Обновленная методика тестирования систем охлаждения, платформа Intel LGA1156


Третья редакция, сезон 2010

Общие положения

Благодаря значимому прогрессу в технологиях, которые обеспечивают современному поколению процессоров разумный и комфортный тепловой конверт, «первичная» характеристика кулеров — эффективность (охлаждающая способность) — медленно, но верно теряет свою актуальность, а «вторичные» параметры — шум, эргономичность, техническое качество и т.д. — напротив, приобретают первостепенное значение. Естественно, отмеченная трансформация требует более аккуратного подхода к инспектированию систем охлаждения, с более четким выделением критически важных функциональных аспектов. И в этом ракурсе приоритетной характеристикой, то есть «отправной точкой» нашего исследовательского процесса, становится шум, производимый тестовыми объектами. А их сравнительный анализ предлагается выполнять в «функциональных доменах», которые ранжируются по величине шумовых показателей.

Соответственно, для целей тестирования вводится шесть функциональных доменов:

  1. Бесшумный. Рассматриваемая система охлаждения не является источником шума, то есть работает в пассивной конфигурации, без вентиляторов, насосов и т.п.
  2. Условно бесшумный. Уровень шума рассматриваемой системы охлаждения, определенный по установленной методике, составляет менее 24 дБА. Этот показатель ниже типового фонового шума в тихой комнате (вечернее, ночное время суток). Тем самым, кулер не вносит сколько-нибудь существенного вклада в шумовую картину даже тех ПК, которые оснащены «спецсредствами» — пассивными БП, шумоподавляющими контейнерами для жестких дисков, пассивными видеокулерами и т.д.
  3. Малошумный. Уровень шума рассматриваемой системы охлаждения лежит в пределах от 24 до 30 дБА включительно. То есть кулер не вносит существенного вклада в «акустику» ПК, построенных на базе тихих конфигураций с малошумными БП, малошумными видеокулерами, малошумными жесткими дисками, малошумными корпусными вентиляторами и т.д.
  4. Эргономичный. Уровень шума рассматриваемой системы охлаждения лежит в пределах от 31 до 36 дБА включительно. В этом случае кулер не вносит существенного вклада в «акустику» ПК, построенных на базе типовых пользовательских конфигураций среднего или топового класса, но может быть воспринят как «громкий» при функционировании в малошумных ПК.
  5. Условно эргономичный. Уровень шума рассматриваемой системы охлаждения лежит в пределах от 37 до 42 дБА включительно. То есть шум кулера по всей вероятности будет заметен в большинстве пользовательских конфигураций ПК, за исключением случаев применения неэргономичных компонентов (жестких дисков со скоростью вращения шпинделя 10000 RPM и выше, БП с высокооборотистыми вентиляторами, громкими видеокулерами и т.д.).
  6. Неэргономичный. Уровень шума рассматриваемой системы охлаждения составляет более 42 дБА. В этих условиях кулер будет являться основным «генератором» шума ПК практически любой конфигурации. Домашнее применение такого кулера неоправданно (резон в его использовании лимитируется производственными и офисными помещениями с фоновым шумом более 45 дБА).

Итак, в наших исследованиях в качестве основных фигурируют домены 2-5, при этом сравнение соответствующей термической результативности систем охлаждения производится в «контрольных точках», по наиболее характерным, очень близким шумовым показателям (разница не более 1 дБА). Для доменов 2-4 контрольные точки выбираются лежащими ближе к «нижней» границе, а для домена 5 — лежащими в «середине» или ближе к «верхней» границе установленного шумового отрезка. Сами же шумовые показатели определяются на основе методики, адаптированной из ГОСТ 12.1.026-80 и стандарта ИСО 3744.

Методическое обеспечение эксперимента (процедурные вопросы)

На протяжении последних пяти лет основой наших тестовых испытаний являлась компьютерная платформа Intel LGA775, в рамках которой были проведены исследования более сотни разнообразных кулеров — от малобюджетных до самых топовых моделей. Причем, это стало реальным именно благодаря унификации «тестовой модели», ведь единообразие эксперимента (без метаний от одной тестовой конфигурации к другой и т.д.) как раз и позволило создать емкую базу результатов для каждой конкретной системы охлаждения, с возможностью «ретроспективного» сравнительного анализа по показателям других интересующих моделей. Однако жизнь не стояла на месте — за эти годы сменилось не одно поколение процессоров LGA775, появились две очередные платформы (LGA1366 и LGA1156), а сегодня на горизонте уже вполне отчетливо проступают очертания их новых наследников (по крайней мере, в части планов развития LGA1155). Таким образом, совокупность условий для корректировки тестовых средств и методов постоянно нарастала и, как ни крути, приближалась к критической точке!

