Курсовая работа: Системы охлаждения центрального процессора
Речь, конечно же, идет о разнообразных пастах, гелях, и тому подобных вещах. Сегодняшние материалы подобного рода обладают теплопроводностью до 13 Вт/квадратный метр/градус Цельсия, что более чем достаточно для сегодняшних устройств, но если сбудутся прогнозы на конец этого десятилетия, этот параметр должен будет вырасти раза в три. Но здесь физических проблем тоже не наблюдается - потенциал имеется и выше 100 Вт/квадратный метр/градус Цельсия, а значит, химики и физики в этом направлении наверняка продвинутся.
По мере их работы, несомненно, будет находиться применение все новым и новым материалам. Как это было, например, с материалами с изменяющимся фазовым состоянием, описанными еще двадцать лет назад, но в охлаждении чипов начавших применяться только тогда, когда появились достаточно горячие процессоры, уровня Pentium. Изменяющееся фазовое состояние имеет, например, вода, которая, в зависимости от температуры, может, не меняя своего химического состава, переходить из одного фазового состояние в другое - твердое, жидкое, газообразное.
Воду, конечно, в качестве прослойки между чипом и радиатором не применяют, но есть и другие варианты, представляющие из себя смесь полимерной основы и керамического наполнителя, повышающего термопроводимость смесей - например, Al2O3, BN, AlN или ZnO. Подобные смеси при комнатной температуре представляют из себя весьма вязкую субстанцию, в промежутке 40-70 градусов по Цельсию переходящую в жидкое состояние, вытесняя воздух между чипом и радиатором, и уменьшая термосопротивление этого участка. В таком состоянии материалы с изменяющимся фазовым состоянием работают не хуже гелей и жидких термопаст, но они заметно более удобны в обращении.
Аэрогенные системы
Воздушное охлаждение, при всех его недостатках, обладает главным преимуществом - простотой и дешевизной реализации. Определенные же доработки позволяют по-новому взглянуть на дальнейшие перспективы воздушного охлаждения применительно к охлаждению все более мощных процессоров.
Рисунок 2. RevoltecFreezeTower (иллюстрация сайта Hotline.ru).
Есть куда стремиться и создателям моторов, и дизайнерам лопастей. И в плане повышения эффективности основной функции и в плане снижения шума. В области традиционных кулеров вообще есть еще к чему стремиться. Тут и сочетания различных материалов в одном радиаторе, когда, допустим, основа делается из одного материала, а ребра - из другого, и вентиляторы с повышенной в разы мощностью, и пьезоэлектрические ребра охлаждения (рис.2).
Рисунок 3. ScytheKATANACu (иллюстрация сайта Hotline.ru).
В настоящее время в этой области многое изменилось - добрая половина моделей переместилась в разряд неактуальных, на рынке появились системы охлаждения с оригинальными конструкциями и улучшенными характеристиками.
Энергопотребление и, как следствие, тепловыделение представителей многочисленного семейства c архитектурой Intel Core оказалось гораздо ниже самых оптимистичных прогнозов. Почти все современные процессоры AMD изначально отличались умеренным энергопотреблением, а теперь пользователям предлагаются еще и более экономичные модели Energy Efficient. Поэтому производители кулеров сегодня много внимания уделяют не только эффективности своих решений, но и улучшению внешнего вида и шумовых характеристик систем охлаждения, а также обеспечению максимальной совместимости продуктов с различными процессорными разъемами. Некоторые компании даже возвращаются к проверенным конструктивным решениям, лишь слегка их модернизировав (рис.3). С выходом Core 2 Duo требования к эффективности охлаждения во время их работы в штатном режиме значительно снизились. Однако для раскрытия частотного потенциала понадобится улучшенный отвод тепла, да и появление четырехъядерных процессоров возобновляет интерес к альтернативным системам охлаждения.
Рисунок 4. Zalman CNPS8000 (иллюстрация сайта Hotline.ru).
Сегодня при производстве большинства систем охлаждения в конструкции массово используются тепловые трубки, которые позволяют снизить общую массу радиатора при сохранении его высокой эффективности, улучшить теплопередачу от основания радиатора к ребрам, применять относительно дешевый алюминий вместо меди (рис.4,5).
Рисунок 5. ThermaltakeBeetle (иллюстрация сайта Hotline.ru).
Аэрогенные системы с элементами Пельтье
Есть и еще один любопытнейший интерфейс между чипом и радиатором, основанный на открытом еще в первой половине 19-го века эффекте, по имени его первооткрывателя получившего название эффекта Пельтье. Эффект заключается в том, что напряжение, поданное на два противоположных друг другу материала вызывает разницу температур. Перетекая в один, электроны переходят в более высокое энергетическое состояние, поглощая тепло, возвращаясь в другой, они это тепло высвобождают. Типичный термоэлектрический модуль, таким образом, состоит из двух хорошо пропускающих тепло керамических пластинок, являющихся его оболочкой, и расположенных между ними пар из прилегающих друг ко другу P и N легированных материалов полупроводника теллурида висмута (Рис.6).
Рисунок 6. Элемент Пельтье.
При подаче напряжения одна из сторон охлаждается, другая - нагревается. Это ни в коем случае не средство охлаждения, как зачастую относятся к элементам Пельтье не разбирающиеся в теме люди. Это тепловой насос, который не превращает тепло в холод, а просто, фактически, эффективно передает его с одного своего конца на другой. Объем совершаемой работы, естественно, полностью зависит от напряжения и силы тока и в существующих сегодня на рынке моделях, разница между холодной и горячей сторонами элемента может составлять весьма внушительную величину. До 65-70 градусов в случае использования одной пары термоэлектриков, и еще больше - если такие пары в одном элементе накладываются друг на друга (рис.7).
Рисунок 7. Кулер с термоэлектрическим модулем Пельтье - Thermaltake SubZero4 (иллюстрация сайта 3DVelocity).
Да, мы спокойно можем сделать температуру стороны, прилегающей к процессору, скажем, 0 градусов по Цельсию. Весь вопрос в том, каких затрат энергии нам это будет стоить, и какова будет температура горячей стороны, которую придется охлаждать привычными методами. Элемент Пельтье способен несколько облегчить жизнь чипу, поскольку, будучи малой площади, способен отвести непосредственно от чипа куда больше тепла, чем любой радиатор куда более крупных размеров, но количество тепла в системе чип-радиатор он снизить не может по определению. Это всего лишь тепловой насос.
Гидрогенные системы
Так что дальше с отводом тепла придется сражаться либо все тому же классическому кулеру, либо же чему-нибудь несколько более мощному. Мощному - читай, имеющему лучшую теплопроводность, чем воздух. Да, речь идет о жидкостном охлаждении во всех его проявлениях. За счет своей более высокой теплопроводности жидкость лучше поглощает тепло от его источников, а принудительное ее охлаждение в отведенном для этого месте может не ограничиваться доведением ее до комнатной температуры, тогда как в случае с воздухом нам приходится пользоваться тем, что дают.
Рисунок 8. Система с жидкостным охлаждением.
Классическая схема в этом случае выглядит следующим образом: с чипом соприкасается полая металлическая пластина, через которую протекает охлаждающая жидкость. Поглотив тепло от стенок пластины, нагретых чипом, она попадает в специальный резервуар. Из него, с помощью насоса, нагретая жидкость перемещается в теплообменник, где у нее производится отъем тепла помощью воздуха. Вновь охлажденная жидкость попадает все в ту же пластину, соприкасающуюся с чипом (рис.8,9).
Рисунок 9. Система водяного охлаждения Thermaltake Aquarius II.