Ликбез по системам охлаждения. Занятие третье: комплексный подход к охлаждению компьютерных систем


Проблема эффективного охлаждения высокопроизводительных компьютерных систем давно уже стала притчей во языцех и добавила забот не только специалистам или любителям-энтузиастам, но и самым что ни наесть «рядовым» пользователям. Сложную ситуацию значительно усугубляет еще и тот факт, что многие сборщики средней руки или даже крупные производители системных блоков зачастую совершенно «забывают» (вероятно, в угоду повышению нормы прибыли) о необходимости комплексного и достойного охлаждения всей компьютерной системы в целом: большая часть выпускаемых компьютеров комплектуется в откровенно тесных и «жарких» корпусах, лишенных на деле сколько-нибудь эффективных средств внутренней вентиляции. Для маломощных «бюджетных» систем это не так уж и критично, но вот возможность гарантированно правильного и надежного функционирования высокопроизводительной компьютерной «начинки» в подобных условиях вызывают очень большие сомнения.

На нашем прошлом занятии мы подробно разобрали основные нюансы функционирования вентиляторов, рассмотрели их важнейшие технические параметры. Сегодня мы вновь обратимся к этим устройствам, научимся практическому применению характеристических кривых (расходных характеристик) вентиляторов и посмотрим, как объективно оценить эффективность средств охлаждения компьютерных корпусов.

Исходные предпосылки

По большому счету, в обязанности компьютерного корпуса входит не только обеспечение удобной компоновки внутренних устройств совместно с удовлетворением эстетических потребностей пользователей, но и эффективный отвод тепловой мощности, выделяемой этими самыми внутренними устройствами, а также корпусным БП. Практически каждый компонент компьютерной системы весьма «капризен» в тепловом отношении и требует вполне определенных климатических условий. Наиболее жесткие требования предъявляют современные процессоры от Intel и AMD: для их комфортного функционирования внутрикорпусная температура (точнее, температура воздуха на «входе» вентилятора процессорного кулера) не должна превышать 35-40°C. Другие составляющие системы (материнская плата, видеокарта, жесткие диски, приводы DVD-ROM/CD-RW и т.д.) менее придирчивы, но, тем не менее, все они находятся вместе с процессором «в одном трюме», поэтому с удовольствием поддерживают «капризы» последнего.

Задача поддержания оптимальной внутрикорпусной температуры в последние годы все больше и больше затрудняется: общая тепловая «емкость» компьютеров неуклонно растет (тепловыделение навороченных систем на базе Athlon XP или Pentium 4 может достигать сейчас 250-300 Вт), а серьезных подвижек в плане тепловой оптимизации типических конфигураций корпусов форм-фактора ATX практически не наблюдается. Некоторые продвинутые пользователи берут инициативу в свои руки, ступая на тернистый путь доработки и оптимизации систем охлаждения корпусов методом проб и ошибок, который, как водится, далеко не всегда дает желаемый результат. Между тем, существует гораздо более простая и надежная методика, позволяющая объективно оценить эффективность той или иной корпусной системы охлаждения, и при необходимости — доработать (доукомплектовать) эту систему оптимальным образом или же окончательно укрепиться в решении приобрести новый, более качественный корпус.

Отправным пунктом этой методики является простое полуэмпирическое соотношение

Q = 1,76*P/(Ti — To), где(1)

P — полная тепловая мощность компьютерной системы,
Ti — температура внутри системного корпуса,
Тo — температура «на входе» корпуса (температура в помещении),
Q — производительность (расход) корпусной системы охлаждения.

Данное соотношение однозначно показывает, какой производительностью должна обладать корпусная система охлаждения для отвода требуемой тепловой мощности при заданной разности температур внутри и вне корпуса. Следует отметить, что здесь учитывается только конвективный теплообмен (т.е. перенос тепла воздушным потоком). Другие виды теплообмена — теплообмен теплопроводностью (передача тепла через непосредственный контакт внутренних устройств и стенок корпуса) и лучистый теплообмен (перенос тепла излучением) во внимание не принимаются. Однако вклад этих двух механизмов теплообмена весьма мал (не превышает 2-5% общего тепловыделения), поэтому под P мы смело можем подразумевать именно полную тепловую мощность системы.