Причем вопрос модернизации тестовой методики поднимался не раз (и в 2008, и в 2009 году), тем не менее актуальность этого мероприятия тогда была невысокой — за вычетом LGA1336 (по сути, нишевых и малочисленных систем), «механика» платформ Intel оставалась прежней, соответственно, тепловые характеристики этих самых платформ были во многом похожими. И все бы хорошо, если бы не тенденция к многоядерности: два ядра еще можно было «стерпеть» (особенно в ситуации с традиционно толстым теплорассеивателем процессоров LGA775 и габаритами кристаллов, близкими к размерности тестового «камня» Pentium 4 550), но вот четыре (и в перспективе даже шесть ядер) — это уже слишком. Тепловая картина там, мягко говоря, немного иная.

Итак, с этим понятно: вопрос встал ребром — значит, тестовую платформу нужно менять! Но на что? И как? Нужно разобраться!

В принципе, с вопросом «на что?» ситуация была ясна сразу: приоритетным для нас всегда выступал (и выступает) массовый сегмент ПК. А этому условию, на момент проработки новой методики, соответствовала только одна «свежая» платформа — LGA1156. Что ж, решено — наш взор мы обращаем в сторону LGA1156!

В то же время путь к ответу на вопрос «как?» получился гораздо более тернистым, чем того можно было ожидать. «Ха! Вот трудность-то нашли! Не смешите!» — тут же могут возразить веселые и находчивые «знатоки». — «Все вам разжевывать надо! Ну, прям как маленькие! Выдумаете всякий бред! Стандартный совет вам: просто берете проц, садите его в сокет, инсталлируете кулерок, загружаете винду, запускаете какую-нибудь приблуду по типу RealTemp, запускаете Linpack — и смотрите темпу! Да не засмотритесь там!» Конечно, подобные рассуждения воодушевляют — признаться, и нам бы хотелось, чтобы все было так же легко и просто. Но, к сожалению, есть два нюанса, которые кардинальным образом осложняют термические исследования кулеров в современных компьютерных системах.

Нюанс первый — показания «цифровых сенсоров» (в терминологии Intel — DTS, Digital Thermal Sensors) на самом деле не отражают абсолютную температуру (как это было раньше с аналоговыми термодиодами в предшествующих поколениях процессоров). Это лишь «дистанция» (выражена отрицательными целыми числами) до порогового значения, по которому выставляется аппаратный сигнал PROCHOT# и задействуются механизмы снижения тепловыделения процессора. Причем, значение этого порога (оно содержится в регистре IA32_TEMPERATURE_TARGET и имеет размерность «градусов») вовсе не обязано соответствовать реальной температуре — скажем, для какой-то конкретной серии процессоров цифровые сенсоры могут быть откалиброваны на порог 88-90°C (вместо формальных 95°C в регистре) или же, наоборот, 100-102 реальных градуса. То есть, когда программа показывает какие-то «градусы» («прибавляя» показания DTS к пороговому значению), то эти показания уже автоматически могут содержать ошибку до 7-8% в ту или иную сторону от реальной температуры.

«Да ладно! Ерунда! Кому нужны эти абсолютные температуры?!» — могут опять возразить «знатоки» — «Для тестов кулеров вполне хватает знать разницу между температурами, чтобы понять, кто на что горазд! А это цифровые сенсоры показывают!» Аргумент, конечно, интересный. И он был бы интересен вдвойне, если бы не второй нюанс — DTS не только «сдвинуты» относительно реальных температур, а что гораздо важнее и критичнее для нас — механизмы аналого-цифрового преобразования настроены в них таким образом, что результирующие показания фактически получаются «нелинейными» (или правильнее сказать — непропорциональными по отношению к реальным температурам)!

