Экстремальное охлаждение процессоров

Существует на свете такая порода людей, которым всегда мало того, чего для всех других, казалось бы, хватает с лихвой. Им всегда надо большего. Да так, что бы кровь кипела, потому что давно зависимый от адреналина организм, требует все новых и новых острых ощущений. Экстремалы. Что им нужно? Конечно же скорость, где бы и в каком бы виде она ни была: диких мотоциклетных гонках, быстрых автомобилях, в горах,  прыжках с парашютом или в виртуальном мире скоростей процессорной техники. Да уж, наш технотронный мир породил новые ощущения, ощущения от гонки процессоров, гонки самых быстрых вычислений, которые способны понять лишь считающие себя избранными. Разгон компьютеров в экстремальных условиях стал уже той субкультурой, которая поглотила в себя многих…

Современный процессор — это еще тот номер. Он и без всякого экстремального разгона греется как паяльник, которым запросто можно было бы запаять дырявый бак автомобиля. И чтобы прилично поднять планку его производительности, требуются уже совершенно иные условия, новые типы борьбы с тепловыделением — экстремальное охлаждение. Инновации коснулись и этой области техники. Тут уж в силах помочь лишь особые системы охлаждения. Вернее, это уже не охлаждение в простом понимании этого слова, это режим тотальной заморозки. Обеспечение температур,  близких к температурам воздуха Антарктики, или же космического холода ...

В мире существует всего несколько фирм, специализирующихся на выпуске специальных систем экстремального охлаждения для компьютеров. Монтируются такие установки в специальные корпуса и стоят немало. Однако, что деньги для тех, кто  привык брать от жизни все, бороться за каждый лишний мегагерц и за каждый градус. И немалая сумма, выложенная за самую эффективную в мире установку охлаждения центрального процессора, этим людям не кажется излишней. Что можно сотворить с  процессором с помощью этой установки — это уже, наверное, тема индивидуального, сокровенного захватывающего повествования...

Самыми мощными средствами охлаждения для компьютеров на сегодняшний день являются, так называемые, криосистемы. Криосистемы могут опустить температуру процессорного ядра до -40 градусов Цельсия, а то даже и еще ниже. Криогенные установки стоят дорого — сотни и тысячи долларов. Поставляются уже встроенными в специальные корпуса, либо в виде собранного на заказ готового компьютера. Имея такое охлаждение, можно повышать частоту и напряжение питания процессора до максимально возможного предела, не заботясь о перегреве ядра. Такие установки котируются в немногочисленных тестовых лабораториях, и, конечно же, от криосистемы не отказался бы каждый истинный компьютерный фанат.

Конструктивные особенности криосистем

Криогенная система охлаждения (под криогенными системами здесь и далее автор понимает обычные холодильные машины. Что ж, его право, не будем настаивать,  хоть это и не совсем верно с точки зрения физики — прим. ред.) на компьютере, на первый взгляд, кажется чем-то чрезвычайным, некой чудовищной машиной, чья конструкция была создана, как минимум, где-то в холодных далях чужой звездной системы. Название-то какое — криогенное охлаждение. Однако за броскими словами на самом деле скрывается самая тривиальная установка, сотни миллионов которых неизменно трудятся практически в каждом нашем доме, не зависимо от того, являются ли их владельцы обладателями ПК или слыхом о таких не слышали. Загляните за заднюю стенку своего домашнего холодильника, и вы наверняка увидите то, что является его сердцем и сердцем любой компьютерной криосистемы — мирно урчащий "горшок" холодильного агрегата. Широко применяются холодильные агрегаты и в другом бытовом, промышленном и лабораторном оборудовании.

Принцип действия криосистемы хорошо известен, и отработан уже более чем за сотню лет (рис.1). Компрессор нагнетает сжиженный газ — хладагент, фреон или его заменитель, в испарительную камеру.

