Как рассчитать охлаждение CPU

Как рассчитать охлаждение CPU

Процессоры греются, этим фактом никого не удивишь, и поэтому на них ставят кулеры.
Все хорошо, пока CPU работает на штатных частотах с предназначенным для него или подобранным специалистом кулером, но когда компьютер собирается самостоятельно, или система подвергается разгону, к охлаждению нужно подходить с особым вниманием.

Можно, конечно, не долго думая, брать кулер с медным килограммовым радиатором и огромным вентилятором, который не только охладит процессор, но и соберет пыль из всех соседних комнат, не говоря уже о звуковой имитации взлета «Боинга-747».
Есть другой вариант: можно просто посчитать, какой кулер с каким радиатором и каким вентилятором поддержит оптимальную температуру CPU, не создавая при этом лишних звуков и сквозняков в квартире.

Почему греется процессор?

Нагрев, прежде всего, связан с тем, что протекание тока в полупроводнике неминуемо влечет выделение тепла.
Из школьного курса физики известно, что энергия не берется из ниоткуда и не девается в никуда.
В данном случае она просто переходит в тепловую.
Ситуацию осложняет то, что микросхема «окружена» веществами, которые по своей природе плохо проводят тепло (корпус, изолирующие слои, etc.) и не дают тем самым кристаллу самостоятельно охладиться.

Зачем охлаждать процессор?

Кроме того, что при повышении температуры процессора на 10 градусов его срок годности уменьшается вдвое, теряется приблизительно 1.5% производительности CPU.
Но даже вдвое уменьшенный срок службы камня превышает срок его «актуальности» (ты его поменяешь раньше, чем он выйдет из строя), а 1.5% от 2 ГГц — это всего-то 30 МГц.

Поэтому главная причина охлаждения CPU — это нестабильная работа и, в итоге, выход процессора из строя при превышении определенной критической температуры в течение определенного времени (зачастую, довольно продолжительного).
Например, существует неписанная зависимость летней стабильности системы: летом компы начинают глючить.
А о весомости этого аргумента можешь спросить любого счастливого обладателя раннего Athlon’а или Duron’а.
Да и эксперименты Тома Пабста с «естественным» охлаждением новых процессоров ты, возможно, видел в Интернете.

Так почему же высокая температура столь отрицательно действует на CPU ?

Это связано в первую очередь с тем, что в процессе жизнедеятельности в камне происходит помимо чисто электрических явлений еще и несметное количество электрохимических реакций, протекание которых во многом зависит от температуры.
Некоторым реакциям высокая температура идет на пользу, но в большинстве случаев ее влияние негативно.
Так что охлаждение необходимо!

Маркировка процессоров

Для того чтобы рационально охлаждать кристалл, хорошо бы знать, до какой температуры ему не следует нагреваться.
Кроме экспериментального метода определения этой температуры и метода чтения технических характеристик есть еще один способ — чтение маркировки.
Найти ее можно непосредственно на процессоре.
А можно и с помощью специально предназначенной утилиты.

Информацию о максимально допустимой температуре Athlon’ов ХР (Thoroughbred, Thoroughbred-B и Palomino), МР, а также Duron’ов содержит третий справа символ их OPN-номера; Athlon’ов SlotA — пятый (считая последний отдельно стоящий).
Интерпретируются эти символы следующим образом: S=95, T=90, V=85, Y=75, R=70, X=65, Q=60 градусов Цельсия.

К первой группе относятся процессоры, маркировка которых начинается с AXD, A, D; второй — AMD-A, AMD-K7, etc.

Процессоры Intel максимальной температуры в своей маркировке, к сожалению, не содержат.

Есть еще одно «Но»: некоторые недобросовестные продавцы перепиливают маркировку CPU с целью продать их подороже.
Естественно, гарантию сохранности оригинальных данных о максимальной температуре процессора они не дают.
Посему не советую тебе особо доверять надписи на камне, купленном у Васи с радиорынка.
Пользуйся софтварным методом определения маркировки.

