Пассивная система охлаждения в ноутбуках: это хорошо или плохо?
Ноутбуки с пассивной системой охлаждения встречаются довольно часто. Но что это за «зверь»? В чем плюсы и минусы такой системы охлаждения, и, наконец, чего ждать от подобного ноутбука? Разбираемся в этом вместе с CHIP.
В последнее время мы все чаще сталкиваемся с ноутбуками с пассивной системой охлаждения. Многие из них подкупают своим доступным ценником. Хотя из этого правила есть и свои исключения вроде Apple MacBook Air 13 за сто с лишним тысяч рублей. Так в чем же преимущества пассивного охлаждения лэптопа? А, быть может, такие системы лучше обходить стороной? Давайте разбираться.
Содержание
Что такое пассивная система охлаждения
Система охлаждения в разных ноутбуках устроена по-разному. Но в классическом понимании она использует вентиляторы, радиаторы и теплоотводящие трубки. Ну а пассивное охлаждение убирает из этого уравнения вентиляторы.
Принцип работы пассивного охлаждения достаточно прост. Тепло от нагревающегося элемента, будь то процессор или GPU видеокарты, передается на радиатор, а последний рассеивает его в пространстве. Ну а тепловые трубки еще больше увеличивают площадь рассеивания тепла, тем самым повышая эффективность охлаждения системы. Отсюда вытекают и главные достоинства и недостатки пассивного охлаждения.
Плюсы и минусы пассивного охлаждения
Пассивную систему охлаждения в ноутбуке нельзя однозначно назвать хорошей или плохой. У нее есть свои достоинства и недостатки, и в конечном счете все зависит от того, что вы желаете получить от такого лэптопа.
Достоинства пассивного охлаждения
- Бесшумная работа. Любой вентилятор, насколько бы хорош он ни был, всегда шумит. И чем сильнее он охлаждает систему, тем на больших оборотах он работает, и тем больше от него шума. Что до пассивной системы охлаждения, то у нее нет не только вентиляторов, но и вообще каких-либо движущихся частей. Соответственно, никакого шума она не создает.
- Надежность. Отсутствие движущихся частей минимизирует риск поломки системы пассивного охлаждения. Ломаться там просто нечему.
- Минимальные усилия по обслуживанию системы. Вентиляторы охлаждают систему, в первую очередь, за счет потока воздуха, который втягивается и выдувается через вентиляционные отверстия ноутбука. А вместе с воздухом внутрь его корпуса попадает пыль. Поэтому для сохранения эффективности охлаждения такие ноутбуки нужно регулярно разбирать и чистить. При пассивном охлаждении движение воздуха внутри его корпуса минимально, а, значит, и чистить такую систему нужно не в пример реже. Впрочем, менять термопасту между процессором и радиатором придется и в этом случае.
- Пониженное энергопотребление. Ноутбуки с пассивной системой охлаждения расходуют намного меньше энергии и дольше «живут» от одной зарядки. Причем дело здесь не только в отсутствии такого потребителя энергии, как вентиляторы, но и в лучшей энергоэффективности всей системы в целом.
Недостатки пассивного охлаждения
- Невысокая эффективность пассивного охлаждения. Отсутствие вентиляторов и мощного потока воздуха резко снижает эффективность охлаждения. А значит, такие системы не могут использоваться в действительно мощных ноутбуках — их возможностей просто не хватит для охлаждения производительного процессора. Поэтому и большинство ноутбуков с пассивным охлаждением стоят совсем немного. Приведенный выше Apple MacBook Air 13 скорее можно назвать исключением из правил. Ну а типичным примером безвентиляторного ноутбука стал ACER Aspire 1.
Он предлагает простенький процессор Pentium Silver N6000 с 8 Гбайт оперативки и оснащается 14-дюймовым дисплеем с разрешением 1366×768 пикселей. При всем этом аккумулятора устройства хватит на целый день работы (8 часов), а его небольшие размеры 328 х 236 х 19,9 мм и вес 1,9 кг позволят брать лэптоп в любую поездку. Совсем не кусается и цена этого гаджета.
Итоги: пассивное охлаждение — это хорошо или плохо?
Как мы и говорили, пассивную систему охлаждения в ноутбуке нельзя назвать ни достоинством, ни недостатком. Все зависит от того, для чего вы планируете использовать это устройство. Если вам нужна мощная игровая машина, или вы планируете использовать лэптоп для рендеринга и работы с 3D-графикой, то покупать устройство с пассивным охлаждением вряд ли можно назвать хорошей идеей.
