Состояние и ближайшие перспективы развития IT-рынка. Системы охлаждения

Семен Валькенштейн

На заре развития электроники средства кондиционирования различных электроприборов рассматривались как сугубо внутренние и неотъемлемые элементы их конструкции, ответственность за работу которых целиком и полностью лежала на производителе конкретного продукта. Однако стремительный рост производительности и потребляемой мощности компьютерного оборудования (а также, как следствие, уровня тепловыделения) в последнее десятилетие привел к взлету спроса на эффективные решения для охлаждения. Благодаря этому такие решения выделились в отдельный, вполне независимый сегмент мирового IT-рынка. Сам по себе этот сегмент достаточно инертен, и какие-либо глобальные перемены здесь происходят довольно редко: в основном наблюдается кропотливое оттачивание уже существующих технологий, а давно сформировавшейся группе ведущих производителей практически не приходится чествовать новичков. Тем не менее, некоторые события, произошедшие за последний год, достойны того, чтобы быть представленными широкой аудитории нашего издания.

Но прежде чем перейти непосредственно к описанию конкретных продуктовых и технологических новинок, хотелось бы немного поговорить о классификации современных систем охлаждения. На сегодняшний день наиболее уместным подходом к ней является технологический, позволяющий разбить представленные на рынке продукты на классы в соответствии с применяемой в них технологией теплоотвода. Это связано с тем, что независимо от масштабов и типов охлаждаемых объектов (будь то одна малюсенькая микросхема, сервер или даже гигантский центр обработки данных) для снижения температуры и улучшения отвода тепла в них используются одни и те же приемы и инструменты. В настоящий момент все системы охлаждения (начиная от простейших кулеров для процессоров и заканчивая сложными комплексами охлаждения серверных корпусов) можно условно поделить на четыре группы: нитрогенные, гидрогенные, криогенные и аэрогенные.

Аэрогенные, или воздушные системы охлаждения пока все еще являются традиционными и наиболее распространенными. Их главное преимущество заключается в простоте и низкой стоимости. На рынке присутствуют также усовершенствованные аэрогенные системы, дополненные так называемыми элементами Пельтье - специальными пластинками, играющими роль прокладки между кулером и поверхностью охлаждаемого объекта. Элементы Пельтье усиливают полезное действие вентилятора путем увеличения эффективности теплообмена за счет разности температур холодного теплоносителя и горячего источника тепла. Гидрогенная, или водяная технология охлаждения была разработана уже очень давно, но в индустрии электроники системы на ее базе пока еще совершают только первые робкие шаги на пути к массовому распространению, неизбежному, по мнению экспертов и аналитиков. Основу такой системы составляют герметичный теплоотвод с трубками для ввода и вывода влаги, теплообменник с кулером, а также водяной насос. Все они соединяются в замкнутую цепь, заполняющуюся водой, которая играет роль теплоносителя. Холодная вода качается насосом через теплоотвод, забирая у него тепло и нагреваясь, а затем по трубкам поступает в теплообменник, где охлаждается посредством кулера и вновь возвращается к теплоотводу - такова в двух словах простейшая схема водяного охлаждения. Ее недостатком является ограниченное количество теплоносителя (воды) в замкнутой системе и, как следствие, временные затраты, требующиеся на его переохлаждение. Криогенные системы отличаются от водяных тем, что в них в качестве теплоносителя, как в холодильниках, используется фреон, что существенно удорожает их себестоимость, но при этом повышает эффективность охлаждения. Наконец, наиболее действенными и наименее распространенными являются так называемые нитрогенные системы, основанные на использовании в теплоотводе сжиженного газа, например азота, с температурой существенно ниже нуля градусов. При увеличении температуры азот испаряется и отводит тепло, а для возобновления цикла охлаждения системе необходимо ввести в теплоотвод новую порцию жидкого азота. Высокая эффективность данного метода компенсирует его дороговизну.

Из перечисленной выше классификации следует, что основной головной болью инженеров, занимающихся разработкой систем охлаждения, по-прежнему остается поиск оптимального теплоносителя, который используется для отвода тепла, а также снижение себестоимости систем охлаждения и их масштабирование с сохранением эффективности работы (очевидно, что построить большую и громоздкую систему охлаждения с высоким КПД намного проще, чем столь же полезную, но при этом легкую и компактную).

