Chłodzenie komputera - Computer cooling

Żebrowany radiator chłodzony powietrzem z wentylatorem przymocowanym do procesora , z mniejszym pasywnym radiatorem bez wentylatora w tle
Radiator z 3 wentylatorami zamontowany na karcie graficznej w celu maksymalizacji wydajności chłodzenia procesora graficznego i otaczających go komponentów
Commodore 128DCR komputera impulsowy zasilacz , z firmy zainstalowanych 40 mm wentylator. Jako radiatory stosowane są pionowe profile aluminiowe.

Chłodzenie komputera jest wymagane w celu usunięcia ciepła odpadowego wytwarzanego przez komponenty komputera , aby utrzymać komponenty w dopuszczalnych granicach temperatury roboczej . Komponenty podatne na chwilową awarię lub trwałą awarię w przypadku przegrzania obejmują układy scalone, takie jak jednostki centralne (CPU), chipsety , karty graficzne i dyski twarde .

Podzespoły są często projektowane tak, aby generowały jak najmniej ciepła, a komputery i systemy operacyjne mogą być zaprojektowane tak, aby zmniejszać zużycie energii i wynikające z tego ogrzewanie w zależności od obciążenia pracą, ale nadal może być wytwarzane więcej ciepła niż można usunąć bez zwracania uwagi na chłodzenie. Zastosowanie radiatorów chłodzonych strumieniem powietrza zmniejsza przyrost temperatury wywołany daną ilością ciepła. Zwracanie uwagi na wzorce przepływu powietrza może zapobiegać powstawaniu gorących punktów. Wentylatory komputerowe są szeroko stosowane wraz z wentylatorami radiatora do obniżania temperatury poprzez aktywne odprowadzanie gorącego powietrza. Istnieją również bardziej egzotyczne techniki chłodzenia, takie jak chłodzenie cieczą . Wszystkie współczesne procesory są zaprojektowane tak, aby odcinać lub zmniejszać napięcie lub szybkość zegara, jeśli wewnętrzna temperatura procesora przekracza określony limit. Jest to ogólnie znane jako Thermal Throttling, w przypadku zmniejszenia szybkości zegara lub Thermal Shutdown w przypadku całkowitego wyłączenia urządzenia lub systemu.

Chłodzenie może być zaprojektowane tak, aby obniżyć temperaturę otoczenia w przypadku komputera, na przykład przez wydmuch gorącego powietrza lub schłodzić pojedynczy element lub niewielki obszar (chłodzenie punktowe). Komponenty powszechnie chłodzone indywidualnie obejmują procesor, procesor graficzny (GPU) i mostek północny .

Generatory niepożądanego ciepła

Układy scalone (np. CPU i GPU) są głównymi generatorami ciepła we współczesnych komputerach. Wytwarzanie ciepła można ograniczyć dzięki wydajnemu projektowi i doborowi parametrów roboczych, takich jak napięcie i częstotliwość, ale ostatecznie akceptowalną wydajność często można osiągnąć jedynie poprzez zarządzanie znacznym wytwarzaniem ciepła.

Pyłu nagromadzonych w tej radiatora procesora przenośnego po trzech latach użytkowania dokonał przenośnego niemożliwe z powodu częstych postojów termicznych.

Podczas pracy, temperatura komponentów komputera będzie rosła, aż ciepło przekazywane do otoczenia będzie równe ciepłu wytwarzanemu przez komponent, to znaczy, gdy zostanie osiągnięta równowaga termiczna . Aby zapewnić niezawodne działanie, temperatura nigdy nie może przekraczać określonej maksymalnej dopuszczalnej wartości, unikalnej dla każdego elementu. W przypadku półprzewodników krytyczna jest chwilowa temperatura złącza , a nie obudowa komponentu, radiator lub temperatura otoczenia.

Chłodzenie może być pogorszone przez:

  • Pył pełni funkcję izolatora termicznego i utrudnia przepływ powietrza, zmniejszając w ten sposób wydajność radiatora i wentylatora.
  • Słaby przepływ powietrza, w tym turbulencje z powodu tarcia o utrudniające elementy, takie jak kable taśmowe lub nieprawidłowa orientacja wentylatorów, mogą zmniejszyć ilość powietrza przepływającego przez obudowę, a nawet tworzyć zlokalizowane w niej wiry gorącego powietrza. W niektórych przypadkach sprzętu o złej konstrukcji termicznej powietrze chłodzące może łatwo wypłynąć przez otwory „chłodzące”, zanim przejdzie przez gorące elementy; chłodzenie w takich przypadkach można często poprawić poprzez zablokowanie wybranych otworów.
  • Słaba wymiana ciepła z powodu słabego kontaktu termicznego między chłodzonymi komponentami a urządzeniami chłodzącymi. Można to poprawić, stosując pasty termoprzewodzące, które wyrównują niedoskonałości powierzchni, a nawet docierając .

Zapobieganie uszkodzeniom

Ponieważ wysokie temperatury mogą znacznie skrócić żywotność lub spowodować trwałe uszkodzenie podzespołów, a moc cieplna podzespołów może czasami przekraczać wydajność chłodzenia komputera, producenci często podejmują dodatkowe środki ostrożności, aby zapewnić utrzymanie temperatury w bezpiecznych granicach. Komputer z czujnikami termicznymi zintegrowanymi z procesorem, płytą główną, chipsetem lub procesorem graficznym może wyłączyć się po wykryciu wysokiej temperatury, aby zapobiec trwałym uszkodzeniom, chociaż może to nie zagwarantować całkowicie długoterminowej, bezpiecznej pracy. Zanim przegrzany element osiągnie ten punkt, można go „dławić”, aż temperatura spadnie poniżej bezpiecznego punktu, korzystając z technologii dynamicznego skalowania częstotliwości . Funkcja dławienia zmniejsza częstotliwość i napięcie pracy układu scalonego lub wyłącza mniej istotne funkcje chipa w celu zmniejszenia wydzielania ciepła, często kosztem nieznacznie lub znacznie zmniejszonej wydajności. W przypadku komputerów stacjonarnych i notebooków ograniczanie przepustowości jest często kontrolowane na poziomie systemu BIOS . Przepustowość jest również powszechnie stosowana do zarządzania temperaturami w smartfonach i tabletach, gdzie komponenty są ciasno upakowane razem z niewielkim lub zerowym aktywnym chłodzeniem, a dodatkowe ciepło jest przenoszone z ręki użytkownika.

Komputery mainframe i superkomputery

W miarę jak komputery elektroniczne stawały się coraz większe i bardziej złożone, chłodzenie aktywnych komponentów stało się kluczowym czynnikiem dla niezawodnej pracy. Wczesne komputery lampowe, ze stosunkowo dużymi obudowami, mogły polegać na naturalnym lub wymuszonym obiegu powietrza do chłodzenia. Jednak urządzenia półprzewodnikowe były upakowane znacznie gęściej i miały niższe dopuszczalne temperatury pracy.

Począwszy od 1965 r. IBM i inni producenci komputerów typu mainframe sponsorowali intensywne badania nad fizyką chłodzenia gęsto upakowanych układów scalonych. Opracowano i zbadano wiele systemów chłodzenia powietrzem i cieczą przy użyciu takich metod, jak konwekcja naturalna i wymuszona, bezpośrednie uderzenie powietrza, bezpośrednie zanurzenie w cieczy i konwekcja wymuszona, wrzenie w basenie, opadające filmy, wrzenie przepływowe i uderzenie strumieniem cieczy. Do przewidywania wzrostu temperatury komponentów dla każdej możliwej geometrii układu chłodzenia wykorzystano analizę matematyczną.

IBM opracował trzy generacje modułu przewodzenia ciepła (TCM), który wykorzystywał chłodzoną wodą płytę zimną w bezpośrednim kontakcie termicznym z pakietami układów scalonych. Każdy pakiet miał wciśnięty na niego kołek przewodzący ciepło, a gazowy hel otaczał wióry i kołki przewodzące ciepło. Konstrukcja może usuwać do 27 watów z chipa i do 2000 watów na moduł, utrzymując temperaturę pakietu chipów na poziomie około 50°C (122°F). Systemy wykorzystujące TCM to rodzina 3081 (1980), ES/3090 (1984) i niektóre modele ES/9000 (1990). W procesorze IBM 3081 moduły TCM pozwalały na moc do 2700 watów na jednej płytce drukowanej przy zachowaniu temperatury chipa na poziomie 69°C (156°F). Moduły przewodzenia ciepła wykorzystujące chłodzenie wodne były również stosowane w systemach mainframe produkowanych przez inne firmy, w tym Mitsubishi i Fujitsu.

