Состояние и ближайшие перспективы развития компьютерного рынка. Системы охлаждения

Семен Валькенштейн

Прежде чем перейти к новостям на рынке систем охлаждения, поговорим об их классификации и основных принципах работы. Для этого необходимо провести четкую грань между самими технологиями и основанными на них решениями. Рынка технологий охлаждения как такового не существует - есть рынок их практических воплощений, предназначенных для решения конкретных проблем избыточного тепловыделения в тех или иных устройствах. Исходя из этого средства охлаждения на компьютерном рынке представлены как необходимые для нормального функционирования устройств вспомогательные продукты, которые подразделяются на несколько классов:

- системы охлаждения микрочипов и микросхем;
- системы охлаждения компонентов и плат расширения;
- системы охлаждения корпусов;
- внешние системы охлаждения.

Основные отличия таких систем друг от друга заключаются в их размерах, которые напрямую зависят от габаритов остужаемых объектов, а также в интенсивности их охлаждения, скорости работы и надежности. Кроме того, немаловажным критерием является и уровень воспроизводимых охлаждающим устройством шумов: в зависимости от области его применения это может являться более или менее приоритетной проблемой.

Используемые в современных системах охлаждения технологии основаны на теории теплообмена, которая в свою очередь базируется на двух законах термодинамики. Первый - знаменитый закон сохранения энергии, так называемое "первое начало термодинамики" - позволяет определять изменение внутренней энергии закрытой системы через совершаемую над ней работу и количество сообщенной системе теплоты. Второй закон термодинамики, как и первый, установлен эмпирическим путем и гласит, что теплота сама собой переходит лишь от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой и не может самопроизвольно перемещаться в обратном направлении. Зачастую применяется более лаконичная формулировка: все самопроизвольные процессы в природе идут с увеличением энтропии.

Физика выделяет три основных механизма передачи тепла: теплопроводность, конвекцию и излучение. Теплопроводностью называется способность вещества переносить тепловую энергию, а также количественная оценка этой самой способности, называемая коэффициентом теплопроводности. Конвекция (лат. convectio - принесение, доставка) - это вынужденное или самопроизвольное явление переноса теплоты в жидкостях, газах или сыпучих средах потоками самого вещества. Под тепловым излучением подразумевается электромагнитное или инфракрасное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света и коротковолновым радиоизлучением.

В современных системах широко используются первые два принципа, сообразно которым технологии подразделяются на пассивные, воздушные, жидкостные и интеллектуальные способы охлаждения.

К пассивным системам относятся простейшие решения, в которых охлаждение достигается путем перераспределения выделяемого тепла (как правило, посредством поглощения одним объектом тепловой энергии, выделяемой другим объектом). Пассивными такие системы названы потому, что они не потребляют энергии и в них отсутствуют сложные механические части, а теплопоглощение происходит естественным путем. В настоящее время наиболее яркими представителями класса пассивных систем охлаждения являются радиаторы и тепловые трубки. Радиаторы выполняются из обладающих высокой теплопроводностью металлов и сплавов (например, из меди). Они плотно прилаживаются к охлаждаемой поверхности и словно впитывают в себя выделяемую тепловую энергию. Теплоотвод организуется благодаря тому, что поглощенное тепло внутри таких систем перемещается к более охлажденным участкам и в конечном итоге рассеивается в окружающую среду. Форма и размеры радиаторов зависят от объекта охлаждения, однако чем больше радиатор и чем плотнее он прилегает к охлаждаемой поверхности, тем лучше он справляется с поставленной задачей. Принцип работы тепловой трубки также основан на эффекте теплоотвода, однако в отличие от радиатора, который выделяет тепло по всей своей поверхности, трубка позволяет выводить тепловую энергию целенаправленно. Она имеет полую внутренность, которая в условиях вакуума заполняется специальной жидкостью и закупоривается методом пайки. Под воздействием тепловыделения со стороны объекта соприкосновения жидкость обращается в пар, который перемещается (как правило, поднимается) в более холодную часть трубки, соединенную с радиатором. Там, отдавая свое тепло, пар вновь превращается в жидкость путем конденсации и стекает обратно "в топку". Благодаря герметичной пайке тепловой трубки этот процесс является зацикленным и может повторяться неисчислимое множество раз. Пассивные системы просты, надежны и абсолютно бесшумны, однако их эффективность не слишком высока, в основном из-за того, что они сами нуждаются в охлаждении, а поглощаемое ими тепло лишь отводится от охлаждаемого объекта в другое место, что может стать причиной нагрева соседних элементов. Тем не менее, пассивные системы с успехом используются там, где тепловыделение не слишком велико, есть возможность естественным образом увести тепло подальше от нагретого объекта или же в сочетании с другими системами охлаждения. Благодаря скромным по сравнению с прочими системами размерам основной областью их применения является охлаждение отдельных чипов и микросхем ПК.