Новости рынка

Генерируемая современными процессорами мощность уже вплотную приблизилась к уровню поверхностной плотности 100 Вт на квадратный сантиметр, что является серьезной проблемой для всех, начиная от производителей ПК и заканчивая их пользователями. В конце прошлого года корпорация IBM в рамках лондонского саммита BroadGroup Power and Cooling вынесла на суд участников свой собственный инновационный подход к разработке систем охлаждения процессоров и микросхем современного компьютерного оборудования, получивший название "интерфейс с высокой теплопроводностью" (High Thermal Conductivity Interface Technology). Согласно заявлению инженеров из IBM Research, их разработка, которая является плодом усилий исследователей из лаборатории IBM в Цюрихе, позволяет добиться в разы более эффективного отвода тепла по сравнению с другими распространенными методиками охлаждения. В современных ПК для охлаждения CPU применяется комбинация из кулера и радиатора. Последний находится в плотном контакте с самим чипом посредством специальной термопасты, которая позволяет процессору беспрепятственно изменять объем в соответствии со своими тепловыми циклами. При этом от толщины слоя пасты напрямую зависит эффективность теплоотдачи (чем тоньше - тем эффективнее), однако необходимо учитывать, что механическое уплотнение этого слоя может привести к нарушению целостности охлаждаемого чипа. Для устранения данной проблемы разработчики IBM создали специальную насадку для микросхем, обладающую особой структурой поверхности, пронизанной микроканалами. Достаточно приложить минимальные усилия для того, чтобы под незначительным давлением на радиатор термопаста распределилась максимально равномерно по поверхности процессора. В результате достигается плотный контакт между радиатором и CPU, при этом во много раз снижается риск повреждения чипа и одновременно улучшается процесс переноса тепла от него к радиатору. Концепцию "интерфейса высокой теплопроводности" можно применить и к гидрогенным системам охлаждения. Инженеры IBM провели испытания, в ходе которых жидкость особым образом впрыскивалась на поверхность защищенного насадкой процессора и отводилась при помощи микроскопических сопел и хитросплетений отводных каналов. В лабораторных условиях такая модернизированная IBM система охлаждения более чем в шесть раз превысила рекорд отвода тепла современных аэрогенных систем при существенно меньших энергозатратах. Предложенная инженерами IBM структура микроканалов широко распространена в природе: ею обладают деревья (листья и корни) и даже человек с его сложной системой кровообращения. Перспективы у "интерфейса высокой теплопроводности" весьма обнадеживающие, однако пока что сроки практического применения и распространения новой технологии на рынке неизвестны.

Всем известно, что наилучшей теплопроводностью среди металлов обладает серебро, из которого можно было бы создавать самые эффективные радиаторы, если бы не его дороговизна. В качестве альтернативы драгоценному металлу широко используется медь, не многим уступающая по теплопроводности серебру, но существенно более дешевая. Однако и она, как материал, не лишена серьезных недостатков, связанных со сложностью ее обработки и низким коэффициентом теплоотдачи. В результате многие производители сделали ставку на недорогой алюминий, который, ко всему прочему, легко отдает тепло окружающей среде и с легкостью поддается обработке. Однако алюминиевые радиаторы оставляют желать лучшего и уже не в состоянии эффективно справляться со стоящими перед ними задачами. В ходе двадцать седьмой по счету выставки Computex 2007, которая проводилась в Тайпее с 5 по 9 июня текущего года, был продемонстрирован прототип нового кулера OCZ Hydrojet с радиатором, в котором для отвода тепла используются карбоновые нанотрубки. Их изготавливают из специальных листов графена (от английского graphene) - слоя атомов углерода, соединенных в гексагональную двумерную кристаллическую решетку. Для производства карбоновых нанотрубок используются листы графена толщиной в 1 атом углерода. Согласно исследованиям разработчиков, по эффективности теплоотвода структура на основе карбоновых нанотрубок превосходит медь в пять раз. Стоит отметить, что представленный на Computex кулер OCZ Hydrojet является гибридным, поскольку в нем совмещается воздушный и водяной способ охлаждения. Сроки поступления новинки на рынок пока что не определены.

Еще одним любопытным и сравнительно недавно возникшим направлением на рынке систем охлаждения является кондиционирование оперативной памяти ПК. В ходе Computex 2007 японская компания Scythe продемонстрировала продукт под названием Kama-Wing, который представляет собой две алюминиевые пластины, верхняя часть которых расположена под углом и выступает на 31 мм, внешне напоминая крыло. Эти пластины высотой 39 мм, длиной 125 мм и толщиной 10 мм по сути являются компактными пассивными радиаторами, предназначенными для закрепления на любых модулях памяти при помощи термопрокладок и зажимов, причем термопрокладки присутствуют в комплекте поставки новинок. Крылья радиаторов можно направлять в одинаковые или противоположные стороны, что влияет на эффективность теплоотвода при обдувании их вентилятором процессора. Kama-Wing совместимы как с односторонними, так и с двухсторонними модулями (SDRAM, DDR, DDR2 и DDR3), а их вес составляет лишь 25 г. Пока что эта любопытная новинка доступна лишь в Японии по цене около десяти долларов.