С другой стороны, если вам нужен ноутбук для работы в таблицах и текстовых редакторах, простеньких игр или просмотра фильмов, то пассивное охлаждение даст вам массу приятных преимуществ в виде бесшумной работы, высокой автономности, неприхотливости и небольшой толщины самого устройства.
Пассивная система охлаждения в ноутбуках: это хорошо или плохо
На сегодняшнем рынке довольно часто встречаются ноутбуки с пассивной системой охлаждения
Главной особенностью, которая привлекает пользователей в таких лэптопах является стоимость. Какие еще есть достоинства и недостатки ноутбуков с пассивной системой охлаждения рассмотрим в данной статье.
Подробнее о системе пассивного охлаждения
В традиционном понимании система охлаждения ноутбука — это конструкция, которая состоит из трех аспектов: вентилятор, радиатор, теплоотводящая трубка. Пассивная СО представляет собой то же самое, но не имеет в своей конфигурации первого элемента. То есть в ней отсутствует вентилятор.
Принцип работы системы пассивного охлаждения в ноутбуках не отличается особыми сложностями. Тепло от горячего процессора или видеокарты передается на радиатор и он рассеивает его в окружающей среде. В свою очередь тепловые трубки увеличивают пространство рассеивания теплого воздуха, что повышает уровень эффективности СО.
Такая система имеет свои достоинства и недостатки. Нельзя однозначно сказать, что она плохая или хорошая. Все зависит от личных предпочтений пользователя и что именно он хочет получить от конкретного ноутбука.
Ниже представим основные плюсы и минусы пассивной СО с практической точки зрения.
Преимущества пассивного охлаждения
Система пассивного охлаждения ноутбука имеет следующие достоинства:
- Отсутствие шума. Действие любого вентилятора сопровождается определенным количеством звуков. Чем сильнее и эффективнее он работает, тем выше его обороты. Соответственно, и шума становится больше. Так как в конструкции пассивной СО не имеется вентиляторов и каких-либо других движущихся элементов, работает она достаточно бесшумно.
- Надежность. Тот момент, что в пассивной СО нет движущихся частей, обусловливает ее надежность. Ведь такая конфигурация характеризуется минимальным риском поломки. Иначе говоря, сломаться там просто нечему.
- Нетрудозатратный процесс обслуживания. Вентиляторы выполняют охлаждение комплектующих за счет вывода теплого воздуха, который скапливается внутри компьютера. Воздушный поток втягивается и выдувается через специальные отверстия на корпусе. Вместе с воздухом внутрь попадает пыль и оседает на запчастях. Поэтому устройство необходимо периодически разбирать и чистить. В пассивной СО движение воздуха происходит в минимальном количестве и чистить такой лэптоп нужно в разы меньше. Менять термопасту между процессором и радиатором потребуется не так часто.
- Сниженное энергопотребление. Ноутбуки, которые оснащены пассивной СО, расходуют гораздо меньше электроэнергии и дольше сохраняют свою работоспособность на одной зарядке. И это не только относительно вентиляторной СО. Показатель энергоэффективности у пассивного охлаждения в целом лучше.
Весомых преимуществ у системы пассивного охлаждения в ноутбуках немало. Но и минусы тоже имеются.
Недостатки пассивного охлаждения
Пассивная ПО, наряду с достоинствами, имеет и некоторые недостатки:
- Большая вероятность перегрева. Пассивная система охлаждения менее эффективна, нежели вентиляторная. Такое решение не может быть использовано в высокопроизводительных ноутбуках, так как при максимальной нагрузке пассивная СО просто не справится. Результатом будет перегрев комплектующих и их поломка.
- Низкая ремонтопригодность. Как отмечалось ранее, система пассивного охлаждения ломается довольно редко. Но если же это произошло — приготовьтесь крупно потратиться. Ремонт в этом случае будет очень дорогим. Ведь заменить один неисправный вентилятор намного проще и дешевле, чем привести в работоспособное состояние сложную конструкцию из трубок и радиаторов.
- Общая далеко не рекордная производительность ноутбука. Пассивными системами охлаждения оснащаются модели начального и нижне-среднего сегмента по причине малого теплопакета процессора и отсутствия дискретной видеокарты. Компактная пассивная система охлаждения попросту не вытянет мощное железо.
Стоит учитывать эти два фактора при покупке ноутбука с пассивной системой охлаждения. Если вам требуется мощный лэптоп, то лучше выбрать другое оснащение.
