.
Мідь тут було використовувати просто безглуздо - мідний радіатор тут забезпечував би приблизно ті ж параметри, будучи втричі важчими, а також важчими в обробці і дорожчими. Однак, коли чіпи почали змінюватися вищеописаним чином, а вентилятори в кулерах почали ставати все потужнішими і потужнішими, мідь явно почала вириватися вперед. При відносно високих швидкостях потоку повітря і малої площі чіпа різниця в термальному опорі однакових радіаторів з міді та алюмінію може становити до 30 з лишком відсотків. Хоча, звичайно, триразова різниця у вазі при цьому залишається.
Втім, існують і цікавіші в цьому сенсі матеріали. Наприклад, різноманітні форми вуглецю. Від природного графіту до штучних алмазів, які давно вже стали нормою у прецизійнихсистемах охолодження напівпровідникових лазерів У PC можна обійтися і графітом, у всіх його формах: при вазі меншій, ніж у алюмінію, термічні властивості у нього швидше відповідають міді.
Це особливо актуально, враховуючи поточний тренд розвитку мікроелектроніки – зменшення розмірів чіпів на фоні збільшення їх потужності та, відповідно, тепловиділення. Так що виробникам рішень для їх охолодження доведеться використовувати всі наявні у них засоби. І нові матеріали, такі як графіт, швидше за все, в найближчому майбутньому в радіаторах з'явиться, і нові форми, що забезпечують більш ефективне охолодження.
З самим агентом – повітряним середовищем, зробити нічого не вийде. У плані зміни її фізичних властивостей, на кшталт надто низької теплопровідності. Так що доводиться змінювати ті речі, які все ж таки можна змінити - коефіцієнт теплопередачі і площа поверхні, що бере участь в обміні тепла.
Коефіцієнт теплопровідності можна змінити цілим набором різних способів, де на першому місці за поширеністю стоїть збільшення швидкості потоку повітря, що омиває радіатор. Щоправда, більше 10 метрів на секунду зазвичай цей параметр все ж таки піднімати не ризикують - аж надто гучним виходить кулер. Тоді в дію вступає другий доступний конструкторам фактор - варіації з формою радіаторів, щоб збільшити ефективну площу розсіювання, причому, бажано, враховувати конфігурацію повітряних потоків, щоб, наприклад, швидкість повітря в результаті не знизилася на більшу величину, ніж збільшиться площа радіатора.
Тут, втім, також є свої традиційні методи. Наприклад, "їжачок", коли на квадратному сантиметрі поверхні намагаються розмістити максимальну кількість пластин-голок, в результаті чого дійсно площа,що стикається з повітрям, збільшується максимально, але при недостатньо ефективної конструкції є шанси значно знизити швидкість потоку повітря, що продирається крізь них. З кожним роком технології пресування все удосконалюються, так що і щільність ребер на ту ж площу безперервно зростає, і форма їх безперервно ускладнюється - від прямих виступів тут уже давно перейшли до вигнутих площин різних конфігурацій (рис.1).