Cray-1 supercomputer zaprojektowane 1976 miał charakterystyczny układ chłodzenia. Maszyna miała tylko 77 cali (2000 mm) wysokości i 56+12 cale (1440 mm) średnicy i zużywa do 115 kilowatów; jest to porównywalne ze średnim zużyciem energii w kilkudziesięciu zachodnich domach czy średniej wielkości aucie. Zastosowane w maszynie układy scalone były najszybszymi dostępnymi w tamtych czasach, wykorzystując logikę sprzężoną z emiterem ; jednak prędkości towarzyszył wysoki pobór mocy w porównaniu z późniejszymiurządzeniami CMOS .

Usuwanie ciepła było krytyczne. Czynnik chłodniczy krążył rurami osadzonymi w pionowych prętach chłodzących w dwunastu kolumnowych sekcjach maszyny. Każdy z 1662 modułów obwodów drukowanych maszyny miał rdzeń miedziany i był przymocowany do listwy chłodzącej. System został zaprojektowany do utrzymywania obudów układów scalonych w temperaturze nie wyższej niż 54 °C (129 °F), z czynnikiem chłodniczym krążącym w temperaturze 21 °C (70 °F). Końcowe odprowadzanie ciepła odbywało się przez skraplacz chłodzony wodą. Orurowanie, wymienniki ciepła i pompy do układu chłodzenia zostały rozmieszczone w tapicerowanym siedzisku wokół podstawy komputera. Około 20 procent ciężaru maszyny podczas pracy stanowił czynnik chłodniczy.

W późniejszym Cray-2, z gęściej upakowanymi modułami, Seymour Cray miał problemy z efektywnym chłodzeniem maszyny przy użyciu techniki przewodnictwa metalowego z chłodzeniem mechanicznym, więc przeszedł na chłodzenie „zanurzonego w cieczy”. Metoda ta polegała na napełnieniu podwozia Cray-2 płynem o nazwie Fluorinert . Fluorinert, jak sama nazwa wskazuje, jest obojętną cieczą, która nie zakłóca działania elementów elektronicznych. Gdy komponenty osiągnęły temperaturę roboczą, ciepło rozpraszało się do Fluorinert, który był wypompowywany z maszyny do wymiennika ciepła na wodę lodową.

Wydajność na wat nowoczesnych systemów znacznie się poprawiła; Przy danym poborze mocy można przeprowadzić znacznie więcej obliczeń niż było to możliwe w przypadku układów scalonych z lat 80. i 90. XX wieku. Ostatnie projekty superkomputerowe, takie jak Blue Gene, polegają na chłodzeniu powietrzem, co zmniejsza koszty, złożoność i rozmiar systemów w porównaniu z chłodzeniem cieczą.

Chłodzenie powietrzem

Fani

Wentylatory stosuje się, gdy naturalna konwekcja jest niewystarczająca do odprowadzania ciepła. Wentylatory mogą być montowane w obudowie komputera lub dołączane do procesorów, GPU, chipsetów, zasilaczy (PSU), dysków twardych lub jako karty podłączane do gniazda rozszerzeń. Typowe rozmiary wentylatorów to 40, 60, 80, 92, 120 i 140 mm. Wentylatory 200, 230, 250 i 300 mm są czasami używane w wysokowydajnych komputerach osobistych.

Wydajność wentylatorów w podwoziu

Typowe krzywe wentylatorów i krzywe impedancji obudowy

Komputer ma pewien opór dla powietrza przepływającego przez obudowę i komponenty. Jest to suma wszystkich mniejszych utrudnień w przepływie powietrza, takich jak otwory wlotowe i wylotowe, filtry powietrza, obudowa wewnętrzna i elementy elektroniczne. Wentylatory to proste pompy powietrza, które zapewniają ciśnienie powietrza po stronie wlotowej w stosunku do strony wyjściowej. Ta różnica ciśnień powoduje przepływ powietrza przez obudowę, a powietrze przepływa do obszarów o niższym ciśnieniu.

Wentylatory mają na ogół dwie opublikowane specyfikacje: swobodny przepływ powietrza i maksymalną różnicę ciśnień. Swobodny przepływ powietrza to ilość powietrza, którą wentylator będzie poruszał przy zerowym przeciwciśnieniu. Maksymalna różnica ciśnień to ciśnienie, jakie wentylator może wytworzyć po całkowitym zablokowaniu. Pomiędzy tymi dwoma skrajnościami znajduje się seria odpowiednich pomiarów przepływu w funkcji ciśnienia, które zwykle przedstawia się w postaci wykresu. Każdy model wentylatora będzie miał unikalną krzywą, taką jak krzywe przerywane na sąsiedniej ilustracji.

Instalacja równoległa względem szeregowej

Wentylatory mogą być instalowane równolegle do siebie, szeregowo lub w kombinacji obu. Instalacja równoległa to wentylatory montowane obok siebie. Instalacja szeregowa byłaby drugim wentylatorem w linii z innym wentylatorem, takim jak wentylator wlotowy i wentylator wyciągowy. Dla uproszczenia dyskusji zakłada się, że wentylatory to ten sam model.

Wentylatory równoległe zapewnią podwojenie swobodnego przepływu powietrza, ale bez dodatkowego ciśnienia napędowego. Z drugiej strony instalacja szeregowa podwoi dostępne ciśnienie statyczne, ale nie zwiększy swobodnego przepływu powietrza. Poniższa ilustracja przedstawia pojedynczy wentylator w porównaniu z dwoma wentylatorami równolegle z maksymalnym ciśnieniem 0,15 cala (3,8 mm) wody i podwojoną szybkością przepływu około 72 stóp sześciennych na minutę (2,0 m 3 /min).

Zauważ, że przepływ powietrza zmienia się jako pierwiastek kwadratowy ciśnienia. Zatem podwojenie ciśnienia zwiększy przepływ tylko 1,41 ( 2 ) razy, a nie dwa razy, jak można by przypuszczać. Innym sposobem spojrzenia na to jest to, że ciśnienie musi wzrosnąć czterokrotnie, aby podwoić szybkość przepływu.

Aby określić natężenie przepływu przez podwozie, krzywą impedancji podwozia można zmierzyć, wywierając dowolne ciśnienie na wlocie do podwozia i mierząc przepływ przez podwozie. Wymaga to dość wyrafinowanego sprzętu. Po określeniu krzywej impedancji obudowy (reprezentowanej przez ciągłe czerwone i czarne linie na sąsiedniej krzywej) rzeczywisty przepływ przez obudowę wygenerowany przez określoną konfigurację wentylatora jest przedstawiony graficznie w miejscu, w którym krzywa impedancji obudowy przecina krzywą wentylatora. Nachylenie krzywej impedancji podwozia jest funkcją pierwiastka kwadratowego, gdzie podwojenie natężenia przepływu wymaga czterokrotności różnicy ciśnień.

W tym konkretnym przykładzie dodanie drugiego wentylatora zapewniło marginalną poprawę przy przepływie w obu konfiguracjach wynoszącym około 27–28 stóp sześciennych na minutę (0,76–0,79 m 3 /min). Chociaż nie pokazano tego na wykresie, drugi wentylator połączony szeregowo zapewniłby nieco lepszą wydajność niż instalacja równoległa.

Temperatura w stosunku do natężenia przepływu

Równanie wymaganego przepływu powietrza przez podwozie to

gdzie

CFM = Cubic Feet per Minute (0.028 m3/min)
Q = Heat Transferred (kW)
Cp = Specific Heat of Air
r = Density
DT = Change in Temperature (in °F)

Prosta, konserwatywna zasada dotycząca wymagań dotyczących przepływu chłodzenia, dyskontująca takie efekty, jak utrata ciepła przez ściany obudowy i przepływ laminarny w porównaniu z przepływem turbulentnym, oraz uwzględnienie stałych dla ciepła właściwego i gęstości na poziomie morza:

Na przykład typowa obudowa z obciążeniem 500 W, maksymalna temperatura wewnętrzna 130°F (54°C) w środowisku 38°C (100°F), tj. różnica 17°C:

Byłby to rzeczywisty przepływ przez obudowę, a nie wartość przepływu powietrza w wentylatorze. Należy również zauważyć, że „Q”, ciepło przenoszone, jest funkcją wydajności wymiany ciepła z chłodnicy CPU lub GPU do przepływu powietrza.