Тепловыделение процессора

И еще одна характеристика процессора, которая тебе пригодится при расчете охлаждения - его максимальное тепловыделение или тепловая мощность.
В англоязычной документации этот параметр носит название Maximum Thermal Power.
Его физический смысл — количество тепла, выделяемое работающим CPU за единицу времени.

Тепловыделение при разгоне

При разгоне тепловыделение CPU растет пропорционально частоте.
Если ты разгоняешь Athlon XP 1700+ (1.46 GHz), у которого типичное тепловыделение 44.9 Вт до 2000+ (1.66 GHz), то его тепловыделение будет 44.9*1.66/1.46= 51.05 Вт.
Если быть точным, растет оно не совсем пропорционально: пропорционально оно растет с увеличением частоты шины, а при увеличении напряжения происходит скачок.
Но в целом зависимость верна, и можно считать увеличение тепловыделения пропорциональным увеличению тактовой частоты.

Виды охлаждения

Для ПК существует два основных вида охлаждения: жидкостное и воздушное.
При использовании первого система охлаждения имеет такой вид: непосредственно к процессору прилегает полая внутри металлическая пластина, через которую с помощью насоса прогоняется жидкость.
Вода имеет большую чем воздух теплопроводность, поэтому гораздо лучше отводит от процессора тепло.
После получения тепловой энергии жидкость отводится в специальный радиатор, где и охлаждается.
Причем доводить ее можно до температуры гораздо ниже температуры окружающей среды, повышая тем самым эффективность системы.
Главный недостаток жидкостного охлаждения - сложность и, как следствие, дороговизна.

Воздушная система охлаждения представляет собой совокупность радиатора и вентилятора, именуемую в народе просто «кулером».

Радиатор

Радиатор (пассивная часть кулера) устанавливается непосредственно на камень и принимает, по возможности, всю тепловую энергию им выделяемую (так же, как пивная бутылка предательски принимает тепло руки).
Хитрая форма радиатора обеспечивает значительно большую площадь поверхности и, соответственно, большую площадь теплового контакта процессора с окружающей средой.
Таким образом, теплообмен кристалла с окружающей средой происходит уже не через небольшую площадь его собственной поверхности, а через значительно превышающую ее площадь поверхности радиатора.

Поскольку основная задача радиатора — оперативно отводить от кристалла тепло, он должен обладать высокой теплопроводностью - величиной, характеризующей скорость распространения тепла по телу.
Кроме того, высокая теплопроводность обеспечивает равномерную доставку энергии во все концы радиатора и эффективный теплообмен с воздухом.
Еще одна величина, характеризующая пассивную часть кулера — теплоемкость материала, из которого он сделан, или количество энергии, необходимое для изменения его температуры на 1 градус.
Благодаря высокой теплоемкости, получая большое количество энергии от процессора, радиатор нагревается сравнительно несильно.
Оптимальными материалами для радиатора по этим параметрам являются серебро, алюминий и медь.
Золото тоже, в принципе, ничего, но у жадных ювелиров его не допросишься.
А вот алюминия не жалко!
Но по соотношению цена/качество лидируют радиаторы с медным или серебряным основанием и алюминиевыми ребрами.
Хотя и они могут иметь проблемы с теплопроводностью на стыке материалов.

Какие бывают радиаторы

Наиболее распространенная классификация радиаторов — по способу их производства.

Экструзионные — самые на сегодняшний день распространенные.
Производятся путем экструзии (заготовки, как через трафарет, продавливаются через пластины с отверстиями, имеющими форму сечения будущего радиатора) или формовки (материал заливается в форму, а затем охлаждается и застывает).
В основном производятся из алюминия.

Складчатые — изготавливаются путем припаивания на основание радиатора «гармошки», алюминиевой или медной ленты, согнутой много раз.
Эффективней, но дороже экструзионных.

Составные — во многом похожи на складчатые, только «гармошка» предварительно разрезается по линии сгиба.
Проще говоря, на основание (обычно медное) просто припаиваются отдельные пластины.

Холоднодеформированные (штампованные) — производятся путем холодного прессования.
Типичный представитель этого класса — игольчатые радиаторы.
Характеризуются высокой стоимостью, которая не всегда гарантирует эффективность — часто неграмотная конструкция таких радиаторов тормозит воздушный поток и препятствует вентиляции.