Под воздушными системами охлаждения подразумеваются устройства, порождающие поток воздуха, который обдувает нагретый объект и способствует его охлаждению. Для этой цели обычно используются вентиляторы или, как их принято называть, кулеры. Более сложный принцип воздушного охлаждения основан на нескольких направленных потоках воздуха: одни уводят тепло от охлаждаемого объекта, а другие поставляют к нему охлажденный воздух. Также в таких системах зачастую используется эффект сквозняка. Эффективность работы вентиляторов зависит от размаха их лопастей, а также от частоты оборотов в единицу времени. Воздушные системы охлаждения более сложны и менее надежны, чем пассивные - в них присутствуют движущиеся механические детали. Кроме того, для осуществления вращения вентиляторам требуется либо регулярный и сильный поток воздушных масс, либо энергопотребление. Однако благодаря свойству направленного и интенсивного рассеивания тепла посредством воздушного потока именно воздушные системы зачастую комбинируют с пассивными для пущей эффективности процесса охлаждения. Чаще всего кулеры в связке с радиаторами применяются для охлаждения сильно нагревающихся микросхем компьютера (например, центральных процессоров). Кроме того, посредством мощных вентиляторов производители зачастую реализуют искусственный сквозняк для внутренностей системного блока и обдув отдельных, наиболее существенных источников тепла, вроде встроенного в корпус ПК блока питания. Также вентиляционные системы зачастую применяются в качестве внешних источников охлаждения для любых устройств и помещений, в которых они установлены.

Жидкостные системы охлаждения представляют собой одну из самых перспективных комплексных технологий. Решения на ее базе позволяют добиться наибольшего охлаждения по сравнению с предыдущими методиками. В основе жидкостного охлаждения лежит принцип теплоотдачи используемой в нем жидкости (как правило, воды или антифриза). Такая система состоит из нескольких элементов: теплообменника (ватерблока), насоса, трубопровода и радиатора. Теплообменник поглощает выделяемую объектом охлаждения энергию и передает ее потоку жидкости, который, в свою очередь, путешествуя по трубопроводу, представляющему собой систему герметичных трубок, попадает в рассеивающий тепло радиатор и охлаждается. Движение жидкости по трубкам осуществляется посредством насоса: благодаря постоянной циркуляции жидкость существенно ускоряет процесс охлаждения. В более сложных решениях применяется принцип двигателя холодильника. Cложность жидкостной системы охлаждения негативно сказывается на ее стоимости и надежности, однако является залогом высокой эффективности и низкого уровня шумов. Как правило, жидкостные системы используют для комплексного охлаждения корпусов устройств.

Наконец, последним из перечисленных и распространенных ныне классов технологий, является интеллектуальный метод охлаждения. Он основан на способности вычислительных систем к самоанализу посредством аппаратных и программных датчиков, которые следят за состоянием устройства. В случае перегрева, близкого к критическому барьеру, интеллектуальная система может снижать производительность работы отдельных микросхем (например, процессора) или вовсе отключать их до восстановления приемлемой температуры.

По мнению большинства экспертов, с развитием микроэлектроники тепловыделение элементов, несмотря на все старания разработчиков, будет возрастать, в результате чего воздушные и пассивные системы охлаждения постепенно перестанут справляться с возлагаемой на них нагрузкой. Переход на жидкостные системы охлаждения будет происходить постепенно, и в течение ближайших нескольких лет данное направление станет ключевым в индустрии.

Новости индустрии

С момента выхода последнего обзора, посвященного системам охлаждения, на рынке произошло много интересных изменений. В конце 2005 года тайваньская компания Gigabyte Technology представила компьютерной общественности свою революционную технологию охлаждения Silent-Pipe II (дословно - "тихая труба"), отличающуюся низким уровнем шумов. Новая разработка нашла применение во флагманских видеокартах Gigabyte и предназначена для эффективного остужения чрезмерно горячих графических процессоров. Как и многие другие современные технологии, она представляет собой целый комплекс конструктивных решений:

1. Фирменный модуль охлаждения с фронтальным воздушным потоком, который создан на базе тепловых трубок и занимает два слота расширения на задней панели корпуса, обеспечивая тем самым конвекцию в задней части системного блока и увеличивая эффективность отвода тепла.

2. Аэродинамическую структуру "авиационного" типа, которая использует разность температур внутри и снаружи корпуса для поддержания естественной конвекции в системе.

3. Радиатор, изготовленный высокоточным литьем под давлением.

4. Тепловые трубки с фитилями, выполненные из чистой меди с капиллярными элементами из спеченного порошка.

5. Медную вставку для тесного теплового контакта трубок с охлаждаемым чипом.

Эффективность Silent-Pipe II зависит от воздушных потоков, формируемых корпусными вентиляторами, которые являются источниками акустического шума. Однако в отличие от небольших кулеров для видеокарт, которые обладают высокой частотой вращения и именно из-за этого сильно шумят, корпусные вентиляторы имеют большие лопасти и благодаря этому образуют требуемые потоки воздуха, работая на существенно меньших оборотах. По сути, Silent-Pipe II не является чем-то принципиально новым - это лишь удачное и продуманное сочетание уже существующих технологий.