Подаваемый под давлением через дроссель (представляющий собой капиллярную трубку) сжиженный газ интенсивно испаряется и охлаждает камеру. Тот же компрессор вытягивает охлаждающий газ с другой стороны камеры и сжижает его в специальном конденсаторе. При сжижении, превращаясь в жидкость, газ нагревается, поэтому для конденсатора желательно дополнительное охлаждение. Хладагент вновь подается в испарительную камеру, где он опять выступает в роли охлаждающего вещества. Хладагент постоянно циркулирует в замкнутой системе, проходя фазы жидкость/газ, забирая тепло в испарительной камере и отводя его через конденсатор наружу.

Конструктивно, небольшой холодильный агрегат монтируется в корпус компьютера  в нижней или верхней его части. Туда же помещается небольшой конденсатор, снабженный собственным вентилятором. Охлаждающая испарительная камера, она же кулер процессора, по меркам бытовых холодильных машин выглядит совершенно миниатюрной, да и все детали в этой системе, в общем-то, не очень большие, следовательно, хладагента тоже немного, и с ттаким его объемом справляются даже маленькие компрессоры. Компрессор всегда производит какой-то шум, однако от маленького агрегата он невелик, и ощутимые звук и вибрация появляется лишь в момент запуска цикла. То же можно сказать и о тихом низкооборотном вентиляторе конденсатора. В компьютерных корпусах могут применятся холодильные агрегаты, рассчитанные на питание постоянным током 12 В. Но это не значит, что компрессор разработан специально для блока питания ПК. Просто взят обычный компрессор от автомобильного холодильника, рассчитанного на бортовую сеть автомобиля, в которой тоже 12 В.

Как уже говорилось,  такая система способна обеспечить процессору отрицательную температуру по шкале Цельсия. Поэтому в конструкции компьютерной криосистемы обязательным элементом является не только сама холодильная машина, но еще, как бы это ни дико звучало, нагреватель. Большие и резкие перепады температур приводят к проблемам, которые никогда не могу проявиться при охлаждении воздухом или даже водой комнатной температуры. Влага из окружающей среды (которая всегда есть в воздухе) интенсивно конденсируется на элементах, чья температура ниже температуры воздуха и иногда даже, поскольку температура этих элементов часто оказывается не только ниже температуры окружающей среды, но и ниже нуля, спокойно меняет свое агрегатное состояние еще раз, то есть превращается в лед. И даже если не превращается в лед, то все равно остается на этих элементах в виде воды. Поэтому, если не принять мер, то корпус процессора, окружающие его участки материнской платы, и даже обратная ее сторона постепенно покроются толстой шубой из намерзшего инея (вы это видели — загляните в морозильную камеру), или тонким слоем чистейшей дистиллированной воды Чем это грозит, нетрудно догадаться. Влага является проводником электричества, следовательно, вода на материнской плате и процессоре запросто может вывести из строя множество дорогих железок.

Самый эффективный способ борьбы с конденсацией — это нагрев. Поэтому криосистемы снабжаются не только охладителем, но и элементами нагрева. Испаритель охлаждает ядро процессора, а нагреватель греет его корпус по периметру и часто обратную сторону материнской платы. Получается, что при охлаждении ядра даже до очень низких температур корпус процессора и окружающие его элементы остаются теплыми, препятствуя, таким образом, конденсации на них угрожающей электронике коротким замыканием влаги. Кроме того, процессор помещается в специальный изолирующий футляр. Трубки, подходящие к испарителю, заключаются в теплоизоляцию. Для лучшей гидроизоляции применяются специальные герметики.

Примечательно то, что КПД холодильных установок выше единицы. То есть, количество поглощенной тепловой энергии больше, чем затраченной электрической.  Нет, речь идет не о вечном двигателе, и с законом сохранения энергии здесь все в порядке. Дело в том, что холодильная компрессорная установка не вырабатывает энергию сама, а просто работает тепловым насосом — перекачивает уже существующую  энергию с одного места в другое, и тепло  от испарителя транспортируется к конденсатору, где и выделяется. Энергию компрессор, разумеется, потребляет, причем зачастую немалую — скажем, сотню ватт.