Что ж, давайте возьмем «среднестатистическую» конфигурацию высокопроизводительного компьютера, распишем значения тепловой мощности, выделяемой его компонентами, и сведем их в Таблицу 1.

Таблица 1. Детализированная тепловая мощность компьютерных компонентов

Наименование компонента Тепловая мощность, Вт
Процессор AMD Athlon XP 2000+ (Intel Pentium 4 2 GHz) 65
Материнская плата на базе VIA KT333 (Intel i845E) 25
Модуль памяти DDR DRAM, 512 Мб 10
Видеокарта Nvidia GeForce 4 20
Жесткие диски IDE 40-60 Гб, 7200 об/мин, 2 шт. 15
Привод DVD-ROM 5
Привод CD-RW 5
Мультимедийная карта/звуковая карта 5.1 channel 5
Суммарная мощность компонентов 150
Тепловая мощность стандартного БП с пассивной схемой PFC (КПД 0,75) 50
Общий итог 200

Итак, задаем температуру на «входе» корпуса равной 25°C, желаемую внутрикорпусную температуру равной 35°, и, сделав несложный расчет, получаем искомое значение производительности корпусной системы охлаждения, приблизительно равное 35 CFM. Если мы будем комплектовать нашу систему в стандартном «безвентиляторном» корпусе, то максимум, на что можем рассчитывать, это 25-30 CFM номинальной производительности внутреннего вентилятора БП, что уже, вообще говоря, недостаточно для обеспечения комфортного климата компьютерным компонентам. Между тем, как выяснилось на прошлом занятии, реальная производительность вентилятора в конкретных эксплуатационных условиях будет ощутимо ниже номинальной. В конечном итоге мы можем столкнуться с невозможностью поддержания в таком корпусе не то что комфортной, но даже термально безопасной температуры внутренней среды.

Системный импеданс

Для количественного описания резистивного действия, которое оказывает воздушному потоку компьютерная система и ее компоненты, служит так называемый системный импеданс. В аналитическом виде эта аэродинамическая характеристика выражается соотношением

P = K*Qn, где(2)

K — системная константа,
Q — производительность вентилятора,
n — турбулентный фактор (1 <= n <=2, n = 1 при ламинарном режиме течения потока, n = 2 при турбулентном течении потока),
P — системный импеданс.

Системный импеданс имеет размерность статического давления (выражается в миллиметрах или дюймах водяного столба) и однозначно показывает, каким будет давление воздушного потока заданной объемной скорости в данной системе (корпусе). Точно определить вид кривой импеданса конкретного корпуса возможно только в лабораторных условиях, с помощью экспериментально найденных системной константы и турбулентного фактора. Однако в большинстве случаев это соотношение можно упростить вплоть до линейной зависимости

P = k*Q,(3)

где размерная константа k выбирается из справочных материалов (в дальнейшем мы увидим несколько значений этой константы для типических конфигураций корпусов ATX).

Конечно, системный импеданс имеет не только познавательное, но и чисто практическое значение: построив кривую импеданса на основе экспериментальных (или справочных) данных и совместив ее с характеристической кривой вентилятора, можно вполне достоверно определить реальную производительность этого вентилятора в данной конкретной системе.

В качестве примера давайте возьмем популярный корпус IN-WIN IW-S508 (без дополнительных вентиляторов), оборудуем в нем вышеуказанную «навороченную» конфигурацию на базе Athlon XP и установим блок питания CWT-420ATX12, снабженный нестандартно мощным вентилятором ADDA AD0812HB-A70GL со скоростью вращения крыльчатки 3100 об/мин. Импеданс такой системы можно представить соотношением P = 0,085*Q. Построив результирующую кривую системного импеданса и совместив ее с кривой расходной характеристики вентилятора, мы получим так называемую рабочую точку вентилятора, то есть величину его реальной производительности в этих условиях.