Pompa piezoelektryczna

Opatentowana przez GE „podwójna dysza chłodząca piezo” wykorzystuje wibracje do pompowania powietrza przez urządzenie. Pierwsze urządzenie ma grubość trzech milimetrów i składa się z dwóch niklowych krążków, które są połączone z każdej strony ze skrawkiem piezoelektrycznej ceramiki. Prąd przemienny przepływający przez element ceramiczny powoduje jego rozszerzanie się i kurczenie do 150 razy na sekundę, dzięki czemu tarcze niklowe działają jak mieszki. Zaciśnięte krawędzie płyt są ściśnięte i zasysają gorące powietrze. Rozprężanie łączy niklowe dyski, wypychając powietrze z dużą prędkością.

Urządzenie nie posiada łożysk i nie wymaga silnika. Jest cieńszy i zużywa mniej energii niż typowe wentylatory. Odrzutowiec może przenosić taką samą ilość powietrza jak dwukrotnie większy wentylator chłodzący, zużywając o połowę mniej energii elektrycznej i przy niższych kosztach.

Chłodzenie pasywne

Płyty główne z NeXTcube komputera (1990) z 32 bit microprozessor MC68040 pracować przy 25 MHz . Przy dolnej krawędzi obrazu i na lewo od środka widać radiator zamontowany bezpośrednio na procesorze. Nie było dedykowanego wentylatora dla procesora. Jedynym innym układem scalonym z radiatorem jest RAMDAC (prosto z procesora).

Pasywne chłodzenie radiatorem polega na przymocowaniu bloku obrabianego lub wytłaczanego metalu do części, która wymaga chłodzenia. Można zastosować klej termiczny. Częściej w przypadku procesora komputera osobistego zacisk przytrzymuje radiator bezpośrednio nad chipem, a pomiędzy nimi rozprowadza się pastę termoprzewodzącą lub podkładkę termoprzewodzącą. Blok ten posiada żebra i grzbiety zwiększające jego powierzchnię. Przewodność cieplna metalu jest znacznie lepsza niż powietrza i emituje ciepło lepiej niż element, który chroni (zwykle układ scalony lub procesor). Aluminiowe radiatory chłodzone wentylatorami były pierwotnie normą dla komputerów stacjonarnych, ale obecnie wiele radiatorów ma miedziane płyty bazowe lub jest w całości wykonanych z miedzi.

Gromadzenie się kurzu między metalowymi żebrami radiatora stopniowo zmniejsza wydajność, ale można temu przeciwdziałać za pomocą odkurzacza gazowego, wydmuchując kurz wraz z innymi niechcianymi nadmiarami materiału.

Pasywne radiatory są powszechnie spotykane w starszych procesorach, częściach, które nie nagrzewają się zbytnio (takich jak chipset) i komputerach o niskim poborze mocy.

Zwykle radiator jest przymocowany do zintegrowanego rozpraszacza ciepła (IHS), zasadniczo dużej, płaskiej płyty przymocowanej do procesora, z warstwą pasty przewodzącej. To rozprasza lub rozprowadza ciepło lokalnie. W przeciwieństwie do radiatora, rozpraszacz ma za zadanie redystrybuować ciepło, a nie go usuwać. Ponadto IHS chroni delikatny procesor.

Chłodzenie pasywne nie powoduje hałasu wentylatora, ponieważ siły konwekcyjne przesuwają powietrze nad radiatorem.

Inne techniki

Chłodzenie zanurzeniowe w cieczy

Komputer zanurzony w oleju mineralnym.

Innym rosnącym trendem związanym z rosnącą gęstością cieplną komputerów, GPU, FPGA i ASIC jest zanurzanie całego komputera lub wybranych komponentów w cieczy przewodzącej ciepło, ale nie elektrycznie . Chociaż rzadko używane do chłodzenia komputerów osobistych, zanurzenie w cieczy jest rutynową metodą chłodzenia dużych elementów dystrybucji zasilania, takich jak transformatory . Staje się również popularny w centrach danych. Komputery osobiste chłodzone w ten sposób mogą nie wymagać ani wentylatorów, ani pomp i mogą być chłodzone wyłącznie przez pasywną wymianę ciepła między sprzętem komputerowym a obudową, w której są umieszczone. Wymiennik ciepła (tj. rdzeń grzejny lub grzejnik) może być jednak nadal potrzebny , a orurowanie również musi być prawidłowo ułożone.

Stosowany płyn chłodzący musi mieć wystarczająco niską przewodność elektryczną, aby nie zakłócać normalnej pracy komputera. Jeśli płyn jest w pewnym stopniu przewodzący prąd elektryczny, może powodować zwarcia elektryczne między elementami lub śladami i trwale je uszkodzić. Z tych powodów korzystne jest, aby ciecz była izolatorem ( dielektrykiem ) i nie przewodziła elektryczności.

W tym celu istnieje wiele różnych płynów, w tym oleje transformatorowe , syntetyczne jednofazowe i dwufazowe chłodziwa dielektryczne, takie jak 3M Fluorinert lub 3M Novec. Oleje nieprzydatne, w tym oleje spożywcze, silnikowe i silikonowe , są z powodzeniem stosowane do chłodzenia komputerów osobistych.

Niektóre płyny stosowane w chłodzeniu zanurzeniowym, zwłaszcza materiały na bazie węglowodorów, takie jak oleje mineralne, oleje spożywcze i estry organiczne, mogą powodować degradację niektórych powszechnie stosowanych w komputerach materiałów, takich jak gumy, polichlorek winylu (PVC) i smary termiczne . Dlatego ważne jest, aby przed użyciem sprawdzić zgodność materiałową takich płynów. Stwierdzono, że w szczególności olej mineralny ma negatywny wpływ na izolację przewodów na bazie PVC i gumy. Doniesiono, że pasty termiczne używane do przenoszenia ciepła do radiatorów z procesorów i kart graficznych rozpuszczają się w niektórych cieczach, jednak z niewielkim wpływem na chłodzenie, chyba że komponenty zostały usunięte i eksploatowane w powietrzu.

Parowanie, szczególnie w przypadku chłodziw dwufazowych, może stanowić problem, a płyn może wymagać regularnego uzupełniania lub uszczelniania wewnątrz obudowy komputera. Chłodzenie zanurzeniowe może pozwolić na wyjątkowo niskie wartości PUE wynoszące 1,05 w porównaniu z chłodzeniem powietrzem 1,35 i pozwolić na uzyskanie do 100 kW mocy obliczeniowej (rozpraszanie ciepła, TDP) na 19-calową szafę , w przeciwieństwie do chłodzenia powietrzem, które zwykle obsługuje do 23 KW.

Redukcja ciepła odpadowego

Tam, gdzie nie są wymagane wydajne komputery z wieloma funkcjami, można użyć komputerów o mniejszej mocy lub tych z mniejszą liczbą funkcji. Od 2011 roku płyta główna VIA EPIA z procesorem zazwyczaj rozprasza około 25 watów ciepła, podczas gdy bardziej wydajna płyta główna Pentium 4 i procesor zazwyczaj rozpraszają około 140 watów. Komputery mogą być zasilane prądem stałym z zewnętrznego zasilacza , który nie wytwarza ciepła wewnątrz obudowy komputera. Zastąpienie kineskop (CRT) wykazuje bardziej efektywne cienkiego ekranu wyświetlacza ciekłokrystalicznego (LCD), te, w początku dwudziestego wieku jest znacznie zmniejszone zużycie energii.

Radiatory

Radiator pasywny na chipsecie
Aktywny radiator z wentylatorem i rurkami cieplnymi

Element może mieć dobry kontakt cieplny z radiatorem, urządzenie pasywne o dużej pojemności cieplnej i dużej powierzchni w stosunku do objętości. Radiatory są zwykle wykonane z metalu o wysokiej przewodności cieplnej, takiego jak aluminium lub miedź, i zawierają żebra w celu zwiększenia powierzchni. Ciepło ze stosunkowo małego elementu jest przekazywane do większego radiatora; temperatura równowagi komponentu i radiatora jest znacznie niższa niż temperatura samego komponentu. Ciepło jest odprowadzane z radiatora przez konwekcyjny lub wymuszony przez wentylator przepływ powietrza. Chłodzenie wentylatorem jest często używane do chłodzenia procesorów i kart graficznych, które zużywają znaczne ilości energii elektrycznej. W komputerze typowy element generujący ciepło może być wykonany z płaską powierzchnią. Do elementu mocowany jest blok metalu o odpowiedniej płaskiej powierzchni i żebrowanej konstrukcji, czasami z dołączonym wentylatorem. Aby wypełnić słabo przewodzące szczeliny powietrzne spowodowane niedoskonale płaskimi i gładkimi powierzchniami, pomiędzy elementem a radiatorem można umieścić cienką warstwę pasty termoprzewodzącej , podkładkę termoprzewodzącą lub klej termiczny .