Характеристика преобразования в DTS проиллюстрирована Графиком 1. Как видим, в идеале соотношение реальной температуры и показаний DTS описывалось бы функцией y=x (что, надо отметить, вполне реализуемо технически, с небольшой погрешностью). Однако на деле имеет место быть соотношение y=f(x), где f(x) — функция преобразования, которая настроена таким образом, чтобы отвечать целям и задачам эффективного термоконтроля кулеров (и не менее эффективной термозащиты процессора), но никак не температурного мониторинга (в технически корректном его выражении)!

График 1. Сравнение идеализированной и преобразованной температурных характеристик

Механизм настройки прост: низкие температуры занижаются, высокие — завышаются. Для чего? А для того, чтобы боксовые кулеры (и другие типовые системы охлаждения) были тихими при комфортных температурах. И для того, чтобы процессор не вышел из строя, если его рабочая температура превысила допустимые значения. Гарантировать это — то есть тихую работу кулера и термозащиту процессора, — можно, если заложить довольно большие инженерные допуски: только тогда кулер не будет завывать от каждого лишнего градуса, а процессор — сбрасывать частоту и множитель от каждого программного «чиха». Что, собственно говоря, и сделали спецы Intel, облегчив жизнь пользователя — температурная характеристика DTS снизу и сверху имеет широкие рабочие участки (по 5-10 «псевдоградусов» — это при реальном изменении температуры процессора только на 2-3°C!), которые не допускают ложных срабатываний термозащиты и термоконтроля. Вот уж действительно, кому нужны эти абсолютные температуры?! ;)

Таким образом, мы четко осознали: DTS, при всей кажущейся привлекательность многоядерного температурного «мониторинга», — это далеко не панацея! Их создавали совсем для других задач! Соответственно, в нашей тестовой практике они почти что бесполезны (ну, если только использовать их в особых случаях, для сравнения/сопоставления с другими, уже техническими вполне корректными и надежными показателями температуры).

Что же тогда делать? Конечно же, следовать рекомендациям известного политика и революционера двадцатого века В.И. Ульянова-Ленина — идти другим путем! Благо, такой путь есть — и дорога эта проторенная, без ухабов и выбоин! Та же самая компания Intel в процессе валидации кулеров нисколько не стесняется использовать «дедовские методы» — проводить съем температурных показаний не во «внутренностях» эмулятора процессора TTV (термодиодом и т.п.), а снаружи, на «крышке» — с помощью незатейливого комплекса термопары и цифрового термометра. Почему бы и нам не применить схожую методику?

Сказано — сделано! Так как нашей задачей является сравнительное тестирование кулеров (а не проверка соответствия их характеристик нормативным требованиям, для чего собственно и предназначен эмулятор TTV), мы взяли «живой» процессор Xeon X3450 (любезно предоставленный на опыты самой компанией Intel) и произвели вивисекцию над его теплорассеивателем — был сделан небольшой распил шириной 1 мм и глубиной 0,5 мм, спай термопары в центре распила был зафиксирован капелькой сплава Розе, а проводка термопары и оставшаяся «половинка» распила были «залатаны» термостойким эпоксидным клеем. В итоге мы получили процессор с независимым термодатчиком, который выполняет «интегральную» оценку температуры на поверхности корпуса — то есть воспользовались старым добрым экспериментальным методом, применяемым в радиоэлектронных НИОКР еще с незапамятных времен.

Оставались только две мелочи — доукомплектовать платформу (ее базисом выступила материнская плата Intel DP55KG) и оценить величину тепловой мощности, выделяемой через «крышку» процессора. К сожалению, вариант прямых измерений здесь был недоступен (у новых поколений Core i5/i7 это сопряжено с очень большими трудностями), поэтому пришлось пойти на инженерный компромисс — привлечь в дело «старушку» LGA775, провести замеры искомой тепловой мощности именно на ней, и далее, по результирующим термическим сопротивлениям двух референсных кулеров (Cooler Master Hyper 101 — бюджетный класс, Xigmatek HDT-D1284 — средний класс, в теплосъемниках которых высверливалось отверстие под термопару, для измерений температуры «крышки» процессора Pentium 4 550), оценить мощность на новой тестовой платформе LGA1156.

Итак, с помощью серии дополнительных измерений на платформе LGA775 и оценочных процедур (которые включали упрощенный расчет по модели «разложения» процессора на внутренние термические сопротивления), были определены три тестовых режима для нашей системы LGA1156.