Рис.1 Системный импеданс, характеристические кривые и рабочие точки вентиляторов

На рисунке 1 кривая I соответствует импедансу нашей системы, кривая H — расходной характеристике вентилятора, а точка пересечения этих кривых (точка А) — рабочей точке вентилятора. Как видим, даже в случае установки в БП довольно мощного вентилятора, его реальная производительность очень далека от требуемых нашими выкладками 35 CFM (составляет всего около 18 CFM). Если же учесть тот факт, что в типичных БП мощностью 250-300 Вт стоят обычно относительно «тихоходные» вентиляторы со скоростью вращения 2000-2500 об/мин и заявленной производительностью 25-30 CFM (их расходные характеристики примерно соответствуют кривым L и М), то скорость потока в подобных системах (точки B и C) будет еще меньше — порядка 10-14 CFM. В результате внутрикорпусная температура может запросто достигнуть опасного предела 55°C, что является крайне неблагоприятным климатическим условием не только для процессора, но и других компонентов системы (в особенности жестких дисков и видеокарт). Надеяться на правильную и надежную работоспособность высокопроизводительного компьютера в такой «духовке», мягко говоря, наивно!

Таким образом, типичный «безвентиляторный» корпус никак не может претендовать на роль комфортного «жилища» для высокопроизводительных компьютерных систем. Пределом мечтаний подобных корпусов является тепловая мощность 100-115 Вт, что, как правило, соответствует тепловыделению «бюджетных» или «супер-интегрированных» систем, ориентированных на офисные задачи. Для систем с тепловыделением более 115 Вт «безвентиляторные» корпуса малопригодны и даже опасны.

Важное замечание. Выше речь шла исключительно о корпусах с горизонтальным расположением БП (top rear mounted power supply case, TRMPS case). Модели корпусов с вертикальным расположением БП (core logic mounted power supply case, CLMPS case) обычно обладают более высоким системным импедансом, чем у корпусов TRMPS. Соответственно, реальная производительность вентиляторов в корпусах CLMPS будет ниже. Максимальная тепловая мощность, с которой эффективно справляются такие корпуса, лежит в пределах 75-100 Вт. Будьте внимательны!

Ну, и куда же бедному крестьянину (суть владельцу или потенциальному покупателю навороченного компьютера) податься, как обеспечить должные климатические условия компьютерным «внутренностям»? Выход в этой ситуации только один — комплектовать систему в корпусе, оборудованном дополнительными средствами охлаждения.

Корпусные вентиляторы

Достаточно широкая номенклатура компьютерных корпусов, представленных на российском рынке, характеризуется наличием специализированных посадочных мест под вентиляторы в передней/задней стенке корпуса. Как мы выяснили, реальной производительности одного стандартного вентилятора в блоке питания хватает для мало-мальски эффективного отвода тепловой мощности, не превышающей 115 Вт. Но если наша система оказывается «погорячее», то без привлечения дополнительных средств охлаждения здесь уже не обойтись. Очевидно, на роль этих самых средств претендуют как раз те вентиляторы, под которые собственно и «заточены» вышеупомянутые посадочные места, любезно «предоставленные» производителями корпусов.

Смогут ли эти вентиляторы стать эффективным охлаждающим комплексом и обеспечить приемлемые климатические условия компьютерным компонентам? Давайте посмотрим! Для этого мы вновь обратимся к корпусу IW-S508 и системе на базе Athlon XP, но теперь установим один дополнительный вентилятор (опять тот же ADDA AD0812HB-A70GL) в соответствующее посадочное место в задней стенке нашего корпуса. Результат этих манипуляций представлен на рисунке 2.


Рис.2. Характеристические кривые различных вариантов корпусной системы охлаждения

Что привносит собой дополнительный «заднеприводной» вентилятор? Во-первых, за счет перераспределения воздушных потоков внутри корпуса ощутимо уменьшается общий импеданс системы, его можно описать приближенным соотношением P = 0.054*Q (кривая I на рис.2). А во-вторых, значительно возрастает усредненная объемная скорость воздушного потока (кривая RF — суммарная производительность вентилятора БП и дополнительного корпусного вентилятора). В конечном итоге, реальная производительность корпусной системы охлаждения подтягивается до уровня 33-34 CFM (точка А), что почти соответствует требуемым 35 CFM и уже вполне достаточно для поддержания комфортной внутрикорпусной температуры.