Прошедшей весной компания Gigabyte обновила свою, уже успевшую обрести славу, пассивную систему охлаждения Silent-Pipe. Спустя два года (напомню, что Silent-Pipe II была представлена еще в 2005 году) компания создала ее новую редакцию - Silent-Pipe III, в которой медным стало не только основание, но и радиатор. Кроме того, в конструкции радиатора применяются диагональные ребра с переменной длиной, что должно позитивно отразиться на эффективности теплоотвода. Новая версия системы охлаждения уже применяется производителем в некоторых моделях видеокарт.

О своей новой инициативе, направленной на решение проблемы эффективного охлаждения для центров обработки данных, сравнительно недавно объявили компании Emerson Network Power и Dell, заключившие соглашение с целью распространения новых решений. Dell-Liebert Energy Smart Solution, поставки которого уже начались, сочетает в себе производительность серверов Dell PowerEdge Energy Smart с технологиями охлаждающих систем Liebert XD и Liebert DS. Это решение способно увеличить производительность центра обработки данных на 80%, сократив энергопотребление на 42%. Liebert XD включает в себя мощную систему охлаждения, располагаемую сверху или возле стойки. В ней используется высокоэффективный хладагент, подаваемый насосом, что позволяет добиться существенного роста эффективности охлаждения центра обработки данных при сохранении возможности использования существующей инфраструктуры. Система поддерживается Liebert DS - единственной прецизионной системой охлаждения, в которой используются компрессоры переменной емкости Digital Scroll, поддерживающие баланс температур в разных частях помещения при одновременном контроле влажности и очистке воздуха от пыли и вредных примесей.

Экстремальный оверклокинг

За прошедшие пару лет российский рынок систем охлаждения возмужал и приобрел вполне осязаемые очертания: перечень представленных на нем торговых марок пополнился ведущими мировыми брендами, значительно сократился объем импорта так называемой "ноунэйм-продукции", при этом портфель решений и технологий, доступных отечественным потребителям, ничуть не потерял в весе, а, напротив, существенно увеличился. Ни для кого не секрет, что одной из главных движущих сил разработки и внедрения инновационных технологий охлаждения являются экстремалы, придумывающие новые и порой весьма нетрадиционные подходы к кондиционированию элементов ПК в гонке "ускорений и разгонов". Однако в России комплекс систем для "экстремального оверклокинга" остается единственной практически не охваченной рыночной нишей. В результате отечественным умельцам приходится собственными руками стряпать чудодейственные сооружения, способные поглощать и рассеивать тонны выделяемого тепла. Между тем мировая общественность в последнее время уделяет этой области повышенное внимание. Одним из наиболее значимых событий 2006-го года в глобальном сообществе компьютерных энтузиастов стало открытие в Сети единого всемирного рейтинга оверклокеров. Ранее некоторые рекорды оверклокинга фиксировались в специальных пакетах тестовых приложений производства Futuremark, а в основном велись поклонниками данного течения неофициально. Отсутствие объективного метода интегральной оценки профессионализма оверклокеров, а также рейтинга командных достижений сообществ подтолкнуло бельгийского энтузиаста Фредерика Колардина (Frederik Colardyn) к созданию специального интернет-ресурса - www.hwbot.org. По этому адресу расположен сайт, на котором регулярно обновляются рейтинги производительности ПК в 13 тестовых приложениях, при этом участникам за отдельные достижения начисляются баллы, позволяющие вести общий рейтинг. Здесь же, знакомясь с теми или иными рекордами и достижениями, можно обнаружить описания использованных систем экстремального охлаждения.

Одна из таких систем была представлена в мае текущего года в рамках проекта Puget Custom Computers. Ее особенностью является лежащий в основе принцип охлаждения ПК посредством минерального масла, причем не отдельных его узлов, а всего устройства в целом: данный подход подразумевает погружение начинки компьютера в аквариум Eclipse System 6, наполненный 45 литрами масла STE Oil. Это вещество было выбрано в качестве охлаждающей жидкости, поскольку оно не портится со временем. Проблема изоляции разъемов задней панели системной платы была решена путем выбора положения, при котором они находятся на поверхности над маслом. При осуществлении комплексного охлаждения посредством данного решения была устранена проблема локального перегрева благодаря тому, что тепло внутри такого корпуса распределяется равномерно: в процессе первого часа работы температура самых "горячих" узлов ПК не превышала 37 градусов. Стабильность работы системы сохранялась на протяжении двух суток тестирования даже после нагревания процессора до 88 градусов. Для минимизации уровня температуры организаторы проекта поместили на дно аквариума воздушный компрессор, который способствовал выведению тепла из глубины на поверхность посредством пузырьков воздуха. Стоимость материалов, использованных в проекте, составила около 3800 руб. Если как следует покопаться на официальном сайте Puget Custom Computers (http://www.pugetsystems.com), можно найти фотографии и видеоролик, наглядно демонстрирующие описанную процедуру охлаждения.