Ciepło jest usuwane z radiatora przez konwekcję , do pewnego stopnia przez promieniowanie i prawdopodobnie przez przewodzenie, jeśli radiator jest w kontakcie termicznym, powiedzmy, z metalową obudową. Niedrogie aluminiowe radiatory chłodzone wentylatorem są często używane w standardowych komputerach stacjonarnych. Radiatory z miedzianymi płytami bazowymi lub wykonane z miedzi mają lepsze właściwości termiczne niż te wykonane z aluminium. Miedziany radiator jest bardziej efektywny niż aluminiowa jednostka o tym samym rozmiarze, co ma znaczenie w przypadku komponentów zużywających dużo energii, stosowanych w komputerach o wysokiej wydajności.

Pasywne radiatory są powszechnie spotykane w: starszych procesorach, częściach, które nie rozpraszają dużo energii, takich jak chipset, komputerach z procesorami o niskim poborze mocy oraz sprzęcie, w którym cicha praca ma kluczowe znaczenie, a hałas wentylatora jest niedopuszczalny.

Zwykle radiator jest przymocowany do zintegrowanego rozpraszacza ciepła (IHS), płaskiej metalowej płytki wielkości obudowy procesora, która jest częścią zespołu procesora i lokalnie rozprowadza ciepło. Pomiędzy nimi umieszczana jest cienka warstwa pasty termoprzewodzącej, aby skompensować niedoskonałości powierzchni. Podstawowym celem rozrzutnika jest redystrybucja ciepła. Żebra radiatora poprawiają jego wydajność.

Kilka marek DDR2, DDR3, DDR4 i nadchodzących modułów pamięci DDR5 DRAM jest wyposażonych w żebrowany radiator przymocowany do górnej krawędzi modułu. Ta sama technika jest stosowana w przypadku kart graficznych, które wykorzystują żebrowany pasywny radiator na GPU.

Kurz ma tendencję do gromadzenia się w szczelinach żebrowanych radiatorów, szczególnie przy dużym przepływie powietrza wytwarzanym przez wentylatory. Utrzymuje to powietrze z dala od gorącego elementu, zmniejszając skuteczność chłodzenia; jednak usunięcie kurzu przywraca skuteczność.

Chłodzenie Peltiera (termoelektryczne)

Zwykła konfiguracja chłodzenia Peltiera dla komputerów PC

Złącza Peltiera są na ogół tylko około 10-15% tak wydajne jak idealna lodówka ( cykl Carnota ), w porównaniu z 40-60% osiąganymi przez konwencjonalne systemy cyklu kompresji (systemy odwrócone Rankine'a wykorzystujące kompresję/rozprężanie). Ze względu na tę niższą wydajność chłodzenie termoelektryczne jest zwykle stosowane tylko w środowiskach, w których natura półprzewodnikowa (brak ruchomych części , niskie koszty utrzymania, kompaktowy rozmiar i niewrażliwość na orientację) przeważa nad czystą wydajnością.

Nowoczesne TEC wykorzystują kilka ułożonych w stos jednostek, z których każda składa się z dziesiątek lub setek termopar ułożonych obok siebie, co pozwala na znaczną wymianę ciepła . W przypadku termopar najczęściej stosuje się kombinację bizmutu i telluru .

Jako aktywne pompy ciepła, które zużywają energię, TEC mogą wytwarzać temperatury poniżej temperatury otoczenia, co jest niemożliwe w przypadku pasywnych radiatorów, chłodzenia cieczą chłodzoną chłodnicą i rurek cieplnych HSF. Jednak podczas pompowania ciepła moduł Peltiera będzie zwykle zużywał więcej energii elektrycznej niż pompowana ilość ciepła.

Możliwe jest również użycie elementu Peltiera wraz z czynnikiem chłodniczym pod wysokim ciśnieniem (chłodzenie dwufazowe) do chłodzenia procesora.

Chłodzenie cieczą

Deepcool Captain 360, jednostka chłodząca typu „wszystko w jednym”, montowana w obudowie
Zestaw do samodzielnego chłodzenia wodą przedstawiający pompę 12 V, blok wodny procesora i typowe zastosowanie linii T
Schemat standardowej konfiguracji chłodzenia cieczą dla komputerów PC

Chłodzenie cieczą to bardzo skuteczna metoda usuwania nadmiaru ciepła, przy czym najczęściej stosowanym płynem przenoszącym ciepło w komputerach stacjonarnych jest woda (destylowana). Zaletą chłodzenia wodą w porównaniu z chłodzeniem powietrzem jest wyższa właściwa pojemność cieplna i przewodność cieplna wody .

Zasada stosowana w typowym (aktywnym) systemie chłodzenia cieczą dla komputerów jest identyczna z tą stosowaną w silniku spalinowym samochodu , przy czym woda jest cyrkulowana przez pompę wodną przez blok wodny zamontowany na procesorze (a czasami dodatkowe komponenty, takie jak GPU i mostek północny) i do wymiennika ciepła , zazwyczaj grzejnika . Sam grzejnik jest zwykle chłodzony dodatkowo za pomocą wentylatora . Oprócz wentylatora może być również chłodzony innymi środkami, takimi jak chłodnica Peltiera (chociaż elementy Peltiera są najczęściej umieszczane bezpośrednio na chłodzonym sprzęcie, a czynnik chłodzący służy do odprowadzania ciepła z dala od gorącego strony elementu Peltiera). Często do układu podłączony jest również zbiornik chłodziwa.

Oprócz aktywnych systemów chłodzenia cieczą, czasami stosuje się również pasywne systemy chłodzenia cieczą. Systemy te często odrzucają wentylator lub pompę wodną, ​​co teoretycznie zwiększa niezawodność systemu i/lub sprawia, że ​​jest on cichszy niż systemy aktywne. Wadą tych systemów jest jednak to, że są one znacznie mniej wydajne w odprowadzaniu ciepła, a zatem muszą mieć znacznie więcej chłodziwa - a tym samym znacznie większy zbiornik chłodziwa - dając więcej czasu na schłodzenie chłodziwa.

Ciecze umożliwiają przenoszenie większej ilości ciepła z chłodzonych części niż powietrze, dzięki czemu chłodzenie cieczą jest odpowiednie do przetaktowywania i zastosowań komputerowych o wysokiej wydajności. W porównaniu z chłodzeniem powietrzem, na chłodzenie cieczą ma również mniejszy wpływ temperatura otoczenia. Stosunkowo niski poziom hałasu chłodzenia cieczą wypada korzystnie w porównaniu z chłodzeniem powietrzem, które może stać się dość hałaśliwe.

Wady chłodzenia cieczą obejmują złożoność i możliwość wycieku chłodziwa. Wyciekająca woda (lub, co ważniejsze, wszelkie dodatki w wodzie) mogą uszkodzić wszelkie elementy elektroniczne, z którymi się styka, a konieczność testowania i naprawy nieszczelności sprawia, że ​​instalacje są bardziej złożone i mniej niezawodne. (Warto zauważyć, że pierwszy poważny podjazd w dziedzinie chłodzonych cieczą komputerów osobistych do powszechnego użytku, wersje high-end od firmy Apple „s Power Mac G5 , został ostatecznie skazany przez skłonność do wycieku chłodziwa.) Chłodzony powietrzem radiator jest ogólnie rzecz biorąc, znacznie prostsze w budowie, instalacji i utrzymaniu niż rozwiązanie do chłodzenia wodą, chociaż można również znaleźć zestawy do chłodzenia wodą specyficzne dla procesora, które mogą być równie łatwe do zainstalowania jak chłodnica powietrza. Nie ograniczają się one jednak do procesorów, możliwe jest również chłodzenie kart graficznych cieczą.