В качестве величин мощности здесь фигурируют «нижние» границы полученных доверительных интервалов — другими словами, мы немного «перезакладываемся» в тепловой мощности, намеренно ее уменьшая, и, соответственно, слегка увеличивая конечный результат — термические сопротивления кулеров. Такой подход вполне объясним — в нашем деле все-таки лучше немного переоценить термическое сопротивление, чем недооценить его.

Режим нормативной тепловой нагрузки. В этом режиме рабочая частота процессора фиксируется на отметке 3,18 ГГц (базовая частота 187 Мгц), напряжение VCC выставляется на уровне 1,2 В, напряжение VTT — на уровне 1,12 В. Оценочная величина тепловой мощности, выделяемой через «крышку» процессора, составляет 100 Вт. При этом величина полной мощности (выделяемой всем процессорным корпусом, включая теплоотдачу на массиве контактов сокета), которую можно рассматривать эквивалентом мощности TDP (Thermal Design Power, указывается в спецификациях на процессоры), составляет порядка 110 Вт.

Режим повышенной тепловой нагрузки. В этом режиме рабочая частота процессора фиксируется на отметке 3,56 ГГц (базовая частота 187 МГц), напряжение VCC выставляется на уровне 1,325 В, напряжение VTT — на уровне 1,2 В. Оценочная величина тепловой мощности, выделяемой через «крышку» процессора, составляет 150 Вт. Полная мощность составляет порядка 165 Вт.

Режим высокой тепловой нагрузки. В этом режиме рабочая частота процессора фиксируется на отметке 3,81 ГГц (базовая частота 190 МГц), напряжение VCC выставляется на уровне 1,4125 В, напряжение VTT — на уровне 1,2 В. Оценочная величина тепловой мощности, выделяемой через «крышку» процессора, составляет 185 Вт. Полная мощность составляет порядка 210 Вт.

Соответственно, режим нормативной тепловой нагрузки был установлен для испытаний кулеров малобюджетного класса, режим повышенной тепловой нагрузки — для испытаний кулеров среднего класса, режим высокой тепловой нагрузки — для тестов систем охлаждения премиум-класса. таким образом, требуемую величину тепловой нагрузки в нашем эксперименте определи параметры оверклокинга с учетом характеристик предпочтительных кулеров (бюджетного, среднего и высшего класса), а главным приоритетом выступило стабильное и надежное функционирования тестового процессора в этих режимах.

Замечание 1. Для исследования особых продуктов (системы водяного охлаждения высшего класса и испарительные системы) также допускается проведение тестовых испытаний в режиме предельной тепловой нагрузки (оценочная величина тепловой мощности 215 Вт).

Замечание 2. Предвосхищая вопросы читателей, констатируем — выбор в пользу платформы Intel был сделан из чисто практических соображений, как в части возможности переноса некоторых «старых» методических наработок c платформы LGA775 в обновленную тестовую конфигурацию, так и в плане более широкого охвата существующего парка ПК (где по-прежнему доминируют именно системы Intel). Также следует отметить, что результаты сравнительного анализа кулеров, полученные в рамках нашей обновленной методики, могут быть распространены и на системы AMD Socket AM2/AM3 — за вычетом некоторых незначительных нюансов, определяемые величины термического сопротивления «процессорная крышка-среда» (θсa) для испытуемых систем охлаждения тождественны и на платформах Intel, и на платформах AMD. Поэтому, повторение тестов на специализированной платформе AMD (то есть, по сути, их дублирование) не имеет никакого практического смысла.

Методическое обеспечение эксперимента (тестовый стенд)

Что ж, после всех предварительных изысканий и методических проработок, базис нашей новой тестовой платформы получается следующим:

  • Материнская плата Intel DP55KG
  • Процессор Intel Xeon X3450
  • ОС Microsoft Windows 7

В работе также задействуется дополнительное измерительное оборудование:

  • Цифровой термометр Актаком АТТ-2002 с откалиброванной термопарой K-типа («интегрирована» в крышку процессора) — используется для температурных замеров на процессоре
  • Мультиметр Victor VC86C с откалиброванной термопарой К-типа — используется для измерения температуры окружающей среды, а также контроля некоторых электрических параметров системы

В отличие от предшествующей методики, положения которой требовали проведение тестовых испытаний в специализированном полузакрытом боксе с полностью контролируемой внутренней средой, обновленные процедуры предусматривают существенное смягчение тестовой «обстановки» — теперь все замеры производятся на «открытом» стенде (система монтируется на простой панели MB-tray, где присутствует дополнительное посадочное место для «корпусных» вентиляторов).

Отметим, что тестовый стенд устанавливается вертикально — сделано это для того, чтобы он отражал работу кулера в поле силы тяжести так, как это имеет место быть в большинстве пользовательских систем (смонтированных в «башенных» корпусах формата mid-tower или big-tower). Однако в отдельных случаях может быть специально оговорено использование горизонтальной диспозиции стенда — если тестовыми объектами выступают, например, компактные кулеры для HTPC.

Предшествующий опыт показал — строгий контроль внутренней среды тестового бокса для наших целей во многом является избыточным, и незначительные отклонения от референсной температуры 25°C (в пределах ±1-3°C) не оказывают какого-то существенного влияния на тепловые характеристики испытуемых кулеров. То есть, если результирующие показатели сняты при температуре среды, скажем, 23°C или 28°C, то они могут быть достоверно отнормированы на температуру 25°C (прибавкой 2°C или вычетом 3°C, соответственно).

Именно такой подход и применяется в новой методике — общий контроль температуры в помещении по-прежнему сохраняется, однако допускаются вариации температуры в среде «около кулера» (до ±3°C), и если эти вариации имеют место, тогда итоговые результаты температурных замеров на «крышке» процессора нормируются по референсному показателю окружающей температуры (25°C).

Сам процесс тестирования организован следующим образом: испытуемая система охлаждения (СО) дополняется «эталонным» термоинтерефейсом Noctua NT-H1, устанавливается на тепловой источник (процессор) согласно инструкции производителя СО, и подвергается нагреву в три захода длительностью 30 минут (нагрев осуществляется с помощью утилиты S&M). Температурные показатели процессора и окружающей среды снимаются, соответственно, цифровым термометром АТТ-2002 и мультиметром VC86C, далее выгружаются на вспомогательный ПК и проходят статистическую обработку. Полученные данные используются для итогового расчета термических сопротивлений СО и представления температурных показателей в иллюстративных диаграммах.

Обработка и интерпретация результатов

Результирующие термические сопротивления находятся из соотношения:

θсa = (Tc — Ta)/Ph,

где Tc — отнормированная температура поверхности теплорассеивателя процессора, Ta — температура окружающей среды (составляет 25°C), Ph — тепловая мощность процессора (этот параметр может иметь три значения: 100, 150 и 185 Вт).

Также рассчитывается дополнительный интегральный показатель «соотношение эффективность-шум» (СЭШ):

СЭШ = РМ*(ОПтэ/ТС)/(УШ/ОПшэ),

где ОПтэ — тепловой опорный показатель («эталонное» термическое сопротивление θja системы охлаждения — 0,15°C/Вт), ТС — термическое сопротивление рассматриваемой системы охлаждения, ОПшэ — шумовой опорный показатель («эталонный» уровень шума 20 дБА), УШ — уровень шума, производимого системой охлаждения, РМ — размерный множитель (равен 10).

Показатель «соотношение эффективность-шум» используется для сравнительной оценки функциональных качеств системы охлаждения: чем больше величина соотношения, тем выше охлаждающая способность исследуемой системы охлаждения для режимов с минимальным производимым шумом.

Вот, собственно, и все основные пункты нашей обновленной методики. Конечно, этот подход не претендует считаться истиной в последней инстанции. Тем не менее, он позволяет провести четкое и прозрачное сравнение систем охлаждения, с опорой на идентичные шумовые показатели в различных «акустических» режимах. Очень надеемся, что модернизированный формат тестовых испытаний станет для вас, дорогие читатели, хорошим подспорьем в изучении самых разнообразных кулеров и поможет сделать достойный выбор, соответствующий вашим вкусам и требованиям. Ну, а конструктивная критика, как всегда, только приветствуется! :)




Дополнительно

Нашли ошибку на сайте? Выделите текст и нажмите Shift+Enter

Код для блога бета

Выделите HTML-код в поле, скопируйте его в буфер и вставьте в свой блог.