Криогенные компрессорные установки для компьютеров выпускает не так уж много фирм. Среди них нужно отметить VapoChill от Asetek и криоустановку KryoTech Super G2. Обе они оборудованы холодильными компрессорными агрегатами, вмонтированными в поставляемый вместе с установками ATX корпус.

Криогенные системы VapoChill отличаются стильным дизайном, разнообразием цветовых решений, поставляются для разных типов процессоров с агрегатами, рассчитанными на разную мощность. Холодильный компрессор в корпусе VapoChill устанавливается сверху (рис.2), там для него отведен специальный вместительный отсек, куда помещается также радиатор и его вентилятор.

Корпус с криоустановкой оборудован системой термоконтроля и всеми атрибутами приличного компьютерного корпуса. Вентиляционные прорези и окошко индикатора температуры выполнено в приятных плавных линиях, как и формы всего корпуса VapoChill. Лицевую панель дополняют три стандартные 5,25’ отсека и один отсек для флоппи. Внутри есть еще пять 5,25’ отсеков. Несмотря громоздкое внутреннее оборудование и немалые размеры, корпуса VapoChill выглядят довольно легко и элегантно (рис.3).

Верхняя часть корпуса VapoChill изолирована от остальной его части обычного АТХ формата стальной перегородкой. Здесь установлен горшкообразный компрессор, трубчатый радиатор конденсатора и его вентилятор (рис.4).

Кругом достаточно места для хорошей вентиляции пространства вокруг компрессора. Верхнее расположение тяжелого компрессора высоко смещает центр тяжести всего корпуса и делает его менее устойчивым, тем более, что внизу никаких дополнительных опор для придания устойчивости не предусмотрено. В нижнюю часть корпуса, где установлена материнская плата и все остальное оборудование компьютера в обычном порядке, опускается двунаправленный трубопровод в толстой теплоизоляции. Главный охлаждающий элемент CPU, испаритель, заключен в специальный футляр довольно сложной конструкции, в который также вмонтирован плоский нагревательный элемент. Все это надежно изолируется от окружающего пространства с помощью внешнего кожуха (рис.5).

В то время как медная вставка радиатора охлаждает ядро процессора до низких температур, нагреватель обогревает корпус процессора, препятствуя конденсации внутри влаги. Общая плотная изоляция направлена на защиту охлаждающего блока от проникновения атмосферной влаги. На материнской плате криоблок VapoChill выглядит довольно компактно (рис.6). Разные модификации криогенных установок VapoChill могут понижать температуру незагруженного процессора до  -25…-40 градусов Цельсия.

Другой известной установкой для охлаждения компьютеров является криосистема KryoTech Super G2. В ней реализован тот же принцип охлаждения — с помощью стандартного холодильного компрессора. В отличие от описанной выше установки VapoChill, теперь холодильный агрегат крепится внизу, что придает хорошую остойчивость этому довольно высокому корпусу.

KryoTech Super G2 также поставляется уже вмонтированной в собственный корпус. Внизу установки — отсек для холодильного агрегата (рис.7), вверху — пространство стандартного АТХ корпуса. Корпус укомплектован четырьмя 5,25’ внешними отсеками, двумя наружными отсеками для 3,5’ устройств, блоком питания на 350W. Есть несколько посадочных мест для дополнительных вентиляторов.

В нижнем отсеке стоит компрессор, радиатор конденсатора и тихоходный вентилятор увеличенного диаметра. Там же, с выходом на переднюю панель, стоит жидкокристаллический индикатор системы встроенного температурного контроля. Изолированная шина для хладагента идет снизу по задней стенке корпуса, соединясь с испарительным блоком охладителя CPU. Охлаждающий блок для CPU изготавливается только для процессоров AMD (рис.8). Он, как и положено, закрыт изолирующим футляром и оборудован встроенным нагревателем по периферии корпуса процессора. Заявлена максимально низкая температура охлаждения радиатора испарителя -40 градусов Цельсия.