Chociaż początkowo ograniczano się do komputerów typu mainframe , chłodzenie cieczą stało się praktyką w dużej mierze kojarzoną z przetaktowywaniem w postaci gotowych zestawów lub zestawów zrób to sam, składanych z indywidualnie zebranych części. W ciągu ostatnich kilku lat zaobserwowano wzrost popularności chłodzenia cieczą w wstępnie zmontowanych komputerach stacjonarnych o średniej lub wysokiej wydajności. Uszczelnione systemy („zamknięta pętla”) zawierające mały wstępnie napełniony grzejnik, wentylator i blok wodny upraszczają instalację i konserwację chłodzenia wodnego przy niewielkim koszcie skuteczności chłodzenia w porównaniu z większymi i bardziej złożonymi konfiguracjami. Chłodzenie cieczą zazwyczaj łączy się z chłodzeniem powietrzem, wykorzystując chłodzenie cieczą do najgorętszych komponentów, takich jak procesory lub karty graficzne, przy jednoczesnym zachowaniu prostszego i tańszego chłodzenia powietrzem dla mniej wymagających komponentów.

System IBM Aquasar wykorzystuje chłodzenie gorącą wodą, aby osiągnąć efektywność energetyczną, a woda jest również wykorzystywana do ogrzewania budynków.

Od 2011 r. skuteczność chłodzenia wodą doprowadziła do powstania serii rozwiązań chłodzenia wodą typu „wszystko w jednym” (AIO). Rozwiązania AIO sprawiają, że instalacja urządzenia jest znacznie prostsza, a większość urządzeń została pozytywnie oceniona przez serwisy recenzujące.

Rurki cieplne i komory parowe

Karta graficzna z bezwentylatorową chłodnicą rurek cieplnych

Rurka cieplna to wydrążona rurka zawierająca ciecz przenoszącą ciepło. Ciecz pochłania ciepło i odparowuje na jednym końcu rury. Para wędruje do drugiego (chłodniejszego) końca rurki, gdzie skrapla się, oddając utajone ciepło . Ciecz powraca do gorącego końca rurki grawitacyjnie lub kapilarnie i powtarza cykl. Rurki cieplne mają znacznie wyższą efektywną przewodność cieplną niż materiały stałe. Do użytku w komputerach radiator na procesorze jest podłączony do większego radiatora radiatora. Oba radiatory są wydrążone, podobnie jak połączenie między nimi, tworząc jedną dużą rurkę cieplną, która przenosi ciepło z procesora do radiatora, który jest następnie chłodzony konwencjonalną metodą. Ta metoda jest kosztowna i zwykle stosowana, gdy przestrzeń jest ciasna, na przykład w małych komputerach stacjonarnych i laptopach, lub tam, gdzie nie można tolerować hałasu wentylatora, jak w przypadku produkcji audio. Ze względu na wydajność tej metody chłodzenia, wiele procesorów i procesorów graficznych do komputerów stacjonarnych, a także wysokiej klasy chipsetów, oprócz aktywnego chłodzenia opartego na wentylatorach i pasywnych radiatorów, używa rurek cieplnych i komór parowych, aby utrzymać się w bezpiecznych temperaturach roboczych. Komora parowa działa na tych samych zasadach co rura cieplna, ale zamiast rury przyjmuje formę płyty lub arkusza. Rurki cieplne mogą być umieszczone pionowo na górze i stanowić część komór parowych. Komory parowe mogą być również używane w smartfonach z wyższej półki .

Elektrostatyczny ruch powietrza i chłodzenie z efektem wyładowania koronowego

Technologia chłodzenia opracowywana przez Kronos i Thorn Micro Technologies wykorzystuje urządzenie zwane jonową pompą wiatrową (znaną również jako akcelerator elektrostatyczny). Podstawową zasadą działania jonowej pompy wiatrowej jest wyładowanie koronowe, wyładowanie elektryczne w pobliżu naładowanego przewodnika spowodowane jonizacją otaczającego powietrza.

Chłodnica wyładowania koronowego opracowana przez Kronos działa w następujący sposób: Na czubku katody, która jest umieszczona po jednej stronie procesora, powstaje silne pole elektryczne. Wysoki potencjał energetyczny powoduje, że cząsteczki tlenu i azotu w powietrzu ulegają jonizacji (naładowane dodatnio) i tworzą koronę (halo naładowanych cząstek). Umieszczenie uziemionej anody na przeciwległym końcu procesora powoduje, że naładowane jony w koronie przyspieszają w kierunku anody, zderzając się po drodze z obojętnymi cząsteczkami powietrza. Podczas tych zderzeń pęd jest przenoszony ze zjonizowanego gazu na obojętne cząsteczki powietrza, powodując ruch gazu w kierunku anody.

Zaletą chłodnicy opartej na koronie jest brak ruchomych części, co eliminuje pewne problemy z niezawodnością i działa przy niemal zerowym poziomie hałasu i umiarkowanym zużyciu energii.

Miękkie chłodzenie

Miękkie chłodzenie to praktyka wykorzystywania oprogramowania w celu wykorzystania technologii oszczędzania energii procesora w celu zminimalizowania zużycia energii. Odbywa się to za pomocą instrukcji halt, aby wyłączyć lub wprowadzić w stan gotowości podczęści procesora, które nie są używane, lub przez podkręcenie procesora. Chociaż skutkuje to niższymi całkowitymi prędkościami, może to być bardzo przydatne w przypadku przetaktowywania procesora w celu poprawy komfortu użytkownika, a nie zwiększenia surowej mocy obliczeniowej, ponieważ może to zapobiec potrzebie głośniejszego chłodzenia. Wbrew temu, co sugeruje termin, nie jest to forma chłodzenia, ale ograniczania wytwarzania ciepła.

Niskie napięcie

Undervolting to praktyka uruchamiania procesora lub dowolnego innego komponentu z napięciami poniżej specyfikacji urządzenia. Podzespół o niskim napięciu pobiera mniej energii, a tym samym wytwarza mniej ciepła. Możliwość tego zależy od producenta, linii produktów, a nawet różnych serii produkcyjnych tego samego produktu (a także innych komponentów systemu), ale procesory często wymagają stosowania napięć wyższych niż jest to absolutnie konieczne. Ta tolerancja zapewnia, że ​​procesor będzie miał większą szansę na prawidłowe działanie w nieoptymalnych warunkach, takich jak płyta główna gorszej jakości lub niskie napięcie zasilania. Poniżej pewnego limitu procesor nie będzie działał poprawnie, chociaż zbyt niskie napięcie zwykle nie prowadzi do trwałego uszkodzenia sprzętu (w przeciwieństwie do przepięcia).

Podnapięcie jest stosowane w cichych systemach , ponieważ potrzeba mniej chłodzenia ze względu na zmniejszenie produkcji ciepła, co pozwala na pominięcie hałaśliwych wentylatorów. Jest również używany, gdy żywotność baterii musi zostać zmaksymalizowana.

Zintegrowany z chipem

Wszystkie konwencjonalne techniki chłodzenia dołączają swój komponent „chłodzący” na zewnątrz obudowy chipa komputera. Ta technika „przyczepiania” zawsze będzie wykazywać pewien opór cieplny, zmniejszając jego skuteczność. Ciepło można skuteczniej i szybko usunąć poprzez bezpośrednie chłodzenie lokalnych gorących punktów chipa w opakowaniu. W tych miejscach, rozpraszanie mocy powyżej 300 W / cm 2 (typowego procesora jest mniejszy niż 100 W / cm 2 ) może wystąpić, chociaż oczekuje się, że przyszłe systemy przekracza 1000 W / cm 2 . Ta forma lokalnego chłodzenia jest niezbędna do opracowania chipów o wysokiej gęstości mocy. Ta ideologia doprowadziła do badań nad integracją elementów chłodzących z chipem komputerowym. Obecnie istnieją dwie techniki: radiatory mikrokanałowe i chłodzenie strumieniowo-uderzeniowe.

W mikrokanałowych radiatorach kanały są wytwarzane w chipie krzemowym (CPU), a chłodziwo jest przez nie pompowane. Kanały zaprojektowano z bardzo dużą powierzchnią, co skutkuje dużymi transferami ciepła. Rozpraszanie ciepła 3000 W / cm 2 zaobserwowano dla tej techniki. Rozpraszanie ciepła można dodatkowo zwiększyć, stosując dwufazowe chłodzenie przepływowe. Niestety system wymaga dużych spadków ciśnienia, ze względu na małe kanały, a strumień ciepła jest niższy w przypadku chłodziw dielektrycznych stosowanych w chłodzeniu elektroniki.

Inną lokalną techniką chłodzenia chipów jest chłodzenie strumieniem uderzeniowym. W tej technice chłodziwo przepływa przez mały otwór, tworząc strumień. Strumień jest kierowany na powierzchnię chipa procesora i może skutecznie usuwać duże strumienie ciepła. Odprowadzanie ciepła z ponad 1000 W / cm 2 odnotowano. System może pracować przy niższym ciśnieniu w porównaniu do metody mikrokanałowej. Przenoszenie ciepła można dodatkowo zwiększyć za pomocą dwufazowego chłodzenia przepływowego i poprzez zintegrowanie kanałów przepływu zwrotnego (hybrydowe między mikrokanałowymi radiatorami i chłodzeniem strumieniowo-uderzeniowym).