Посмотрим теперь, что произойдет, если добавить в систему еще один вентилятор, усадив его на приличествующее место в передней стенке корпуса. Ориентируясь на бодрую (и вполне справедливую) рекламную фразу: «Два ореха лучше, чем один», можно предположить, что этот «переднеприводной» вентилятор будет очень полезен в деле повышения эффективности корпусной системы охлаждения. Но, к сожалению, на практике особых положительных сдвигов не наблюдается. Импеданс системы остается практически без изменений (даже немного возрастает), а общая производительность охлаждающего комплекса, состоящего уже из трех вентиляторов (один в БП плюс два в корпусе), увеличивается всего на 4-5 CFM (рис.2, кривая RFF и точка B, кривая импеданса оставлена без изменений).

Таким образом, анализируя поведение нашей подопытной системы, можно заключить: дополнительный «заднеприводной» вентилятор с номинальной производительностью 39 CFM и скоростью вращения крыльчатки 3000 об/мин является необходимым и достаточным условием для эффективного отвода 200 Вт тепла и поддержания комфортной внутрикорпусной температуры в пределах 35°C. Еще один дополнительный, уже «переднеприводной» вентилятор (с такими же характеристиками, что и «заднеприводной») позволяет увеличить общую производительность охлаждающего комплекса, но реальный положительный эффект получается незначительным и по сути даже избыточным.

Однако если вспомнить, что блоки питания «среднестатистических» корпусов оснащены, как правило, весьма слабыми вентиляторами, то реальная производительность корпусного охлаждающего комплекса в этих условиях будет ниже. Так, тот же самый корпус IW-S508 с дополнительным «заднеприводным» вентилятором номинальной производительностью 39 CFM, но оснащенный «среднестатистическим» БП 250-300 Вт (типа Jou Jye Electronic AP-3-1 или PowerMan FSP300-60BT/60BTV) демонстрирует объемную скорость внутренних воздушных потоков не выше 28-30 CFM. Поэтому, чтобы обеспечить эффективный теплоотвод 175-200 Вт из такой системы, обязательным условием является наличие уже не только «заднеприводного», но и «переднеприводного» вентилятора с номинальной производительностью порядка 39-41 CFM.

Как видим, два дополнительных корпусных вентилятора (при должном подборе их рабочих характеристик) на деле неплохо справляются с охлаждением современных высокопроизводительных компьютерных систем и способны обеспечить комфортную температуру внутрикорпусной среды при общем тепловыделении компьютера в пределах 200-225 Вт. Между тем, нельзя упускать из внимания тот факт, что хорошая расходная характеристика (производительность) вентилятора всегда сопряжена с не менее «хорошим» уровнем шума, и каждый «лишний» CFM может дорого стоить в акустическом плане (многим пользователям порой легче смириться с излишней «горячностью» компьютера, чем страдать от назойливого вентиляторного шума).

Памятуя об этом, приводим в качестве руководства к действию по выбору оптимальных вентиляторов типичные значения размерной константы k для нескольких вариантов конструктивного исполнения корпусов форм-фактора ATX, полученные опытным путем (данные представлены в таблице 2).

Таблица 2. Ориентировочные значения размерной константы k в соотношении (3) для корпусов TRMPS-типа с дополнительным «заднеприводным» вентилятором

Тип системы Константа k, mmH2O/CFM
Общий объем корпуса менее 40 л, стандартный БП МСЗ1 0,07
ССЗ2 0,08
ВСЗ3 0,11
Общий объем корпуса 45 л, стандартный БП МСЗ 0,05
ССЗ 0,06
ВСЗ 0,08
Общий объем корпуса 50 л, стандартный БП МСЗ 0,04
ССЗ 0,05
ВСЗ 0,07
Общий объем корпуса более 55 л, стандартный БП МСЗ 0,04
ССЗ 0,04
ВСЗ 0,05

1МСЗ — малая степень заполнения корпуса (заняты слот AGP, 1 слот PCI, 1 отсек для устройств 5.25», 2 отсека для устройств 3.5»).
2ССЗ — средняя степень заполнения корпуса (заняты слот AGP, 2-3 слота PCI или других шин, 2-3 отсека для устройств 5.25», 2 отсека для устройств 3.5»).
3ВСЗ — высокая степень заполнения корпуса (заняты слот AGP, не менее 4-5 слотов PCI или других шин, 3-4 отсека для устройств 5.25», все доступные отсеки для устройств 3.5»).