Свое видение системы охлаждения для кластерных стоек представил российский разработчик - компания Kraftway. Предполагается, что в обозримом будущем это "ноу-хау" сможет составить серьезную конкуренцию используемым в отрасли способам охлаждения. Решение Kraftway построено на базе тепловых трубок длиной до 50 см, способных передавать до 200 Вт тепловой мощности и объединенных в так называемую тепловую колонну. Ее конструкция позволяет поддерживать постоянную температуру по всей длине, а в качестве теплоотводного наполнителя трубок использован экологически чистый фреон. Главным достоинством системы является то, что она не требует дополнительного кондиционирования помещения, в котором установлена, и отличается простотой наладки. Запас по перегреву процессоров составляет до 60 градусов, а прямой отвод тепла с процессоров ускоряет охлаждение электронных компонентов сервера (в том числе блока питания) проточным воздухом. При этом существенно снижается нагрузка на воздушную систему охлаждения и, как следствие, требуемая скорость вращения вентиляторов.

Немало нового и интересного в области систем охлаждения было продемонстрировано в ходе прошедшей сравнительно недавно в Германии выставки CeBIT'2006. Так, на ней вновь фигурировала фирменная технология Sapphire, использующая для охлаждения видеокарт жидкий металл, обладающий гораздо более высокой теплопроводностью, чем вода или воздух. Производитель представил два новых графических контроллера Blizzard Radeon X850 XT и Blizzard Radeon X850 XT Platinum Edition, построенных на базе процессоров ATI Radeon X850 XT и ATI Radeon X850 XT Platinum Edition, соответственно. Именно в них и применена уникальная система охлаждения жидким металлом, реальный химический состав которого не подлежал огласке. Его перемещение внутри системы реализовано посредством электромагнитного насоса, что позволило разработчикам практически полностью отказаться от движущихся частей и снизить уровень производимого графическим контроллером шума. Комплекс не требует дозаправки, замены каких-либо элементов и безопасен для окружающей среды. Некоторые подробности принципа функционирования новой системы "жидкометаллического" охлаждения стали известны благодаря компании Texan, которая заявила, что использование жидких металлов для охлаждения процессоров является более эффективным по сравнению с кулерами и водным охлаждением. Ей принадлежит разработка системы NanoCoolers, отвод тепла в которой осуществляется прокачкой жидкого сплава металла галлия через серию трубок. Затем температура "жидкости" понижается до нормального уровня внутри за счет окружающего воздуха комнаты с кондиционером. Создатели системы утверждают, что она способна отводить до 100 Вт энергии.

В ходе выставки также был продемонстрирован прототип новой водяной системы охлаждения процессоров от Intel под названием Advanced Liquid Cooling Technology (Intel ALCT). В его состав входил базовый блок на основе меди, закрепляющийся непосредственно на процессоре, устанавливаемый поверх блока радиатор с вентилятором, а также специальный центробежный насос, отвечающий за циркуляцию жидкости.

Работа системы демонстрировалась на примере охлаждения процессора Intel Pentium Extreme Edition 955. Планируется, что первые ее коммерческие образцы появятся в продаже летом: их стоимость составит около $50.

В завершение обзора нельзя не упомянуть о нескольких совсем уж эксклюзивных разработках, в настоящий момент представляющих скорее теоретический, нежели практический интерес. Так, инженеры из Purdue University разработали миниатюрное устройство для охлаждения компьютерных микросхем, принцип действия которого позаимствован у домашнего холодильника, однако в отличие от используемого в холодильнике метрового лабиринта из трубок, вся новая система уместилась на квадратном дюйме. В созданном "капиллярном радиаторе" используется охлаждающая эмульсия, которая распространяется через многочисленные каналы шириной приблизительно в три человеческих волоса, опутывающие всю микросхему. Такие устройства могут монтироваться непосредственно в электронных компонентах и позволяют отказаться от использования радиаторов с кулерами. Основой системы охлаждения стал микронасос, перекачивающий по каналам хладагент R134a, который применяется в бытовых холодильниках и кондиционерах. Ученым пришлось практически заново изобретать микрохолодильник, так как поведение охлаждающей жидкости в сверхтонких капиллярах сильно отличается от ее поведения в трубах большего диаметра.

В свою очередь, в декабре 2005 года корпорация Fujitsu сообщила о разработке новой, схожей с описанной выше, технологии охлаждения полупроводниковых микрочипов, основанной на использовании углеродных нанотрубок. Нанотрубки были открыты японским профессором Сумио Идзима еще в 1991 году и получили свое название из-за микроскопических размеров, составляющих лишь несколько нанометров. Такие микротрубки обладают рядом уникальных свойств, в том числе высокими показателями прочности и теплопроводности, а также низким электрическим сопротивлением.

В качестве новой системы охлаждения инженеры Fujitsu предложили радиатор, состоящий из миллионов нанотрубок, повторяющих рисунок электродов остужаемого микрочипа. По заявлениям разработчиков, радиаторы из нанотрубок могут обеспечивать гораздо более эффективный отвод тепла по сравнению с уже применяемыми решениями. Впрочем, по мнению специалистов, предложенная методика нуждается в доработке и появления первых коммерческих образцов следует ожидать не ранее, чем через 3 года.