Chłodzenie zmiennofazowe

Chłodzenie zmiennofazowe to niezwykle skuteczny sposób chłodzenia procesora. Chłodnica zmiennofazowy z kompresją pary to jednostka, która zwykle znajduje się pod komputerem, z rurką prowadzącą do procesora. Wewnątrz urządzenia znajduje się kompresor tego samego typu, co w klimatyzatorze . Sprężarka spręża gaz (lub mieszaninę gazów), który pochodzi z parownika (chłodnica procesora omówiona poniżej). Następnie bardzo gorąca para pod wysokim ciśnieniem jest wtłaczana do skraplacza (urządzenia rozpraszającego ciepło), gdzie skrapla się z gorącego gazu do cieczy, zwykle przechłodzonej na wyjściu skraplacza, a następnie ciecz jest podawana do urządzenia rozprężnego (ograniczenie w system) w celu spowodowania spadku ciśnienia i odparowania płynu (powodować, że osiągnie ciśnienie, przy którym może wrzeć w żądanej temperaturze); stosowane urządzenie rozprężne może być prostą kapilarą lub bardziej skomplikowanym termicznym zaworem rozprężnym. Ciecz odparowuje (zmienia się faza), pochłaniając ciepło z procesora, ponieważ pobiera dodatkową energię ze swojego otoczenia, aby dostosować się do tej zmiany (patrz ciepło utajone ). Parowanie może wytworzyć temperatury sięgające od -15 do -150°C (5 do -238 °F). Ciecz wpływa do parownika chłodząc procesor, zamieniając się w parę pod niskim ciśnieniem. Na końcu parownika gaz ten spływa do sprężarki i cykl zaczyna się od nowa. W ten sposób procesor można schłodzić do temperatury w zakresie od -15 do -150°C (5 do -238 °F), w zależności od obciążenia, mocy procesora, układu chłodniczego (patrz chłodzenie ) i użytej mieszanki gazowej . Ten typ systemu boryka się z wieloma problemami (koszt, waga, rozmiar, wibracje, konserwacja, koszt energii elektrycznej, hałas, potrzeba specjalistycznej wieży komputerowej), ale przede wszystkim należy zatroszczyć się o punkt rosy i odpowiednią izolację wszystkie powierzchnie poniżej otoczenia, które należy wykonać (rury będą się pocić, kapie woda na wrażliwą elektronikę).

Alternatywnie, opracowywany jest nowy rodzaj układu chłodzenia, w którym pompa jest umieszczona w pętli termosyfonowej . Daje to inżynierowi projektantowi kolejny stopień elastyczności, ponieważ ciepło może być teraz skutecznie transportowane z dala od źródła ciepła i odzyskiwane lub odprowadzane do otoczenia. Temperaturę złącza można regulować, regulując ciśnienie w układzie; wyższe ciśnienie oznacza wyższą temperaturę nasycenia płynu. Pozwala to na zastosowanie mniejszych skraplaczy, mniejszych wentylatorów i/lub efektywnego rozpraszania ciepła w środowisku o wysokiej temperaturze otoczenia. Systemy te są w istocie paradygmatem chłodzenia cieczą nowej generacji, ponieważ są około 10 razy bardziej wydajne niż woda jednofazowa. Ponieważ system wykorzystuje dielektryk jako nośnik ciepła, przecieki nie powodują katastrofalnej awarii systemu elektrycznego.

Ten rodzaj chłodzenia jest postrzegany jako bardziej ekstremalny sposób chłodzenia komponentów, ponieważ urządzenia są stosunkowo drogie w porównaniu do przeciętnego komputera stacjonarnego. Generują również znaczną ilość hałasu, ponieważ są to zasadniczo lodówki; jednak wybór sprężarki i systemu chłodzenia powietrzem jest głównym wyznacznikiem tego, co pozwala na elastyczność w zakresie redukcji hałasu w oparciu o wybrane części.

„Termosifon” tradycyjnie odnosi się do zamkniętego systemu składającego się z kilku rur i/lub komór, z większą komorą zawierającą mały zbiornik cieczy (często o temperaturze wrzenia tuż powyżej temperatury otoczenia, ale niekoniecznie). Większa komora znajduje się jak najbliżej źródła ciepła i jest zaprojektowana tak, aby jak najwięcej ciepła odprowadzała z niego do cieczy, na przykład płyta zimna procesora z komorą wewnątrz wypełnioną cieczą. Jedna lub więcej rur rozciąga się w górę do jakiegoś rodzaju grzejnika lub podobnego obszaru rozpraszania ciepła, a wszystko to jest ustawione tak, że procesor podgrzewa zbiornik i zawarty w nim płyn, który zaczyna wrzeć, a para wędruje w górę rurki do obszar rozpraszania chłodnicy/ciepła, a następnie po skropleniu spływa z powrotem do zbiornika lub spływa po bokach rury. Nie wymaga to żadnych ruchomych części i jest nieco podobny do pompy ciepła, z wyjątkiem tego, że nie wykorzystuje kapilarnego działania, co w pewnym sensie może być potencjalnie lepsze (być może, co najważniejsze, lepsze, ponieważ jest znacznie łatwiejsze do zbudowania i znacznie bardziej dostosowane do potrzeb specyficzne przypadki użycia, a przepływ chłodziwa/pary może być rozmieszczony w znacznie większej gamie pozycji i odległości oraz mieć znacznie większą masę termiczną i maksymalną wydajność w porównaniu z rurami cieplnymi, które są ograniczone ilością obecnego chłodziwa oraz prędkością i przepływem szybkość chłodziwa, którą można osiągnąć dzięki kapilarnemu zastosowaniu, często spiekanego proszku miedzi na ściankach rury, które mają ograniczone natężenie przepływu i wydajność).

Ciekły azot

Do chłodzenia przetaktowanych podzespołów można użyć ciekłego azotu

Ponieważ ciekły azot wrze w temperaturze -196°C (-320,8°F), znacznie poniżej temperatury zamarzania wody, jest cenny jako ekstremalny płyn chłodzący podczas krótkich sesji podkręcania.

W typowej instalacji chłodzenia ciekłym azotem rura miedziana lub aluminiowa jest montowana na górze procesora lub karty graficznej. Po zaizolowaniu systemu przed kondensacją ciekły azot jest wlewany do rury, co skutkuje temperaturami znacznie poniżej -100°C (-148°F).

Urządzenia odparowujące, począwszy od wyciętych radiatorów z rurami przymocowanymi do niestandardowych miedzianych pojemników, służą do przechowywania azotu, a także do zapobiegania dużym zmianom temperatury. Jednak po odparowaniu azotu należy go uzupełnić. W świecie komputerów osobistych ta metoda chłodzenia jest rzadko używana w kontekście innym niż próbne podkręcanie i próby bicia rekordów, ponieważ procesor zwykle wygasa w stosunkowo krótkim czasie z powodu obciążenia temperaturowego spowodowanego zmianami w wewnętrznym temperatura.

Chociaż ciekły azot jest niepalny, może kondensować tlen bezpośrednio z powietrza. Mieszaniny ciekłego tlenu i materiałów palnych mogą być niebezpiecznie wybuchowe .

Chłodzenie ciekłym azotem jest generalnie używane tylko do testowania procesorów, ponieważ ciągłe użytkowanie może spowodować trwałe uszkodzenie jednej lub więcej części komputera, a w przypadku nieostrożnego obchodzenia się z nimi może nawet zaszkodzić użytkownikowi, powodując odmrożenia .

Ciekły hel

Do chłodzenia stosowano również ciekły hel , zimniejszy niż ciekły azot. Ciekły hel wrze w temperaturze -269 °C (-452,20 °F), a temperatury w zakresie od -230 do -240°C (od -382,0 do -400,0 °F) zostały zmierzone na radiatorze. Jednak ciekły hel jest droższy i trudniejszy w przechowywaniu i użytkowaniu niż ciekły azot. Ponadto ekstremalnie niskie temperatury mogą spowodować, że układy scalone przestaną działać. Na przykład półprzewodniki na bazie krzemu zamarzają w temperaturze około -233 °C (-387,4 °F).