Эффективность радиатора

Эффективность радиатора определяется тепловым сопротивлением по отношению к поверхности кристалла, или, проще говоря, насколько изменится температура кристалла под радиатором при рассеивании через него 1 Ватта мощности.
Чем тепловое сопротивление меньше, тем радиатор эффективней.

Математически тепловое сопротивление выражается следующим образом:

R=(T-t)/P

где R - собственно, тепловое сопротивление,
T — температура камня,
t — температура воздуха,
P — тепловая мощность CPU.

То есть, подставляя вместо T температуру, которую ты хочешь наблюдать в графе CPU temperature, получаешь подходящий радиатор.
А вот по формуле T=PR+t можно вычислить рабочую температуру кристалла при установленном на нем радиаторе с термическим сопротивлением R.

Однако есть еще одна важная деталь: все вышесказанное справедливо при организованной циркуляции воздуха через радиатор.

Тепловой интерфейс

Передачу тепла от процессора радиатору значительно тормозит находящийся между ними воздух.
А находится он там из-за неизбежной неровности поверхностей двух тел.
Уменьшить количество этого воздуха можно максимально убрав неровности путем их шлифовки, что не всегда возможно.
Но есть еще один более простой и эффективный метод.
Для ликвидации воздушных прослоек пространство между процессором и радиатором заполняют тепловым интерфейсом — термопастой, термоклеем или термопрокладкой.
В природе существуют еще и теплопроводящие пленки, но их теплопроводность соизмерима с теплопроводностью воздуха, посему мы их пропускаем.

Термопаста — вязкая жидкость, вытесняет воздух из всех щелей и мелких царапин.
Она обладает хорошей теплопроводностью и не препятствует передаче тепла.
Делается термопаста на основе оксида цинка (КПТ-8) либо на микропорошке нитрида алюминия (АлСил-3), а некоторые экземпляры (которые часто прилагаются к кулерам) содержат в своем составе оксид серебра.

Термоклеи - те же термопасты, только с клеящими свойствами, чтобы радиатор не отпал в самый ответственный момент.
Термопасты и термоклеи, как и радиаторы, характеризуются теплопроводностью: КПТ-8 — 0.7 Вт/(м·градус), АлСил-3 — 1.9 Вт/(м·градус), АлСил-5 (термоклей) — 1.5 Вт/(м·градус).

Термопрокладки — резиноподобные очень тонкие (100-200 микрон) пластины, которые вследствие своей мягкости заполняют неровности.
Их производительность, правда, оставляет желать лучшего, потому как с задачей заполнения полостей они справляются не очень хорошо.

Вентилятор

Воздух обладает очень плохой теплопроводностью, поэтому тепло, излучаемое радиатором, греет очень небольшое его количество, находящееся в непосредственной близости от поверхности радиатора.
А это значительно снижает эффективность радиатора (T растет вместе с t: T=PR+t).
Именно поэтому необходимо организовать принудительную циркуляцию воздуха и конструировать радиаторы с расчетом на то, что вентилятор будет оперативно нагнетать холодный воздух и отводить нагретый.

Значит вентилятор тем эффективней, чем быстрей он нагнетает воздух, то есть чем больший объем он переносит за единицу времени.
Называется эта характеристика производительностью и измеряется, как правило, в забугорных CFM — cubic feet per minute (кубических футах в минуту).
1 CFM=28 316 кубических сантиметров в минуту или 0.00047 кубометров в секунду.
Производительность зависит от площади лопастей, их формы и скорости вращения измеряемой в RPM (rotations per minute — оборотах в минуту).

Еще одна технически важная характеристика вентилятора - используемый в нем подшипник.
Здесь возможно три варианта:

1. Подшипник скольжения (sleeve bearing). Его конек — дешевизна.
Дальше одни недостатки: дребезжание, малый срок службы, повышенное тепловыделение, неспособность функционировать при высоких температурах.

2. Два подшипника качения (two ball bearing).
Здесь все наоборот: надежный, тихий, жаростойкий, но дорогой.

