Курсовая работа: Системы охлаждения центрального процессора
Рисунок 10. Система испарительного охлаждения Asetek Vapochill (иллюстрация сайта Extreme Overclocking).
В итоге получается своего рода минихолодильник на процессоре. При стандартном тепловыделении 70 Вт температура может поддерживаться в районе 5°C. Эффективность выше, но и стоимость - как минимум, несколько сотен долларов.
Циклические тепловые трубки
Тем не менее, никто не запрещает использовать в теплообменнике более комплексные технологии охлаждения - это исключительно вопрос стоимости системы. Например, можно рассмотреть такой вариант, как пульсирующие тепловые трубки, они же - циклические.
Берем тонкую трубку, и изгибаем ее так, чтобы она создавала множество U-образных переходов. Трубка заполнена жидкостью не полностью, а так, что остается свободное место. В результате того, что одной стороной вся эта система примыкает к источнику тепла, а другую ее сторону охлаждает воздушный поток, внутри начинаются испарения и осаждения жидкости, с образованием пузырьков пара и превращением их обратно в жидкость по мере постоянного пульсирующего изменения давления в системе. Эти процессы и являются единственной движущей силой внутри системы, перемещающей жидкость от теплого ее конца к холодному, и обратно! То есть, ряд лишних в данном случае вещей, вроде гидравлического насоса, мы просто-напросто вычеркиваем (рис.11).
Эта технология пока что еще изучена довольно слабо для доведения ее до массового использования, но перспективы, судя по первым опытам, у нее самые что ни на есть оптимистические. Вот такая вот ажурная "коронка", установленная на основе 80х80х2 мм, способна пропускать через себя до 450 Вт тепла при разнице температур на разных своих сторонах до 40 градусов, будучи обдуваемой потоком воздуха со скоростью всего в 3 м/с.
Рисунок 11. Циклические тепловые трубки.
Можно вспомнить и о других интересных и, возможно, перспективных методах отвода тепла. Например, чем-то похож на только что описанный процесс метод переноса жидкостью тепла внутри пластины радиатора, когда в ней используется капиллярная структура, по которой жидкость переносит тепло от нагретого конца пластины к холодному, возвращаясь затем обратно. В результате снижается термосопротивление пластины по сравнению с тем, если бы она была сделана из чистого металла, в результате чего улучшается перенос тепла с одной стороны на другую. Это позволяет некоторым производителям видеокарт делать решения с подобными радиаторами, не нуждающиеся в принудительном охлаждении потоком воздуха.
Более того, появляются предложения использовать этот подход более, если можно так выразиться, интегрировано. То есть, делать чипы, в которых капиллярная структура будет использоваться не в радиаторе, а в теле самого чипа. Понятно, что в идее есть свое здравое ядро - тепло отводится непосредственно от тепловых очагов, про термосопротивление интерфейса вообще можно забыть за фактическим отсутствием оного. Хотя понятно, что всерьез говорить о каких либо возможностях использования этого предложения в современных процессорах, где на счету каждый квадратный миллиметр, просто бессмысленно. Здесь даже криогенное охлаждение получится дешевле, если учитывать, сколько сегодня стоит мельчайшая частица площади чипа. Это лишний раз подчеркивает, что, когда мы говорим об охлаждении процессоров, стоимость решений важна как бы ни больше, чем их эффективность. На то он и массовый рынок.
Электроосмос
Или, к примеру, еще один похожий вариант. Но здесь к термодинамике добавляются еще и электрические силы. Есть такой эффект - электроосмос, когда внешнее электрическое поле перемещает ионы в жидкости, заставляя весь ее объем перемещаться в том же направлении. В результате у нас появляется возможность создания миниатюрного гидравлического насоса, не имеющего движущихся частей - вполне идеальный вариант для применения в PC классических систем с водным охлаждением. Ученые из Стэнфорда исследовали подобные системы в сочетании с радиаторами с внутренней капиллярной структурой, и достигли весьма обнадеживающих результатов, вполне позволяющих рекомендовать подобные комбинации, например, для использования в мощных ноутбуках (рис.12).
Рисунок 12. Система электроосмос в сочетании с радиаторами с внутренней капиллярной структурой.
Влияние низких температур на работу электронных схем
По мере того, как чипы становятся все более мощными и миниатюрными, сегодняшние массовые решения, основанные на охлаждении металлических радиаторов воздушным потоком, начнут все дальше и дальше отступать в прошлое, уступая свое место вышеописанным решениям или даже их комбинациям. Благо, что за те годы, что используются нынешний подход, технологии совершили заметный скачок, так что уже видна возможность их выхода на коммерческий рынок. Последние модели графических High-End карт, в комплекте с которыми опционально можно приобрести систему водяного охлаждения и наличие на рынке большого ассортимента систем для водяного охлаждения центрального процессора лишний раз это доказывают.
Впрочем, бывают случаи, когда даже такого уровня охлаждения оказывается недостаточно. Впрочем, здесь затрагиваются несколько более фундаментальные вопросы. Например, о направлении развития всей микроэлектроники, как таковой. Сегодня мощность чипов наращивается всем известным образом - за счет уменьшения размеров транзисторов, увеличения их количества, и отношения напряжение/размер транзистора.
Между тем, еще несколько десятков лет тому назад проводились серьезные исследования на тему влияния низких температур на работу электронных схем. Комбинация получилась идеальная: производительность работы увеличивалась, за счет уменьшения времени переключения транзистора и сопротивления межтранзисторных соединений, одновременно повышалась надежность за счет увеличения времени жизни и уменьшения количества отказов. Таким образом, есть и альтернативный вариант для увеличения производительности чипов - достаточно охладить их до весьма низких температур. Чем, кстати, и пользуются их производители, когда им надо показать потенциал своего детища - достаточно применить жидкий азот.