Что ж, на основании данных таблицы 2 не составит большого труда построить кривую системного импеданса типических корпусов. Для этого нужно просто выбрать «опорный» корпус, наиболее близкий к вашему по объему и внутренней конфигурации, и подставить соответствующее значение константы k в соотношение (3). Значение этой константы можно варьировать в пределах ±5%, если литраж вашего корпуса немного больше или немного меньше опорных показателей.

Осталось разобраться с характеристическими кривыми вентиляторов. К сожалению, далеко не всегда удается раздобыть расходную характеристику для какой-то конкретной модели вентилятора (в отношении разного рода «безымянных» вентиляторов это будет совершенно безнадежным делом). Между тем, выход из положения все-таки есть, и он довольно прост! На практике для довольно широкого класса вентиляторов типоразмера 80х80х25 мм со скоростью вращения крыльчатки 1500-3000 об/мин реальную зависимость статического давления потока от его объемной скорости (суть искомую расходную характеристику) можно аппроксимировать незатейливым полуэмпирическим соотношением

P = Pmax — m*Q, где(4)

Pmax — максимальное (номинальное) статическое давление вентилятора,
Q — расход (производительность) вентилятора,
m — размерный множитель, m = 0,12 (mmH2O/CFM),
P — статическое давление.

Чтобы построить эту прямую, достаточно знать только номинальную производительность вентилятора (Qmax). Одна краевая точка искомой прямой становится известной автоматически — это, как вы правильно догадываетесь, точка (0, Qmax). Ну а процедура определения другой краевой точки, (Pmax, 0), полагаю, особых объяснений не требует.

Когда в корпусе установлен один дополнительный «заднеприводной» вентилятор, расходную характеристику охлаждающего комплекса (вентилятор плюс корпусной вентилятор) можно представить соотношением

P1f = Prf, max — m1f*(Qps + 0,45*Qrf), где(5)

Prf, max — максимальное статическое давление «заднеприводного» вентилятора,
m1f — размерный множитель,
Qps — расход вентилятора БП,
Qrf — расход «заднеприводного» вентилятора,
P1f — статическое давление охлаждающего комплекса.

Результирующая прямая, задаваемая соотношением (5), строится также элементарно, как и в случае соотношения (4): для этого достаточно отметить краевые точки (Pmax, rf, 0) и (0, Q1f,max = Qps, max + 0,45*Qrf, max).

Наконец, если в корпусе, дополнительно к «заднеприводному», установлен еще и один «переднеприводной» вентилятор, расходную характеристику такой системы охлаждения можно представить соотношением

P2f = Prf, max + 0,10*Pff, max — m2f*(Qps + 0,45*Qrf + 0,16*Qff), где(6)

Prf, max — максимальное статическое давление «заднеприводного» вентилятора,
Pff, max — максимальное статическое давление «переднеприводного» вентилятора,
m2f — размерный множитель,
Qps — расход вентилятора БП,
Qrf — расход «заднеприводного» вентилятора,
Qff — расход «переднеприводного» вентилятора,
P2f — статическое давление охлаждающего комплекса.

Краевые точки прямой, задаваемой соотношением (6), определяются по такому же несложному принципу, как и в случае соотношения (5).

Итак, препятствий на пути к заветной цели больше нет. Теперь, построив прямые системного импеданса и расходной характеристики корпусного охлаждающего комплекса, по точке их пересечения (найдя ее графическим способом или просто решив систему уравнений) мы сможем определить реальную производительность этого комплекса и соотнести ее с нашими требованиями к комфортной внутрикорпусной температуре. А дальше, как говорится, дело техники!

Что ж, на сегодня, пожалуй, уже хватит. На нашем следующем занятии мы обратимся к термопастам (а также прочим теплопроводным интерфейсным материалам), разберемся с их физико-химическими свойствами и эксплуатационными качествами. Спасибо за внимание и до встречи!




Дополнительно

iXBT BRAND 2016

«iXBT Brand 2016» — Выбор читателей в номинации «Процессоры (CPU)»:
Подробнее с условиями участия в розыгрыше можно ознакомиться здесь. Текущие результаты опроса доступны тут.

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.