Optymalizacja

Chłodzenie można poprawić kilkoma technikami, które mogą wiązać się z dodatkowymi kosztami lub wysiłkiem. Techniki te są często stosowane w szczególności przez tych, którzy uruchamiają części swojego komputera (takie jak CPU i GPU) przy wyższych napięciach i częstotliwościach niż określone przez producenta ( podkręcanie ), co zwiększa wytwarzanie ciepła.

Instalację o wyższej wydajności, niemagazynowego chłodzenia, można również uznać za modyfikację . Wielu overclockerów po prostu kupuje wydajniejsze i często droższe kombinacje wentylatorów i radiatorów, podczas gdy inni uciekają się do bardziej egzotycznych sposobów chłodzenia komputera, takich jak chłodzenie cieczą, pompy ciepła z efektem Peltiera, rurki cieplne lub chłodzenie zmiennofazowe.

Istnieje również kilka powiązanych praktyk, które mają pozytywny wpływ na obniżenie temperatury systemu:

Związki przewodzące ciepło

Często nazywany materiałem termoprzewodzącym (TIM) (np. Intel).

Pasta termoprzewodząca jest powszechnie stosowana w celu zwiększenia przewodności cieplnej od procesora, karty graficznej lub dowolnych komponentów wytwarzających ciepło do chłodnicy radiatora. (Odwrotnie do ruchu wskazówek zegara od góry po lewej: Arctic MX-2, Arctic MX-4, Tuniq TX-4, Antec Formula 7, Noctua NT-H1)

Idealnie płaskie powierzchnie w kontakcie zapewniają optymalne chłodzenie, ale idealna płaskość i brak mikroskopijnych szczelin powietrznych nie są praktycznie możliwe, szczególnie w masowo produkowanym sprzęcie. Bardzo cienka warstwa pasty termoprzewodzącej , która przewodzi ciepło znacznie lepiej niż powietrze, choć znacznie mniej niż metal, może poprawić kontakt termiczny i chłodzenie poprzez wypełnienie szczelin powietrznych. Jeśli zastosuje się tylko niewielką ilość mieszanki, wystarczającą do wypełnienia szczelin, uzyska się najlepszą redukcję temperatury.

Istnieje wiele dyskusji na temat zalet związków, a overclockerzy często uważają niektóre związki za lepsze od innych. Główną kwestią jest użycie minimalnej ilości związku termicznego wymaganego do wyrównania powierzchni, ponieważ przewodność cieplna związku wynosi zwykle od 1/3 do 1/400 niż metalu, choć znacznie lepiej niż powietrza. Przewodność związku radiatora waha się od około 0,5 do 80 W/mK (patrz artykuły); aluminium wynosi około 200, powietrza około 0,02. Stosowane są również podkładki przewodzące ciepło , często montowane przez producentów do radiatorów. Są mniej skuteczne niż prawidłowo nałożona pasta termoprzewodząca, ale są prostsze w nakładaniu, a jeśli są przymocowane do radiatora, nie mogą być pominięte przez użytkowników nieświadomych znaczenia dobrego kontaktu termicznego lub zastąpione grubą i nieefektywną warstwą pasty.

W przeciwieństwie do niektórych omówionych tutaj technik, użycie pasty termoprzewodzącej lub wyściółki jest prawie uniwersalne przy rozpraszaniu znacznych ilości ciepła.

Docieranie radiatora

Produkowane masowo rozpraszacze ciepła procesora i podstawy radiatorów nigdy nie są idealnie płaskie ani gładkie; jeśli te powierzchnie zostaną umieszczone w najlepszym możliwym kontakcie, powstaną szczeliny powietrzne, które zmniejszają przewodzenie ciepła. Można to łatwo złagodzić stosując pastę termoprzewodzącą, ale aby uzyskać najlepsze możliwe rezultaty, powierzchnie muszą być możliwie płaskie. Można to osiągnąć za pomocą pracochłonnego procesu znanego jako docieranie , który może obniżyć temperaturę procesora zwykle o 2°C (4°F).

Zaokrąglone kable

Większość starszych komputerów używa płaskich kabli taśmowych do podłączania napędów pamięci masowej ( IDE lub SCSI ). Te duże płaskie kable znacznie utrudniają przepływ powietrza, powodując opór i turbulencje. Overclockerzy i modderzy często zastępują je zaokrąglonymi kablami, z ciasno połączonymi przewodami przewodzącymi, aby zmniejszyć powierzchnię. Teoretycznie równoległe pasma przewodów w kablu taśmowym służą do zmniejszenia przesłuchu (przewody przenoszące sygnał indukujące sygnały w pobliskich przewodach), ale nie ma empirycznych dowodów na to, że zaokrąglenie kabli zmniejsza wydajność. Może to być spowodowane tym, że długość kabla jest na tyle krótka, że ​​efekt przesłuchu jest znikomy. Problemy pojawiają się zwykle, gdy kabel nie jest chroniony elektromagnetycznie, a jego długość jest znaczna, co jest częstsze w przypadku starszych kabli sieciowych.

Te kable komputerowe można następnie przywiązać do obudowy lub innych kabli, aby jeszcze bardziej zwiększyć przepływ powietrza.

Jest to mniejszy problem w przypadku nowych komputerów korzystających z portu szeregowego ATA, który ma znacznie węższy kabel.

Przepływ powietrza

Im zimniejsze medium chłodzące (powietrze), tym skuteczniejsze chłodzenie . Temperaturę powietrza chłodzącego można poprawić dzięki poniższym wskazówkom:

  • Dostarczyć chłodne powietrze do gorących elementów tak bezpośrednio, jak to możliwe. Przykładami są fajki powietrzne i tunele, które doprowadzają powietrze z zewnątrz bezpośrednio i wyłącznie do chłodnicy procesora lub karty graficznej. Na przykład konstrukcja obudowy BTX zaleca tunel powietrzny procesora.
  • Wypuść ciepłe powietrze tak bezpośrednio, jak to możliwe. Przykładami są: Konwencjonalne zasilacze PC ( ATX ) wydmuchują ciepłe powietrze z tyłu obudowy. Wiele kart graficznych z dwoma gniazdami wydmuchuje ciepłe powietrze przez pokrywę sąsiedniego gniazda. Istnieje również kilka chłodnic na rynku wtórnym , które to robią. Niektóre projekty chłodzenia procesora wydmuchują ciepłe powietrze bezpośrednio na tył obudowy, gdzie może zostać wyrzucone przez wentylator obudowy.
  • Powietrza, które zostało już użyte do chłodzenia punktowego komponentu, nie powinno być ponownie wykorzystywane do chłodzenia punktowego innego komponentu (wynika to z poprzednich punktów). Konstrukcja obudowy BTX narusza tę zasadę, ponieważ do chłodzenia chipsetu, a często i karty graficznej, wykorzystuje się układ wydechowy chłodnicy procesora. Można natknąć się na stare lub bardzo niskobudżetowe obudowy ATX z mocowaniem zasilacza na górze. Większość nowoczesnych obudów ATX ma jednak mocowanie zasilacza w dolnej części obudowy z filtrowanym otworem wentylacyjnym bezpośrednio pod zasilaczem.
  • Preferuj chłodne powietrze wlotowe, unikaj wdychania powietrza wywiewanego (powietrze zewnętrzne nad lub w pobliżu wylotów). Na przykład kanał powietrzny chłodzący procesor z tyłu obudowy typu tower wdychałby ciepłe powietrze z układu wydechowego karty graficznej. Przeniesienie wszystkich wydechów na jedną stronę obudowy, konwencjonalnie na tył/górę, pomaga utrzymać chłodne powietrze wlotowe.
  • Ukrywanie kabli za tacą płyty głównej lub po prostu zapinanie i chowanie kabli, aby zapewnić niezakłócony przepływ powietrza.

Mniej wentylatorów, ale strategicznie rozmieszczone, poprawi przepływ powietrza wewnątrz komputera, a tym samym obniży ogólną temperaturę obudowy w stosunku do warunków otoczenia. Zastosowanie większych wentylatorów poprawia również wydajność i zmniejsza ilość ciepła odpadowego oraz poziom hałasu generowanego przez wentylatory podczas pracy.