Про конденасцию влаги мы уже писали. Эта проблема, хотя и решается частично путем нагревателей и изоляции, все же присутствует, и от нее никуда не деться. Даже в описанных криосистемах вероятность выхода комплектующих из строя  из-за влаги все же есть.

У холодильных систем есть и другие недостатки. Для того, что бы холодильный компрессор вошел в свой рабочий режим, требуется некоторое время. Поэтому криоустановку лучше включать за некоторое время перед запуском процессора.
Если какой-то элемент цикла выйдет со строя, то перестанет работать вся система охлаждения ядра, и процессор перегреется и, если ваша плата не оборудована системой защиты от перегрева, сгорит, так как сам радиатор надежно изолирован от окружающего воздуха и рассеивания тепла в окружающую среду практически нет. К счастью, для Pentium 4 эта проблема вовсе неактуальна, да и качественные платы для Socket A уже давно оснащаются системами контроля температуры, реагиру\ющими на ее повышение практически мгновенно А вот если выйдет со строя система обогрева корпуса процессора, то процессор обмерзнет и, в конце концов, что-то все-таки сгорит. Систем контроля уровня влажности в материнские платы и процессоры, к сожалению, не встраивают.

Также к недостаткам таких систем можно отнести большие габариты и немалый вес, шум, ну и, само собой — очень уж высокую стоимость.

Охлаждение CPU на основе элементов Пельтье

Кулеры на основе элемента Пельтье также могут охлаждать радиатор CPU ниже температуры окружающего воздуха и даже ниже нуля. Эффект Пельтье относится к разряду термоэлектрических явлений, он был впервые открыт французом Жаном-Шарлем Пельтье в 1834 году. Когда Жаном-Шарлем Пельтье пропустил постоянный ток через полоску висмута, подключенную с помощью двух медных проводников, то он заметил, что соединение, где ток идет от меди к висмуту нагревается, другое соединение — висмут-медь, через которое ток шел в обратном направлении, охлаждалось.  Позже выяснилось, что этот эффект в значительной степени усиливается, если вместо металлов использовать соединения из разнородных полупроводников. На том и основаны конструкции современных элементов Пельтье.

Конструктивно охладитель на основе эффекта Пельтье состоит из последовательного соединения множества чередующихся полупроводниковых элементов n и p-типов. При прохождении постоянного тока через такое соединение одна половина p-n контактов будет нагреваться, другая наоборот — охлаждаться. Полупроводниковые элементы ориентированы так, чтобы нагревающиеся контакты выходили на одну сторону, охлаждающиеся — на другую. Получается пластинка, покрытая с обеих сторон материалом из керамики.

Если подать на пластинку из элементов Пельтье достаточно сильный ток, то одна ее сторона нагреется, а другая охладится, а разность температур между ними может достигать нескольких десятков градусов. Холодную сторону кладут на ядро CPU, на горячую же устанавливают радиатор с воздушным или водяным охлаждением. Получается конструкция очень похожая на обычный воздушный кулер или систему водяного охлаждения. Тонкую, всего несколько миллиметров толщиной пластинку Пельтье, здесь сразу можно и не заметить. Однако эффект от охлаждения сильно возрастает, так как теперь температуру со стороны ядра можно опустить ниже температуры окружающего воздуха и даже ниже нуля, чего никак не достичь при обычных системах воздушного или водяного охлаждения.