В заключение статьи
Так хороша или все таки не очень система пассивного охлаждения? Однозначный вердикт поставить нельзя. Как и было отмечено выше, учитывать следует последующее назначение ноутбука:
- если вы планируете участвовать в киберспортивных соревнованиях или использовать устройство для рендеринга и 3D-моделирования, то брать лэптоп с пассивной СО не советуем (здесь необходимо более мощное решение);
- когда ноутбук требуется для офисных задач, работы с текстовыми документами, запуска простых приложения и просмотра фильмов, то лэптопы с пассивной СО как раз то, что нужно (бесшумность, высокая автономность, компактность и неприхотливость устройства безусловно порадует).
Среди интересных моделей таких ноутбуков можно выделить Xiaomi Mi Book Air 12.5, ASUS VivoBook Flip 14, HP Chromebook x360 и DELL Inspiron 11А. Они отличаются оптимальными функциональными характеристиками и хорошо зарекомендовали себя на практике.
ПАССИВНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ МИКРОСХЕМ
Одной из проблем при проектировании электронных устройств является управление тепловым режимом для улучшения производительности, срока службы и стоимости продукта. Чтобы справиться с отводом тепла, используют различные системы охлаждения.
Эти системы можно разделить на две основные категории: системы с активным и пассивным охлаждением. Пассивная система может быть простой, дешевой (вентиляторы не требуются), надежной (компоненты не изнашиваются) и относительно простой для анализа и расчёта (размеры постоянные). Тем не менее надо помнить о создании подходящей среды для стабильной и бесперебойной теплопередачи. Например вентиляционные отверстия и радиаторы не должны перекрываться и оставаться незагрязненными.
Пассивное охлаждение использует следующие физические явления:
- Излучение электромагнитных волн в инфракрасном диапазоне. Примером может служить электрическая лампочка излучающая тепло. В большинстве электронных схем излучение рассеивает небольшую часть выделяемого тепла.
- Теплопроводность, когда тепло протекает через твердый материал, обычно с высокой теплопроводностью, такой как медь или алюминий.
- Конвекция, когда тепло уносится воздухом или жидкостью, такой как вода или фреон. Поскольку теплый воздух движется вверх, для этого метода обычно требуется вентиляция в верхней или боковой части корпуса.
Прежде чем выбрать правильное решение, надо определить есть ли проблема с нагревом отдельного компонента или всей системы. В случае с точечными источниками тепло нужно только отводить из локальной зоны и распределять по большей площади. В том случае, если вся система нагревается, тепло нужно каким-то образом передать в другое место. В большинстве конструкций используется комбинация кондуктивного и конвекционного охлаждения.
Проводимость используется для отвода тепла от локального источника, такого как микросхема или транзистор, в то время как конвекция – для рассеивания тепла, которое было перенесено от источника к радиатору. В большинстве случаев для отвода избыточного тепла используются радиаторы изготовленные из хорошего теплопровода. Медь и алюминий являются одними из наиболее широко используемых материалов для этой цели в электронных устройствах. Медь (400 Вт / (м · К) при 300 К) намного дороже алюминия (237 Вт / (м · К) при 300 К), но также вдвое эффективнее. Большим преимуществом алюминия является то, что его можно легко прессовать, что позволяет создавать сложные поперечные сечения. Алюминий также намного легче меди, что снижает механическую нагрузку на хрупкие электронные компоненты.
Для обеспечения наилучшего теплового контакта с объектом нуждающимся в охлаждении, контактная поверхность радиатора должна быть плоской и гладкой. Чтобы свести к минимуму проблему поверхностных дефектов, для улучшения теплового контакта используются прокладки или теплопроводящие пасты. В основном это силиконовые пленки, силикон GAP или наполнители без силикона, при необходимости армированные стекловолокном.
Охлаждающая способность
Эффективность радиатора зависит от материала, геометрии и коэффициента теплопередачи. Как правило, принудительный тепловой КПД конвекционного радиатора улучшается за счет увеличения теплопроводности материалов радиатора, увеличения площади поверхности (обычно за счет добавления удлиненных поверхностей, таких как ребра) и за счет увеличения общего коэффициента теплопередачи. В случае сильного точечного источника тепла может потребоваться использование тепловых трубок для охлаждения за счет испарения и конденсации двухфазной рабочей жидкости. Они позволяют передавать большое количество энергии, сохраняя при этом очень небольшую разницу температур между горячими и холодными местами.
Обычно они состоят из герметичной трубки из металла, например меди или алюминия, подключение испарителя и конденсатора. Трубка содержит как насыщенную жидкость, так и пары рабочей жидкости (например, воду, метанол или аммиак). Медные метанольные трубки используются если система должна работать при температуре ниже точки замерзания воды. Их главное преимущество – отличная эффективность при передаче энергии. Теплопроводность может достигать 100 000 Вт / мК, что недостижимо обычным металлом.