Nie ma zgody co do skuteczności różnych konfiguracji rozmieszczenia wentylatorów i niewiele zrobiono w zakresie systematycznych testów. Stwierdzono, że w przypadku prostokątnej obudowy PC (ATX) odpowiednią konfiguracją jest wentylator z przodu z wentylatorem z tyłu i jeden na górze. Jednak (nieco przestarzałe) wytyczne chłodzenia systemu AMD zauważają, że „przedni wentylator nie wydaje się być niezbędny. W rzeczywistości, w niektórych ekstremalnych sytuacjach, testy wykazały, że wentylatory te recyrkulują gorące powietrze, a nie wprowadzają chłodne powietrze”. Może się zdarzyć, że wentylatory w panelach bocznych mogą mieć podobny szkodliwy wpływ – być może poprzez zakłócenie normalnego przepływu powietrza przez obudowę. Jest to jednak niepotwierdzone i prawdopodobnie zmienia się w zależności od konfiguracji.

Ciśnienie powietrza

1) podciśnienie 2) nadciśnienie

Mówiąc ogólnie, nadciśnienie oznacza, że ​​wlot do obudowy jest silniejszy niż wydech z obudowy. Taka konfiguracja powoduje, że ciśnienie wewnątrz obudowy jest wyższe niż w jej otoczeniu. Podciśnienie oznacza, że ​​wydech jest silniejszy niż wlot. Powoduje to, że wewnętrzne ciśnienie powietrza jest niższe niż w otoczeniu. Obie konfiguracje mają zalety i wady, przy czym bardziej popularne jest nadciśnienie. Podciśnienie powoduje przeciąganie powietrza przez otwory i otwory wentylacyjne oddzielone od wentylatorów, ponieważ gazy wewnętrzne będą próbowały osiągnąć ciśnienie równowagi z otoczeniem. W konsekwencji powoduje to przedostawanie się kurzu do komputera we wszystkich lokalizacjach. Nadciśnienie w połączeniu z filtrowanym wlotem rozwiązuje ten problem, ponieważ powietrze będzie skłaniać się do wydmuchiwania przez te otwory i otwory wentylacyjne tylko w celu osiągnięcia równowagi z otoczeniem. Pył nie może wtedy dostać się do obudowy, chyba że przez wentylatory wlotowe, które muszą być wyposażone w filtry przeciwpyłowe.

Typy komputerów

Komputery stacjonarne

Ilustracja przepływu powietrza chłodzącego w obudowie komputera podczas chłodzenia komputera

Komputery stacjonarne zazwyczaj wykorzystują jeden lub więcej wentylatorów do chłodzenia. Chociaż prawie wszystkie zasilacze do komputerów stacjonarnych mają co najmniej jeden wbudowany wentylator, zasilacze nigdy nie powinny pobierać ogrzanego powietrza z wnętrza obudowy, ponieważ skutkuje to wyższymi temperaturami pracy zasilacza, co zmniejsza wydajność energetyczną, niezawodność i ogólną zdolność do zapewniania stabilnej pracy zasilacza. zasilanie wewnętrznych elementów komputera. Z tego powodu wszystkie nowoczesne obudowy ATX (z pewnymi wyjątkami występującymi w obudowach bardzo niskobudżetowych) mają mocowanie zasilacza na spodzie, z dedykowanym wlotem powietrza zasilacza (często z własnym filtrem) pod miejscem montażu, co umożliwia Zasilacz do pobierania chłodnego powietrza spod obudowy.

Większość producentów zaleca doprowadzenie chłodnego, świeżego powietrza w dolnej części przedniej części obudowy i odprowadzanie ciepłego powietrza z górnej części tylnej. Jeśli wentylatory są zamontowane w celu wtłaczania powietrza do obudowy skuteczniej niż jest usuwane, ciśnienie wewnątrz staje się wyższe niż na zewnątrz, co określa się jako „dodatni” przepływ powietrza (odwrotny przypadek nazywa się „ujemnym” przepływem powietrza). Warto zauważyć, że dodatnie ciśnienie wewnętrzne zapobiega gromadzeniu się kurzu tylko w przypadku, gdy wloty powietrza są wyposażone w filtry przeciwpyłowe. Skrzynia z ujemnym ciśnieniem wewnętrznym będzie odnotowywać wyższy wskaźnik gromadzenia się kurzu, nawet jeśli wloty są filtrowane, ponieważ podciśnienie wciągnie kurz przez każdy dostępny otwór w obudowie

Przepływ powietrza wewnątrz typowej obudowy komputera stacjonarnego zwykle nie jest wystarczająco silny dla pasywnego radiatora procesora. Większość radiatorów do komputerów stacjonarnych jest aktywna, w tym jeden lub nawet wiele bezpośrednio podłączonych wentylatorów lub dmuchaw.

Serwery

Serwer z siedmioma wentylatorami pośrodku obudowy, pomiędzy napędami po prawej stronie a główną płytą główną po lewej stronie
Zamknij widok chłodnic serwerowych

Chłodnice serwerowe

Każdy serwer może mieć niezależny wewnętrzny system chłodzenia; Wentylatory chłodzące serwery w obudowach (1 U ) są zwykle umieszczone pośrodku obudowy, między dyskami twardymi z przodu a pasywnymi radiatorami procesora z tyłu. Większe (wyższe) obudowy mają również wentylatory wyciągowe, a od około 4U mogą mieć aktywne radiatory. Zasilacze zazwyczaj mają własne wentylatory wyciągowe skierowane do tyłu.

Chłodnice montowane w stojaku

Szafa Rack to typowa obudowa dla serwerów montowanych poziomo. Powietrze zwykle zasysane z przodu szafy i wydmuchiwane z tyłu. Każda szafa może mieć dodatkowe opcje chłodzenia; na przykład mogą mieć dołączony moduł Close Coupled Cooling lub zintegrowane z elementami szafy (np. Drzwi chłodzące w szafie serwerowej iDataPlex ).

Innym sposobem na umieszczenie dużej liczby systemów na małej przestrzeni jest zastosowanie obudowy kasetowej , skierowanej raczej pionowo niż poziomo, aby ułatwić konwekcję . Powietrze ogrzane przez gorące elementy ma tendencję do unoszenia się, tworząc naturalny przepływ powietrza wzdłuż desek ( efekt stosu ), chłodząc je. Niektórzy producenci wykorzystują ten efekt.

Chłodzenie centrum danych

Ponieważ centra danych zazwyczaj zawierają dużą liczbę komputerów i innych urządzeń rozpraszających energię, istnieje ryzyko przegrzania sprzętu; Aby temu zapobiec, stosuje się rozbudowane systemy HVAC . Często stosuje się podłogę podniesioną, dzięki czemu obszar pod podłogą może być wykorzystany jako duża komora dla okablowania chłodzonego powietrza i zasilania.

Chłodzenie cieczą z bezpośrednim kontaktem stało się bardziej wydajne niż opcje chłodzenia powietrzem, co skutkuje mniejszą powierzchnią, niższymi wymaganiami kapitałowymi i niższymi kosztami operacyjnymi niż chłodzenie powietrzem. Wykorzystuje ciepłą ciecz zamiast powietrza, aby odprowadzić ciepło od najgorętszych komponentów. Wzrost efektywności energetycznej dzięki chłodzeniu cieczą również napędza jego przyjęcie.

Laptopy

Radiatory procesora i karty graficznej laptopa oraz miedziane rurki cieplne przenoszące ciepło do wentylatora wyciągowego wyrzucającego gorące powietrze
Ciepło jest odprowadzane z laptopa przez wentylator odśrodkowy.

Laptopy stanowią trudną konstrukcję mechanicznego przepływu powietrza, rozpraszanie mocy i wyzwanie związane z chłodzeniem. Ograniczenia charakterystyczne dla laptopów obejmują: urządzenie jako całość musi być jak najlżejsze; współczynnik kształtu musi być zbudowany wokół standardowego układu klawiatury; użytkownicy są bardzo blisko, więc hałas musi być ograniczony do minimum, a temperatura zewnętrzna obudowy musi być wystarczająco niska, aby można było używać go na kolanach. Chłodzenie zwykle wykorzystuje wymuszone chłodzenie powietrzem, ale często stosuje się również przewody cieplne i metalową obudowę lub obudowę jako pasywny radiator. Rozwiązania zmniejszające wydzielanie ciepła obejmują stosowanie procesorów ARM lub Intel Atom o niższym poborze mocy .

Urządzenia mobilne

Urządzenia mobilne zwykle nie mają dyskretnych systemów chłodzenia, ponieważ mobilne układy CPU i GPU są zaprojektowane z myślą o maksymalnej wydajności energetycznej ze względu na ograniczenia baterii urządzenia. Niektóre urządzenia o wyższej wydajności mogą zawierać rozpraszacz ciepła, który pomaga w przenoszeniu ciepła do zewnętrznej obudowy telefonu lub tabletu.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki