Hlađenje računala treći dio

Toplinske cijevi

Toplinska cijev je izdubljena cijev koja sadrži tekućinu za prijenos topline. Kako tekućina isparava, odnosi toplinu na hladni kraj, gdje se kondenzira, a zatim se vraća na vrući kraj (pod kapilarnom akcijom ili kao u ranijim implementacijama pod utjecajem gravitacije). Toplinske cijevi imaju tako mnogo veće toplinsku vodljivost od čvrstih materijala. Za uporabu u računalima hlađenje se vrši direktno na centralnu procesorsku jedinicu priključivši veći radijator za hlađenje. Oba odvoda topline imaju šuplje prostore kao razmak između njih stvarajući jednu veliku toplinsku cijev koja prenosi toplinu iz procesorskog hladnjaka koji se zatim hladi pomoću nekih konvencionalnih metoda. Ova metoda je skupa i obično se koristi kada je prostor za hlađenje dovoljno velik za instalaciju cijevi i ključnih centralnih sustava koji rade dvadeset četiri sata dnevno ili kada je potrebna apsolutna tišina kao na primjer u računalima koje se koriste u proizvodnji raznih audio projekata i studijima tijekom snimanja izvedbi uživo. Zbog učinkovitosti ove metode hlađenja, mnoga desktop CPU i GPU, kao i high end čipseti, koristite toplinske cijevi uz aktivno hlađenje da održe optimalnu temperaturu.

Hlađenje izmjenom faze

Hlađenje izmjenom faze je izuzetno učinkovit način da se ohladi procesor. Isparavanje kompresije hladnjaka izmjenom faza je uređaj koji se obično nalazi ispod stolnog računala, sa cijevi koja vodi do procesora. Unutra je jedinica kompresora istog tipa kao i klima uređaj na prozoru kuće. Kompresor komprimira plin (ili smjesu plinova), koji se kondenzira i pretvara u tekućinu. Zatim tekućina se odvodi do procesora gdje prolazi kroz proširenje uređaja što može biti iz jednostavne kapilarne cijevi u više razvoda toplinskog širenja ventila. Tekućina isparava (mijenja fazu), upijajući toplinu od procesora isijavajući i crpeći dodatnu energiju iz okoline koja se primjenjuje za ovu promjenu. Isparavanje može proizvesti temperature koje dosežu oko -15 do -150 stupnjeva Celzija. Plin teče u kompresor, a ciklus počinje iznova. Na taj način, procesor može biti ohlađen na temperaturu od -15 do -150 stupnjeva Celzija, ovisno o opterećenju, snazi procesora, rashladnog sustava) i smjesi plinova koja se koristi. Ova vrsta sustava pati od nekoliko problema ali, uglavnom, najveću pažnju treba posvetiti sustavu koji provodi postupak hlađenja zbog pojave vlage i pravilne izolacije svih površina ispod cijevi koje se moraju izolirati (cijevi se vlaže i postoji mogućnost kapanja vode na osjetljivu elektroniku).

Alternativno, razvija se nova vrsta rashladnog sustava, umetanjem pumpe u petlju termo sifona. To dodaje još jedan stupanj fleksibilnosti za projektante, kao i toplina koja se sada može učinkovito transportirati daleko od izvora topline i optimalno ju izbacivati u okolni ambijent. Izjednačavanje temperatura može biti podešeno podešavanjem tlaka što znači visok tlak jednak je višim temperaturama tekućine i njenog zasićenja. To omogućava potrebu i želju za ugradnjom manjih kondenzatora, manjih ventilatora i učinkovitog raspršivanja topline pri vanjskim utjecajima. Ovi sustavi koji su de facto sustavi nove generacije hlađenja i iskorištenja tekućine i otprilike su 10 puta učinkovitiji od jednofaznog hlađenja vodom. To se može usporediti kao prijelaz iz kočije sa konjskom zapregom u auto sa benzinskim motorom. Budući da sustav koristi dielektriku kao medij za prijenos  topline, curenja ne uzrokuju katastrofalne kvarove električnog sustava.

Ova vrsta hlađenja se smatra više ekstremnim načinom za hlađenje komponenti, budući da su sve jedinice  relativno skupe u odnosu na prosječnu radnu stanicu. Cijeli sustav također stvara značajnu količinu buke jer su u suštini hladnjaci no kompresorski izbor i hlađenje sustava je glavna odrednica toga što omogućuje fleksibilnost za smanjenje buke na temelju dijelova koje ste izabrali.

Tekući dušik

Mala napomena u vezi dušika…

Tekući dušik nije za igranje jer mu je temperatura svedena na -196 ° C što je daleko ispod točke smrzavanja vode. U računalnoj branši najčešće se upotrebljava pri hlađenju u procesu nabrijavanja procesora do ekstremnih granica poznatijem kao overclocking, pa čak i njegove smrti.

Ali lako za procesor i mehaniku jer ako vam se dušik prolije po prstima nećete imati s čime kopati nos jer će vam prsti jednostavno otpasti od hladnoće.

U tipičnoj instalaciji hlađenja tekućim dušikom, bakrena ili aluminijska cijev je montirana na vrhu procesora ili grafičke kartice. Nakon što je jako izolirana protiv kondenzacije, tekući dušik se ulijeva u cijev što rezultira temperaturama daleko ispod -100 ° C.

Uređaji koji onemogućavaju isparavanje dušika  i njihov siguran provod kroz sustav najčešće su napravljeni od bakra, a ujedno sprečavaju nagle promjene temperature i bespotrebno rasipanje energije. Međutim, nakon što dušik ispari, mora se ponovno puniti. U području osobnih računala, ova metoda za hlađenje se rijetko koristi u kontekstima normalnog svakodnevnog rada osim u pokušajima ekstremnih overclockinga i namjere obaranja raznoraznih brzinskih rekorda, zbog ekstremnih razlika u temperaturama u procesoru brzo će mu isteći rok trajanja u relativno kratkom vremenskom razdoblju zbog temperaturnog stresa uzrokovan promjenama unutrašnjih temperatura.

Iako je tekući dušik nezapaljiv, može kondenzirati kisik izravno iz zraka. Mješavine tekućeg dušika i zapaljivih materijala može biti opasno eksplozivan. A onda ne samo što dobivate overclocking nego i overburning!!

Tekući helij

Tekući helij, hladniji je od tekućeg dušika također se koristi za hlađenje. Tekući helij isparava na -269 ° C, a temperature su u rasponu od -230 do -240 ° C, pa tko osjeća vrućinu dovoljan je pogled na tekući helij i bit će rashlađen u trenutku.

No, helij je rijedak i skuplji od tekućeg dušika. Također, ekstremno niske temperature mogu uzrokovati totalni kolaps integriranih krugova i njihov trenutni konzervans za manje od sekunde.

Softversko hlađenje

Softversko hlađenje je praktično jer koristi softver za iskorištenje procesorske snage i tehnologiju koja štedi resurse kako bi se smanjili potrošnju energije. To je učinjeno pomoću algoritama i  uputa za isključivanje ili stavljanja u stanje mirovanja pojedinih dijelova sustava i procesora koji se ne koriste ili je iskorištenje minimalno od strane zadanih aplikacija.

Podnapajanje

Podnapajanje je praksa izvođenja  procesa ili bilo koje druge komponente sa naponima ispod specifikacija zadanog uređaja. Kod podnapajanja komponenata crpi se manje energije, a time i proizvodi manje topline. Sposobnost podnapajanja varira od proizvođača do proizvođača i njihovih linija proizvoda, pa čak i različitih proizvodnih staze iste točno proizvod (kao i ostalih komponenti u sustavu), ali moderni procesori obično se dostavljaju sa naponom višim nego je stvarno potrebno. To daje tampon zonu, tako da procesor može imati veće šanse za obavljanje zadanih procesa i ispod optimalnih uvjeta, kao što je slabija kvaliteta matične ploče. Međutim, preniski napon neće dopustiti da procesor radi ispravno i povećava proizvodnju raznih grešaka, sustav se smrzava ili ruši i u nemogućnosti je da se pravilno pali i gasi. Sa sustavom podnapajanja treba biti oprezan iako obično  ne dovodi do oštećenja hardvera ali u najgorem slučaju scenarija, program ili sustav datoteka mogu biti oštećeni.

Ova tehnika je uglavnom najiskorištenija od strane onih koji traže nisku razine buke, kao i manje energije za hlađenje koje je potrebno jer se smanjuje proizvodnja topline. Danas je podnapajanje najzastupljenije na prijenosnim ili udaljenim računalima, kao i korištenje u vozilima bez posade, mobilnim i bežičnim telefonima, kamerama, a sve u svrhu povećanja izdržljivosti baterije.

Tehnika hlađenja integriranih sklopova

Konvencionalne tehnike hlađenja uglavnom imaju svoje “hlađenje” komponenti koje se nalaze izvan računalnog sklopa ili putem IHSa za odvođenje topline. Ova tehnika “pričvršćivanja” uvijek će biti izložena nekom toplinskom otporu smanjujući njegovu učinkovitost. Toplina može biti učinkovito i brzo uklonjena izravno hlađenjem lokalnih izvora topline. Na tim mjestima kada su rasipanja snage preko 300W/cm2 (uobičajen CPU ima površinsku snagu od 100W/cm2, iako se u budućnosti očekuje da će sustavi  premašivati 1000W/cm2) poželjno je napraviti što bolji sustav hlađenja. Ovaj oblik lokalnog hlađenja je bitan da razvija visoke čips gustoće snage. Ova tehnologija dovela je do poboljšanja integracije u hlađenju elemenata u računalnih sklopova. Trenutno postoje dvije tehnike hlađenja: mikro kanalni odvod topline i kombinacija mlazno udarnog hlađenja.

U slučaju mikro kanalnog odvoda topline, kanali su uvedeni u direktno u procesor (CPU), a hlađenje se pumpa kroz njih. Kanali su dizajnirani sa vrlo velike površinama što rezultira  velikim toplinskim transferima. Ovom tehnikom zabilježen je gubitak topline od 3000 W/cm2. Za usporedbu toplina Sunca ima snagu približno 7400 W/cm2. Toplina može biti dodatno povećana ako se primjenjuju dvije faze protoka hlađenja. Nažalost, sustav zahtijeva veliki pad tlaka zbog malih kanala i zbog toplinskog toka niža je rashladna dielektrika koja se koristi u elektronskom hlađenju. Drugi način lokalnog hlađenja računalnog sklopa je tehnika mlazno udarnog hlađenja. Za ovu tehniku hlađenje se vrši kroz mali otvor u obliku mlaza. Mlaz je usmjeren prema površini procesorskog čipa, a može učinkovito ukloniti velike toplinske tokove. Izmjeren je gubitak topline od preko 1000W/cm2. Sustav može kontrolirati količinsku razinu tlaka koja nije moguća u usporedbi sa mikro kanalnom metodom. Prijenos topline može biti dodatno poboljšan korištenjem dvofaznog toka za hlađenje i integriranog kanala za povratni tok (hibrid između mikro kanalnog odvoda topline i mlazno udarnog hlađenja).

Hlađenje preklapanjem

Hlađenje preklapanjem je zaglađivanje i poliranje kontakata tj. donjih dijelova za hlađenje zbog povećanja učinkovitosti prijenosa topline. Željeni rezultat je kontaktno područje koje ima više ravnih površina, kao i manje kontaktne površine za stvaranje većeg iznosa od izolacijskog zraka između hladnjaka i računala u odnosu na dio koji je priključen. Poliranje površine  koristi kombinaciju finih brusnih papira i tekućinu abrazivnog poliranja tako da se može proizvesti vrlo glatka metalna površina glatka i sjajna poput ogledala. Čak i zakrivljena površina može postati izuzetno reflektivna, ali ne osobito ravna, kao što je slučaj sa zakrivljenim zrcalima, stoga kvaliteta hlađenja temelji se na ukupnoj plošnosti  više nego na optičkim svojstvima. Preklapanje visoko kvalitetnih izmjenjivača topline može dovesti do oštećenja jer površina može postati pre sjajna što ima kontra efekt i vrlo je vjerojatno da će više materijala biti uklonjeno sa ruba hlađene površine, što je za hlađenje manje učinkovito od drugih navedenih vrsta hlađenja.

Korištenje egzotičnih toplinsko vodljivih spojeva

Neki overclockeri koriste posebne toplinske spojeve čiji proizvođači tvrde da su mnogo učinkovitiji od ugrađenih hladnjaka na procesoru. Izmjenjivači topline očišćeni su od  masnoće ili drugih termo transferiranih spojeva sa vrlo tankim slojem koji primjenjuju proizvođači, a zatim se postavljaju normalno preko CPU-a. Mnogi od tih spojeva imaju visok udio srebra kao glavni sastojak zbog svoje visoke toplinske vodljivosti. Rezultat je razlika u temperaturi procesora koja je mjerljiva (u nekoliko stupnjeva Celzija) pa se prijenos topline čini  superiornijim . Neki ljudi imaju iskustva sa zanemarivim dobicima i postavlja se pitanje o prednosti tih egzotičnih spojeva što se više odnosi na korištenje raznoraznih aplikacija nego na korištenje same smjese. Također imajte na umu da postoje razne mogućnost zagrijavanja i zahlađivanja sa zanemarivim dobitkom ili gubitkom koji može varirati tijekom vremena kad spoj dosegne optimalnu toplinsku provodljivost.