Расчеты радиатора
Чтобы определить тип и габариты системы охлаждения, необходимо произвести хотя бы базовые расчеты. Обычно это двухэтапный процесс.
Во-первых, необходимо диагностировать источники тепла, такие как микросхемы, транзисторы, диоды или резисторы. Следующим шагом является моделирование отвода тепла с помощью теплопроводящих элементов (печатной платы, металлических частей корпуса и радиатора), а также конвекции и излучения. Анализ, основанный на этих моделях покажет, достаточно ли спроектированной системы для поддержания температуры источника и системы ниже максимально допустимой. Для первоначального анализа можете, среди прочего, использовать калькуляторы.
Для более сложной геометрии рекомендуется проводить моделирование с использованием программного обеспечения для анализа динамики жидкости (CFD). Они помогут оценить тепловое сопротивление компонентов и эффективность конвекционного радиатора. Не забывайте принимать во внимание даже самые маленькие препятствия для теплового потока, такие как тепловое сопротивление полупроводникового перехода к корпусу, а затем и к радиатору.
Правильно выполненная пассивная система охлаждения обеспечивает стабильную работу устройства, повышая надежность и снижая затраты на обслуживание.
Оценка размеров радиатора для обеспечения достаточного охлаждения устройства может оказаться сложной задачей, особенно если нет большого опыта в этом вопросе. Несмотря на то, что в Интернете доступны инструменты, позволяющие выполнять этот тип вычислений, стоит изучить, по крайней мере в образовательных целях, основные правила и зависимости.
Оценка размеров радиатора основана на нескольких уравнениях и физических принципах, связанных с термодинамикой и механизмами распространения и обмена тепловой энергией в окружающей среде.
Исходные данные радиатора
Конечным результатом выполненных расчетов должны быть значения, соответствующие индивидуальным размерам радиатора. Здесь предполагается, что расчеты выполнены для ребристого радиатора, такого как на рисунке. Такие элементы обычно встречаются в пассивных системах охлаждения электронных компонентов. Показаны 6 различных размеров, необходимых для полного описания радиатора. Для упрощения дальнейших расчетов можно сделать следующие предположения:
- Размеры b и t намного меньше, чем L, W и H, так что площадь поверхности перпендикулярная направлению воздушного потока g, мала по сравнению со всей поверхностью радиатора.
- Теплопроводность материала радиатора настолько велика, что распределение температуры по всей поверхности этого элемента однородное и примерно равно температуре источника тепла.
- Источник тепла имеет те же размеры что и основание радиатора, поэтому он определяет значения параметров L и H.
- Соединение между источником тепла и радиатором идеально, то есть обеспечивает передачу тепловой энергии без потерь.
Эти предположения приведут к тому, что окончательный результат расчетов будет содержать некоторую ошибку. Но его значение в большинстве случаев должно быть достаточно незначительным, чтобы можно было использовать полученные результаты на практике.
Дальнейший анализ также предполагает что основание радиатора ориентировано вертикально, и что охлаждение осуществляется за счет процесса естественной конвекции и излучения, без принудительной циркуляции воздуха в системе и незначительного эффекта кондуктивного отвода тепла от компонента.
Расчет эффекта конвекции
Значения L и H определяются размерами источника тепла. Следовательно, значение W, то есть ширина радиатора, расстояние между ребрами и количество ребер, еще предстоит вычислить.
Области, используемые для расчета скорости теплообмена
На рисунке показаны области, для которых скорость теплообмена при конвекции и процессы будут рассчитаны. Мощность, рассеиваемая конвекцией из области QC1, может быть описана уравнением:
где: Ts – температура источника тепла, Tamb – температура окружающей среды, h1 – коэффициент теплоотдачи для площади A1. Площадь A1 можно рассчитать, зная различные размеры:
Коэффициент теплопередачи составляет:
Этот шаблон верен для процесса естественной конвекции с вертикально ориентированной поверхностью. Следующим шагом является расчет мощности, рассеиваемой конвекцией в области A2, то есть области покрывающей все ребра. Для расчета площади поверхности A2 можно использовать следующее уравнение:
Оптимальное значение расстояния между ребрами, позволяющее достичь максимальной скорости передачи тепловой энергии в случае естественной конвекции, составляет:
где: g – ускорение свободного падения, в – коэффициент теплового расширения, приблизительно.