3. Комбинированный: один подшипник скольжения, один качения (one ball или one ball one sleeve).
Этот компромиссный вариант является самым распространенным, поскольку представляет собой среднее арифметическое первых двух по всем перечисленным преимуществам и недостаткам.

Обычно производители кулеров предлагают три вариации одной и той же модели: на трех вариантах подшипников.

Для особо нежных и чувствительных личностей производители вентиляторов приводят еще одну характеристику — уровень производимого шума.
Как правило, его значения лежат в диапазоне 20-50 дБ.
Тихими считаются вентиляторы, шумящие менее чем на 30 дБ.

Маркировка кулеров

Чтобы определить, что же это за птица в коробке с надписью «cooler» — краткий курс технического английского языка для интерпретации обозначений:

Fan — вентилятор,
Heatsink или FHS- радиатор,
Dimension — размеры,
Rated Speed — частота вращения,
Air Flow — производительность,
Noise Level — уровень шума,
Bearing Type — используемый тип подшипника,
Life Time — время жизни (ресурс) в часах.

Холодный расчет

А теперь попробуем посчитать, кулер с какими характеристиками нужен на твой CPU.
Не погружая тебя в тонкости решения уравнения теплопроводности с неоднородными начальными условиями для стержня конечных размеров, необходимая производительность вентилятора (уже в CFM) выражается так:

P1/(990·1.2·P0·R·0.00047), где
P1=S·5.7E-8·(t1^4) — количество рассеиваемого тепла телом с температурой T и площадью поверхности S (закон Стефана-Больцмана), 5.7E-8 — постоянная Стефана-Больцмана,
t1=t2+P0·R,
t2 — температура воздуха (для ATX-корпусов — 300-305 градусов Кельвина),
P0 — тепловыделение процессора,
R — тепловое сопротивление радиатора
S — площадь поверхности радиатора,
Без привлечения криволинейных интегралов площадь поверхности экструзионного радиатора приблизительно может быть вычислена так.
S=W·(45+(H-5)·(n+2)·2+(W-n-2)), где
W — ширина, H — высота (радиатора!), n — количество ребер (на радиаторах размером 80х80 их, обычно, 25).

Все данные подставляются в системе Си — м, Вт, кг, Дж, градус Кельвина (градус Цельсия +273), а ответ получаем в CFM.

Радиатор же подбирается исходя из вышеприведенной формулы теплового сопротивления R=(T-t)/P, поэтому температура процессора не фигурирует в формуле — она учтена в тепловом сопротивлении.

Автоматизация

А теперь парочка утилит для упрощения жизни:

Central Brain Identifier 4.0 — программа идентификации процессора AMD.
Кроме идентификации самого процессора она расскажет тебе о кешах, MMX, 3dNow, SSE и других страшных аббревиатурах, а также поможет изменить тебе имя процессора с Athlon XP 1700+ на 2800++ .

Calс v2.1 — мощная программка с большим количеством решаемых задач по теплофизике: теплоотдача, перенос тепла и т.д. — просто вводи исходные данные и смотри на подробнейшие результаты.

Вот по этому адресу расчет радиатора: http://skr.radioman.ru/thermal/radiator.php .

Вместо P.S.

Весь этот бред с кучей формул никому не нужен?
С одной стороны, действительно, в характеристике каждого кулера черным по белому написано: up to … MHz.
Так что можно не напрягаться и методом нехитрого сравнения «больше-меньше» подобрать подходящий кулер.
Но разве могут все эти неточные приближенные значения удовлетворить настоящего оверклокера?
Эффективного охлаждения!

В процессе работы в CPU происходит помимо чисто электрических явлений еще и большое количество электрохимических реакций, протекание которых во многом зависит от температуры.

При разгоне процессора его тепловыделение растет пропорционально росту частоты.

Главная задача радиатора — увеличить поверхность теплообмена кристалла с окружающей средой.

X мм = X·0,001 м
X см² = X·0,0001 м²
X мм² = X·0,000001 м²
X градусов Цельсия = X+273 градуса Кельвина
X градусов по Фаренгейту = (5/9)·(X-32)+273 градусов Кельвина.

Автор: Матвей Гофф