Korištenje zaobljenih kabela

Većina starijih računala koriste plosnate vrpčaste kabele za povezivanje čvrstih diskova (IDE ili SCSI). Ovi veliki plosnati kabeli uvelike otežavaju protok zraka koji uzrokuje zagušenje i turbulencije. Overklokeri i modifikatori često zamjenjuju hrpu kablova sa vodljivim žicama grupirajući ih zajedno i čvrsto u jednu cjelinu, a sve to kako bi se smanjila površina. Teoretski, paralelne niti vodiča u trakastom kabelu služe za smanjenje preslušavanja (ili u prijevodu signal iz jednog kabla može utjecati na signal iz dugog kabla), ali ne postoji empirijski dokaz da zamotavanje kabela u hrpu smanjuje performanse. To može biti zato što je duljina kabela dovoljno kratka, tako da je učinak preslušavanja zanemariv. Problemi obično nastaju kada kabel nije elektromagnetski zaštićen i dužina je povećana što je česta pojava sa starijim mrežnim kabelima. Današnja računala sa SATA diskovima i kabelima nemaju tih problema.

Optimizacija protoka zraka kao najjednostavnije i najjeftinije rješenje

Hladniji hlađeni medij najčešće okolni zrak, čini najučinkovitije hlađenje ako je pravilno raspoređen. Rashladna temperatura zraka može biti poboljšana sa ovim smjernicama:

1. Pokušajte što je više moguće da izravno snabdijevate komponente hladnim zrakom. Primjeri su zračne dihalice i tuneli kojima se struje vanjskog zraka izravno i isključivo usmjeravaju na CPU ili GPU hladnjak. Na primjer, dizajn BTX kućišta propisuje tunel CPU zraka.

2. Poželjno je izbacivanje toplog zraka izravno iz kućišta što je više moguće. Primjeri su: konvencionalni PC sa ATX kućištem gdje kod napajanja izlazi topli zrak iz leđa kućišta. Mnoge dvostruke grafičke kartice dizajnirane su tako da upuhuju topli zrak kroz poklopac susjednih utora. Tu su i modeli opremljeni povećim hladnjacima tako da im omogućite dovoljno mjesta. Neki procesori imaju dizajn hlađenja takav da ispuhuju topli zrak izravno prema začelju kućišta i tamo gdje je to omogućeno bespotrebno je montiranje hladnjaka.

3. Zrak koji je već iskorišten na jednom dijelu za hlađenje pojedine komponente ne smije se ponovno koristiti za hlađenje neke druge susjedne komponente (to slijedi iz prethodne stavke). Za dizajn ATX kućišta može se reći da krši ovo pravilo jer napajanje dobiva svoje hlađenje iz zraka u unutrašnjosti kućišta gdje se je već ugrijao. Dizajn BTX kućišta također krši ovo pravilo jer koristi hladnjak procesora i njegove ispušne plinove za hlađenje čipseta, a često i grafičke kartice.

4. Preferira se unošenje svježeg zraka i izbjegavanje udisanja ispušnog zraka. Na primjer, zračno procesorsko hlađenje zraka na stražnjem dijelu vrha kućišta udiše topli zrak iz ispušnih tokova grafičke kartice. Premještanje svih strujanja na jednu stranu kućišta, najčešće stražnju, pomaže pri održavanju unosa svježeg zrak.

Skrivanje kabela iza matične ploče ladicu ili jednostavno primjenjivanje vezica za vezivanje i gumica za kabele daleko osiguravaju nesmetano strujanje zraka.

Manji ventilatori, ako su strateški postavljeni na pravim mjestima, poboljšat će protok zraka unutar kućišta samog računala, a time će postići i niže ukupne unutarnje  temperature u odnosu na vanjske ambijentalne uvjete. Korištenje većih ventilatora također poboljšava učinkovitost i smanjuje količinu otpadne topline uz povećanje količine buke koja je generirana od strane hladnjaka dok su u radu.

Sve u svemu, malo je spoznaja o učinkovitosti različitih konfiguracija i njihovim položajima ventilatora u kućištu, a još manje je napravljeno u cilju ispitivanja optimalnog hlađenja u  svrhu cjelokupnog poboljšanja sustava. Za sada optimalno rješenje za pravokutno ATX kućište je ventilator na prednjem dijelu sa ventilatorom u stražnjem dijelu i jedan u gornjem dijelu kućišta. Dakle, tri ventilatora za optimalno hlađenje. Ipak, AMD je, pomalo zastarjeli,  način hlađenja odbacio rekavši da je prednji ventilator bespotreban jer d nosi više štete nego koristi  postoji mogućnost turbolencija u samom kućištu i povećanje razine bukeu samom kućištu. Ali srećom to nije uklesano u kamen, a između ostalog to je nepotvrđeno i vjerojatno ovisi o zadanoj konfiguraciji.