а – коэффициент выравнивания температуры воздуха (температуропроводность) для температуры Tср, v – кинетическая вязкость воздуха для температуры Tср. Для площади ребер коэффициент теплопередачи составляет:
где k – коэффициент теплопроводности воздуха при температуре Tср. Тепло, рассеиваемое в области A2, можно описать как:
Как и в случае площади А1, единое значение коэффициента теплоотдачи для всей площади допустимо из-за небольших различий в значениях этого коэффициента для поверхностей с разной ориентацией, а также небольшой доли этих областей в общем процессе теплопередачи, возникающие из-за их малой площади поверхности.
Расчет влияния излучения
Влияние излучения на общее тепловыделение радиатора может быть весьма значительным, особенно в случае пассивного охлаждения. Поэтому данный эффект следует тоже включить в анализ общей эффективности радиатора. Как и в случае передачи тепла конвекцией, радиатор можно разделить на две части – основание и ребра. Мощность тепла, рассеиваемого излучением из зоны основания, составляет:
где Е – так называемая излучательная способность поверхности радиатора, а о – постоянная Больцмана со значением 5,67 · 10 –8 Вт / м2 · K4.
Мощность теплового излучения из области ребер радиатора определяется так:
Точный расчет уровня тепловой мощности излучаемой области A2 довольно сложен, но, тем не менее, хорошим приближением является использование кажущейся площади поверхности излучения, состоящей из внешних границ области A2:
Расчет размеров радиатора
Последним шагом в процессе анализа является расчет количества ребер N, необходимого для отвода тепла, производимого источником при температуре Ts.
Зная количество ребер, можно рассчитать ширину радиатора:
Представленные здесь расчеты позволяют в упрощенном виде определить размеры радиатора, необходимые для эффективного отвода тепла от устройства с определенной температурой, работающего при известной температуре окружающей среды. Также эти уравнения позволяют осознавать влияние отдельных параметров радиатора и его окружения на конечную эффективность системы охлаждения. Более точный анализ тепловых свойств требует уже использования передовых инструментов моделирования и специализированного программного обеспечения, но для любительских целей этого вполне достаточно.
Наука об охлаждении
Уильям Гейд с Techspot приоткрыл для нас завесу тайны, окружающую охлаждение электроники.
Почему электроника нагревается? Какие методы применяются для её охлаждения?
Почти каждый элемент современной техники генерирует тепло. Не контролируй мы теплоотдачу, наши системы разрушили бы сами себя. Либо вычислительная мощность была бы сильно ограничена.
Среднестатистический пользователь DTF конечно же подумает об охлаждении процессора и видеокарты. А что насчет ОЗУ? Учитывая схожий размер кристалла (матрицы), из-за чего такая огромная разница между производительностью мобильного и десктопного процессора? Почему прирост производительности в новых поколениях чипов стал замедляться?
Ответ на все эти вопросы тесно связан с теплом и физикой работы компьютеров в масштабе нанометров. Эта статья затронет основы науки о теплоте: как и почему она образуется в электронных устройствах, также будут упомянуты различные методы по её обузданию.
Если вы еще помните физику со школы: Тепло — это хаотичные движения атомов и молекул, которые составляют наш мир. Если одна молекула обладает большей кинетической энергией, чем другая — значит она горячее. Тепло передается от одного объекта к другому, пока оба не достигнут равновесия. Это означает, что более горячий предмет передаст часть своего тепла более холодному, в итоге мы получим ту самую температуру.
Время, необходимое для передачи этого тепла, зависит от теплопроводности материалов. Теплопроводность — это способность материальных тел проводить энергию (теплоту). Изолятор, подобный пенополистиролу, имеет относительно низкую теплопроводность — 0,03. Медь обладает более высокой теплопроводностью — 400. Если же брать крайние значения то, вакуум — 0, а алмаз имеет самую высокую теплопроводимость — более 2000.
Важно помнить то, что тепло всегда переходит в холод. Однако понятие «холод» не существует. Вещи кажутся нам «холодными», если их окружение более «теплое», чем они сами.. Еще одно важное определение, которое нам понадобится, — тепловая масса. Это свойство массы объекта, которое позволяет ему накапливать тепло, обеспечивая «инерцию» по отношению к колебаниям температуры. С помощью печки одного размера гораздо легче отапливать комнату, нежели целый дом. Причина довольно проста, термальная масса (теплоемкость) помещения намного меньше, чем термальная масса всего здания.
Можно объединить все эти термины с помощью простого примера — кипящая вода. Когда вы включаете плиту, горячее пламя контактирует с более холодным чайником. Поскольку материал из которого он изготовлен, является хорошим теплопроводником, тепло от огня будет передаваться в воду до тех пор, пока она не закипит.
Время закипания будет зависеть от способа нагрева, материала посуды и количества воды. Если вы попытаетесь вскипятить кастрюлю воды при помощи маленькой зажигалки — это займет целую вечность по сравнению с большим огнем от плиты. Всё потому, что плита обладает гораздо более высокой тепловой мощностью (Вт), чем маленькая зажигалка. Суп закипит быстрей, если «котел» имеет более высокую теплопроводность, т.е. вода получит больше тепла. Теперь, мы знаем, что маленький сосуд с водой закипит быстрее, чем большой — при малом размере ёмкости термальная масса нагревается в меньшей степени.
Как только вы закончите готовить, вода остынет сама по себе. Когда это происходит, тепло от воды улетучивается в окружающую среду. Поскольку в помещении термальная масса намного выше, чем в кастрюле, температура сильно не изменится.
Теперь, мы примерно знаем, как работает тепло и как оно взаимодействует с объектами. Давайте поговорим о том, откуда берется теплота. Вся цифровая электроника состоит из миллионов и миллиардов транзисторов. Для более детального рассмотрения того, как они работают, ознакомьтесь с «третьей частью нашего исследования по современной архитектуре процессоров». (прим. там 4 больших статьи, если будет интересно, могу заняться их переводом)
По сути, транзисторы — это электрически управляемые переключатели, которые включаются и выключаются миллиарды раз в секунду. Мы можем соединить их вместе, чтобы сформировать структуру компьютерного чипа.
Во время работы транзисторов, они рассеивают энергию от трех источников: коммутации, короткого замыкания и утечки энергии. Коммутация и питание от короткого замыкания известны как динамические источники тепла, так как на них влияют включающиеся и выключающиеся транзисторы. Утечка энергии известна как статическая, так как она постоянна и не зависит от работы транзистора.
Начнем с потенциала/переключения. Чтобы включить или выключить транзистор, мы должны установить затвор на землю (logic 0) или Vdd (logic 1). Но это не так просто, будто щелкнуть переключателем — этот входной затвор имеет очень малую емкость. Можно представить его как крошечную перезаряжаемую батарейку. Для того, чтобы активировать затвор, мы должны зарядить аккумулятор выше определенного порогового уровня. Как только мы будем готовы снова отключить его, нам нужно пустить заряд в землю. Хотя эти затворы микроскопичны, в современных чипах их миллиарды, и они переключаются миллиарды раз в секунду.
Каждый раз, когда заряд затвора сбрасывается в землю, выделяется небольшое количество тепла. Чтобы получить значение энергии стабилизатора напряжения, мы перемножаем коэффициент активности (среднюю долю транзисторов, переключающихся в любой данный цикл), частоту, емкость затвора и напряжение в квадрате.
Теперь рассмотрим энергию короткого замыкания. Современная цифровая электроника использует технологию — комплементарный металло-оксидный полупроводник (КМОП). Транзисторы устроены таким образом, что у них нет прямого пути для передачи тока в землю. В приведенном выше примере инвертора (NOT gate), находятся два комплементарных транзистора. Когда верхний включен, нижний выключен и наоборот.Это гарантирует, что выход находится либо на 0, либо на 1 и является обратным входу.Однако, когда мы включаем и выключаем транзисторы, существует очень короткий промежуток времени, когда они оба проводят электричество одновременно. Когда один выключается, а другой включается, они оба достигнут середины и будут проводить ток. Это неизбежно и обеспечивает временный путь для течения тока непосредственно к земле. Мы можем попытаться ограничить путь, ускорив переключение транзисторов с ВКЛ на ВЫКЛ, но не можем полностью устранить это.
По мере увеличения рабочей частоты микросхемы, происходит больше изменений состояния и больше мгновенных коротких замыканий. Это увеличивает тепловыделение чипа. Чтобы найти энергию короткого замыкания, мы перемножаем ток короткого замыкания, рабочее напряжение и частоту переключения.
Это два примера динамической энергии. Наиболее простой способ ослабить её — снизить тактовую частоту чипа. В свою очередь происходит падение производительности чипа, то есть не совсем целесообразный подход. Другой вариант — уменьшить рабочее напряжение процессора.Раньше чипы работали на 5 В и больше, теперь же современные ЦП используют 1 В и около этого значения. Проектируя транзисторы для работы на более низком напряжении, мы можем уменьшить потери тепла за счет динамической энергии. Она также является причиной того, что ваш ЦП и ГП нагреваются при разгоне. Вы увеличиваете тактовую частоту и довольно часто, напряжение. Чем выше их значения, тем больше тепла выделяется с каждым циклом.
Последний тип тепла, генерируемого в цифровой электронике, — это утечки энергии.Мы думаем, что транзисторы либо полностью включены, либо выключены, но на самом деле все работает не так.Даже когда транзистор находится в «непроводящем» состоянии, через него всегда будет протекать небольшое количество тока. Это очень сложная формула, и эффект только ухудшается, из-за того что мы уменьшаем размер транзисторов.
Когда они становятся все меньше, остается все меньше вещества, которые блокируют поток электронов. А это необходимо, чтобы держать транзисторы в выключенном состоянии. Именно поэтому производительность новых поколений процессоров ограничивается, поскольку доля утечек продолжает увеличиваться с каждым поколением. Законы физики загнали нас в угол, и мы израсходовали все наши возможности чтобы выйти из него.
Итак, мы знаем, откуда берется тепло в электронике, но как мы можем обуздать его? Нам нужно избавиться от него, так как, если транзисторы становятся слишком горячими, они могут начать ломаться и повреждаться. Thermal throttling (троттлинг) — это встроенный в микросхему метод охлаждения, если мы сами не можем предоставить процессору что-нибудь адекватное в этом плане. Если внутренние датчики температуры считают, что становится жарковато, чип может автоматически снизить свою тактовую частоту, дабы уменьшить количество выделяемого тепла. И это не то, что вы желаете. Есть много способов получше, они позволят справиться с нежелательной теплотой в компьютере.
Есть чипы, которым на самом деле не нужны причудливые решения для охлаждения. Взгляните на свою материнскую плату, там вы найдете десятки маленьких чипов без радиаторов.Как они не перегреваются и не разрушаются? В первую очередь, они не производят такое количества тепла. Мощные процессоры и ГП могут рассеивать сотни ватт, в то время как небольшой контроллер или аудиочип могут использовать лишь немного энергии. Если это так, то сама материнская плата или корпус чипа могут быть радиатором достаточным для его охлаждения.Однако, как это обычно бывает, если у вас уже больше 1 Вт, вам нужно задуматься о более надлежащем управлении теплом.
Основная мысль заключается в том, чтобы поддерживать низкое термическое сопротивление между материалами. Нам нужен кратчайший путь для теплоты — от самого чипа до окружающего воздуха. Вот почему процессорные и графические кристаллы поставляются с установленными сверху крышками для распределения тепла (IHS). Поскольку сам чип меньше по размеру, чем корпус, тепло распространяется на большую площадь и в результате мы получаем более эффективное охлаждение процессора. Также важно использовать хорошую термопасту. Без неё тепло не могло бы так легко уходить от IHS к радиатору.
Существует две основные формы охлаждения: пассивное и активное. Пассивное охлаждение — это простой радиатор, прикрепленный к чипу, который охлаждается окружающим воздушным потоком. Материал будет обладать высокой теплопроводностью и большей площадью поверхности. Это позволит радиатору передавать тепло от чипа окружающему воздуху.
Стабилизаторы напряжения и оперативная память могут обойтись пассивным охлаждением, поскольку они не выделяют много тепла. Процессоры мобильных телефонов как правило используют ту же схему, так как они рассчитаны на очень низкую мощность. Чем производительней чип, тем больше энергии он будет производить и тем большего размера нужен радиатор. Поэтому процессоры в телефонах слабее, чем десктопные аналоги. Им просто не хватает охлаждения.
Достигая отметки в 10 Вт, стоит задуматься об активном охлаждении.Данный метод использует вентилятор или ему подобные для нагнетания воздуха через радиатор. Он способен выдерживать нагрузку до нескольких сотен ватт.Нужно чтобы тепло с чипа попадало на всю поверхность кулера. Это было бы не очень целесообразно, если бы у нас был огромный радиатор без возможности передать ему тепло.
В этот момент на сцену выходят жидкостное охлаждение и тепловые трубки. Оба они выполняют одну и ту же задачу — передача как можно большего количества тепла от чипа к водоблоку или радиатору.В случае жидкостного охлаждения тепло передается от чипа к водоблоку через термопасту с высокой теплопроводностью.Водоблок часто состоит из меди или другого материала, способного хорошо проводить тепло.Жидкость нагревается и сохраняет тепло до тех пор, пока оно не достигнет радиатора, где оно может быть рассеяно. Для небольших систем, например ноутбуков, которые не способы вместить в себя жидкостное охлаждение — имеют распространение тепловые трубки.По сравнению с обычной медной трубкой, система с тепловыми трубками может быть в 10-100 раз эффективнее.