Нитрогенные системы
Рисунок 13. Система охлаждения на жидком азоте (иллюстрация сайта Muropaketti. com).
Самый "хардкорный", самый недоступный, самый неудобный и самый эффективный на сегодня подход - "нитрогенное охлаждение". В емкость, закрепленную на кристалле, наливается сжиженный газ - азот, имеющий температуру далеко ниже нуля по Цельсию (рис.13). Здесь вопрос эффективного подвода холодного теплоносителя не стоит, потому что он либо есть (и имеет свои - 196°C), либо его нет. Теплообмен также не является проблемой по той же причине - емкость на кристалле имеет фактически ту же температуру - 196°C, пока там есть жидкий азот.
И отвод горячего теплоносителя тоже не является проблемой, поскольку все происходит само собой - азот быстро и с шумом испаряется. Но в этом подходе при массе его достоинств остается одна непроходимая проблема - собственно сам жидкий азот, который нужно будет покупать в огромных количествах и регулярно доливать в ту ужасную, покрытую инеем и туманом конструкцию, бывшую когда-то вашим персональным компьютером.
Как показывают результаты опытов, в среднем, в зависимости от характеристик чипа, можно говорить где-то о приросте 1-3 процентов производительности CMOS транзисторов на снижение температуры на каждые 10 градусов Цельсия. Это очень не мало - снизив температуру чипа, к примеру, с 60 градусов выше нуля до 40 градусов ниже нуля, как это вполне успешно делает сегодня Kryotech, мы получим суммарное снижение в 100 градусов, а это - уже плюс 10-30 процентов к производительности, что на сегодняшний день для центральных процессоров дает прирост в сотни мегагерц.
Впрочем, так уж сложилось на сегодняшний день, что ускорение чипов традиционными методами считается более дешевым и простым вариантом. Поэтому производители предпочитают вкладывать миллиарды долларов в совершенствование техпроцессов, а более-менее заметными примерами использования криогенных методов охлаждения с использованием компрессоров (схема, наподобие которой работают кондиционер и холодильник), являются разве что та же Kryotech со своими системами на базе Athlon, да IBM, с некоторыми из своих серверов.
Хотя, стоит чуть более подробнее коснуться этого метода, тем более, что он используется в коммерческих PC. Метод является, пожалуй, самым "тяжелым", поскольку потенциально способен давать охлаждение хоть до температур сжижения газов, т.е., намного ниже - 200 по Цельсию. Он основан на использовании легкоиспаряющихся жидкостей и на том, что газы (в данном случае, эта самая испарившаяся жидкость), при расширении охлаждаются, предварительно же эти самые пары сжимают при использовании компрессора. В конденсаторе, расширяясь, они отдают тепло (как от чипа, так и то, что было получено при сжатии), конденсируясь обратно во влагу, которая вновь идет в прилегающую к чипу пластину для того, чтобы в очередной раз испариться.
Тем не менее, как уже говорилось, несмотря на всю потенциальную (да и демонстрируемую) мощность такого подхода, применяется он не так уж и часто. В чем-то такая позиция обоснована, поскольку, все же, вода и чипы - понятия не совместимые, так что любое использование жидкостных систем охлаждения для производителей PC является достаточно хлопотным занятием. Необходимо тщательнейшим образом отслеживать все вопросы, связанные с герметичностью, появлением конденсата, и т.д. Добавим сюда довольно большой занимаемый объем в корпусе PC и достаточно высокую стоимость, и мы поймем, почему этот метод охлаждения так и не получил до сих пор массового признания. Впрочем, подождем еще несколько лет, пока температура чипов поднимется до той точки, когда потребуются новые методы охлаждения.
Применение "открытой жидкости".
Возможно, что тогда эти соображения особой роли играть не будут, более того, в ход пойдут и еще более экстремальные технологии, основанные уже на применении "открытой жидкости", не загнанной в различные резервуары, а имеющей прямой контакт с чипом.
Первый из подобных методов, он же - наиболее поражающий своей эффектностью, это полное погружение внутренностей компьютера в охлаждающий раствор. При этом мы вообще полностью избавляемся от термосопротивления прилегающей к чипу пластины, в которой содержится вода, и всех прочих подобных термоинтерфейсов. Прямой контакт - тепло сразу передается в охлаждающую среду.
Вроде бы, только что говорилось о полной несовместимости чипов и воды? Да. Но здесь вся хитрость в том, что речь идет в том, что имеются уникальные составы, имеющие жидкое агрегатное состояние, но являющиеся при этом полноценными диэлектриками. Так что чип может спокойно работать, будучи погруженным в такой раствор - отсутствие коротких замыканий гарантировано так же, как если бы между контактами находился бы воздух. На сегодняшний день общепринятым вариантом в этом случае является целый класс флюорокарбоновых жидкостей, из которых наиболее известна предлагаемая 3M марка "Fluorinet", также представляющая из себя целый набор продуктов с различными свойствами. Термосвойства у нее хуже, чем у воды, но, за счет того, что возможен прямой контакт с чипом...
С подобными системами активно работала IBM, использовались флюоркарбоновые составы и в охлаждении CRAY-2. Естественно, что речь не идет просто об отводе тепла в жидкость, иначе, при температурах нынешних чипов, модуль с ней быстро превратился бы в кипящий котел. Как и в системах с непрямым жидкостным охлаждением, здесь также присутствует охлаждающий блок, где состав может отдавать поглощенное им от чипов тепло.