Для достижения нужного эффекта через него нужно пропускать ток большой величины — более 10 А. КПД элемента Пельтье достаточно низок. Значительная часть затраченной энергии не приносит никакой пользы, а лишь выделяется в виде дополнительного тепла с горячей стороны элемента. Таким образом, суммарное количество тепла, выделяемого на радиаторе элемента Пельтье, будет раза в два больше, чем, если бы он не использовался вообще.Соедовательно, радиатор потребует куда мощную систему отвода тепла. Спасает лишь то, что радиатор на элементе Пельтье может выдерживать температуры гораздо выше, чем если бы это был просто радиатор на ядре процессора. Элемент Пельтье не выходит из строя при 100 градусах.

Воздушные кулеры, дополненные элементом Пельтье очень легко устанавливаются, не требуя корпусов специальной конструкции. Да и на вид они мало чем отличаются от своих простых воздушных собратьев. Однако для них требуется либо дополнительный блок питания, либо БП компьютера должен быть рассчитан на большую мощность, что бы ее могло хватить и на немалые аппетиты термоэлектрического охладителя.

Системы охлаждения CPU, использующие в своей конструкции элемент Пельтье выпускаются разными фирмами. Это может быть просто очень тонкая термоэлектрическая пластинка элемента Пельтье, которая вкладывается между радиатором обычного воздушного кулера достаточной мощности или ватерблоком (рис.9, 10), не требуя никаких дополнительных приспособлений.

В качестве примера более завершенной конструкции можно привести систему совместной разработки Thermaltake и ActiveCool — SubZero™ 4G (рис.11). Эта установка состоит из массивного радиатора с мощным вентилятором, в подошву которого встроен термоэлектрический модуль Пельтье. Крепится радиатор SubZero™ 4G как обычный процессорный кулер.

Вместе с ним в комплекте идет PCI-карта, содержащая систему терморегуляции и управления вентиляторами (рис.12), в ней же встроен дополнительный блок питания для модуля Пельтье, также снабженный собственным вентилятором. БП SubZero™ 4G довольно плоский, и запросто вмещается в PCI-слот материнской платы, не мешая установке других плат расширения.

К недостаткам элементов Пельтье, прежде всего, следует отнести их низкий КПД и высокое энергопотребление. Радиатор на элементе Пельтье нагревается гораздо выше обычного кулера. Если он охлаждается воздушным кулером, то количество рассеиваемого тепла теперь гораздо больше: к теплу самого процессора добавляется немалое тепловыделение от термоэлектрического элемента Пельтье. Все это тепло попадает во внутрь корпуса, поэтому требуются дополнительные меры для его вентиляции. Надежность элементов Пельтье тоже не очень высока. Сама пластинка обладает очень плохой теплопроводностью. Если термоэлектрический модуль по каким-то причинам перестанет работать, то элемент Пельтье сразу же превращается в керамический теплоизолятор, и огромный кулер поверх него попросту окажется бесполезным, а процессор, если не будет принято каких-либо мер автоматического отключения, скорее всего сгорит. При установке модули Пельтье также требуют применения специальных герметизирующих прокладок, так как их холодная сторона способна конденсировать влагу из окружающего воздуха.

И еще несколько слов

В свете последних достижений процессорной индустрии, когда штатные частоты CPU перевалили за рубеж 3 ГГц, киличество выделяемого процессорами тепла увеличивается и каких-то кардинальных решений по его уменьшению на уровне чипа пока что не предвидится, применение средств охлаждения, которые мы сейчас именуем не иначе как экстремальными или альтернативными, может стать делом совершенно обычным. И из удела экстремалов и оверклокеров они, может быть, перейдут в разряд устройств для спокойных домашних пользователей. Может, мы еще доживем до такого времени, когда в стандартном компьютерном корпусе, кроме предустановленного БП, будет присутствовать отсек с небольшим холодильным агрегатом. Учитывая давно отработанные технологические процессы производства бытовых компрессоров, при их серийном выпуске в качестве компьютерных аксессуаров, цена должна быть не слишком высокой. Или может быть воздушные кулеры вдруг массово обзаведутся встроенными в свое основание модулями Пельтье…

Нет, я не хочу доживать до этого времени.