Тепловая трубка очень похожа на жидкостное охлаждение, но она также использует фазовый переход для увеличения теплопередачи. Внутри них находится жидкость, которая при нагревании превращается в пар.Он движется по тепловой трубке до тех пор, пока не достигнет «холодного конца» и не сконденсирует обратно в жидкость. Потом она возвращается к «горячему концу» под действием силы тяжести или капиллярного эффекта. Это испарительное охлаждение — та же самая причина, по которой вы чувствуете холод, выходя из душа или бассейна. Во всех этих случаях жидкость, превращаясь в пар поглощает тепло, а затем высвобождает его, как только оно конденсируется.
Теперь, когда мы можем передать тепло от чипа к тепловой трубке или жидкости — каким образом пустить его в окружающий воздух? Вот тут-то и появляются пластины с рёбрами и радиаторы. Тепловая трубка или трубка с водой будут передавать часть своего тепла в окружающий воздух. Но это не так много. Чтобы действительно охладить вещи, нам нужно увеличить площадь поверхности на которой распределяется температурный градиент от теплоносителя.
Тонкие пластины в радиаторе распределяют тепло по большой площади поверхности, что позволяет вентилятору эффективно уносить нагнетаемый воздух.Чем тоньше пластины, тем больше площадь поверхности, способная уместиться в заданный размер.Однако, если они слишком тонкие, то будет недостаточно контакта с тепловой трубкой и тепло не сможет достичь пластин. Это очень чёткий баланс, поэтому в некоторых случаях большой кулер может быть менее эффективным, чем маленький, оптимизированный кулер. Стив из Gamers Nexus создал отличную диаграмму показывающую то, как работает типичный радиатор.
Все вышеназванные методы охлаждения работают по принципу простой передачи тепла от горячего процессора воздуху.Это означает, что чип никогда не сможет стать холоднее, чем окружающая его среда в помещении, в котором он находится.Если мы хотим охладить процессор или что-то огромное, например дата-центр ниже температуры окружающей среды, нам нужно воспользоваться наукой. Именно тут появляются охладители и термоэлектрические кулеры.
Термоэлектрическое охлаждение, также известное как устройство Пельтье, в настоящее время не очень популярно, но может быть очень полезным. Эти приборы, потребляя электроэнергию передают тепло с одной стороны охлаждающей пластины на другую. Они используют специальный термоэлектрический материал, который может создавать разность температур за счет электрического потенциала.Когда постоянный ток протекает через одну сторону устройства, тепло передается на другую. Это позволяет температуре «холодной» стороны опускаться ниже температуры окружающей среды.На данный момент эти устройства очень нишевые, так как они требуют много энергии для достижения существенного охлаждения. Однако исследователи работают над созданием более эффективных версий для крупного рынка.
Как и переход состояния передают тепло, так и изменение давления жидкости способно справиться с этой задачей. Именно так работают холодильники, кондиционеры и большинство других систем охлаждения.
Специальный хладагент проходит через замкнутый цикл, в котором он будучи паром, сжимается, конденсируется в жидкость, расширяется и испаряется обратно в пар. Этот круговорот повторяется снова и снова, и передает тепло в процессе своей работы. Компрессору нужно много энергии, но такая система может охлаждаться до температуры ниже чем в окружающей среде. Таким образом дата-центры и целые здания могут оставаться прохладными даже в самый жаркий летний день.
Если речь заходит об электронике, системы подобные этим, отходят на второй план. Сначала вы передаете тепло от чипа в помещение, а затем с помощью сжатия пара выносите его из комнаты наружу. Тем не менее, энтузиасты-оверклокеры, если им нужно дополнительное охлаждение — подключают специальные охладители к своим процессорам.Временные методы экстремального охлаждения также возможны и требуют расходные материалы, например жидкий азот или сухой лед.
Охлаждение может принимать различные формы, но в нём нуждаются все виды электроники. Основная задача состоит в том, чтобы передать тепло от горячего чипа или системы в более прохладное окружение. Переместить его туда, где это не будет проблемой — все что мы можем сделать, поскольку в самом деле нет никакого способа избавиться от тепла.
Вся цифровая электроника генерирует тепло из-за особенностей работы транзисторов. Если мы не избавимся от теплоты, полупроводниковый материал начнет разрушаться и чип может повредиться. Тепло является врагом всех разработчиков электроники и является одним из ключевых сдерживающих факторов роста производительности.Мы не можем просто сделать ЦП и ГП намного большего размера, потому что нет действительно хорошего способа охладить что-то настолько мощное. Вы не сможете освободиться от тепла.
Надеюсь, теперь вы будете больше ценить всю ту науку, которая защищает вашу электронику от перегрева.