Методика тестирования процессорных охладителей образца 2020 года

Предисловие

Первым и очевидным этапом тестирования кулеров является измерение температуры процессора во время его максимальной загрузки. В случае пассивных кулеров этим можно было бы и ограничиться. Однако кулеры с активными охлаждающими элементами — вентилятор(ы) у воздушных кулеров плюс помпа у систем жидкостного охлаждения — шумят. Поэтому на втором этапе мы измеряем уровень шума при работе кулера в различных режимах. Соответственно, в этих же режимах измеряется и температура нагруженного процессора, а также его реальное потребление. Чтобы полученные результаты можно было переносить на другие условия, а именно на различные сочетания температуры окружающего воздуха и максимально допустимой температуры процессора, мы рассчитываем полное термическое сопротивление системы процессор—кулер. Это позволяет определить максимально допустимую мощность, потребляемую процессором, для данного уровня шума. Для примера в статье мы приводим такую зависимость для условий нагретого до 44 °C воздуха и 80 °C максимальной температуры процессора. Кроме того, в статье приведена ссылка на страницу с интерактивными графиками, где читатель может ввести свои значения для данных параметров и увидеть полученные значения максимальной мощности, а также сравнить выбранный кулер с другими, протестированными в аналогичных условиях. К сожалению, результаты зависят от типа используемого в тестах процессора и (в меньшей степени) даже от конкретного экземпляра процессора, поэтому полной переносимости результатов мы не получаем, но хотя бы можно сравнивать кулеры между собой, если они протестированы с использованием одного и того же процессора.

Условия и инструменты тестирования

Исследуемая модель кулера (вернее, его вентилятор(ы)) подключается к внешнему ШИМ-контроллеру и управляемому блоку питания. Применяемый ШИМ-контроллер позволяет задавать коэффициент заполнения (КЗ) в пределах от 0 до 100% с частотой 25 кГц и амплитудой 5 В. Напряжение питания регулируется в диапазоне от 0 до 15 В (в тестах — только до 12 В). Одновременно регистрируются реальное напряжение (отличается от задаваемого не более чем на 0,1 В), ток, потребляемый вентилятором, скорость вращения вентилятора (снимаются показания встроенного в вентилятор датчика) и температура воздуха (выносной датчик). Для указанных параметров оператору демонстрируются текущее значение, минимальное, максимальное и среднее за период текущего цикла регистрации. По команде эти данные сохраняются в файл или копируются в буфер обмена.

В тестах кулеров преимущественно используется управление с помощью ШИМ, если ШИМ не поддерживается, то изменяется напряжение питания вентилятора. Иногда в качестве дополнительного теста используется комбинированный способ управления, как с помощью ШИМ, так и напряжением, который в некоторых случаях позволяет еще больше снизить скорость вращения вентилятора.

В случае систем жидкостного охлаждения тестирование под нагрузкой, как правило, проводится при максимальных оборотах помпы (питание 12 В, КЗ = 100%, или максимальные обороты задаются в управляющем ПО). Если в этих условиях шум только от помпы превышает 25 дБА, то тестирование, основное или дополнительное, проводится на более низких оборотах помпы, на которых уровень шума существенно ниже 25 дБА, чтобы общий шум от системы в режимах с низкой скоростью вращения вентиляторов был не выше 25 дБА. В некоторых случаях проводятся замеры шума только от помпы для нескольких значений скорости вращения помпы.

Материнская плата ASRock X99 Taichi:

Увы, отказаться от использования процессора как основного «нагревательного» элемента нельзя в силу того, что реализовать управляемую модель процессора с изменяемыми параметрами достаточно сложно, особенно с учетом разнообразия типов процессорных разъемов и видов креплений для установки кулера, а также особенностей компоновки кристаллов процессора и их площади. Поэтому первоначально для тестирования процессорных охладителей, поддерживающих установку на процессоры Intel с разъемом LGA2011, мы использовали стенд, состоящий из системной платы ASRock X99 Taichi и процессора Intel Core i7-6900K. У процессора отключен режим Turbo Boost, и для всех ядер выставлен множитель 35, то есть все ядра работают на фиксированной частоте 3,5 ГГц.

Тестирование процессора Core i9-7980XE Extreme Edition: новая 18-ядерная вершина LGA2066 по впечатляющей цене

На настоящий момент такая система является не очень актуальной, поэтому на момент публикации данной методики тесты для кулеров с поддержкой LGA2011 / LGA2066 мы выполняем с процессором Intel Core i9-7980XE на ядре Skylake-X (HCC) с использованием материнской платы ASRock X299 Taichi. Результаты тестов показывают, что процессор Intel Core i9-7980XE охлаждается гораздо лучше, чем Intel Core i7-6900K, то есть первый греется немного больше, но потребляет гораздо больше энергии, чем второй. Данный факт можно объяснить разницей в площади кристалла, у Intel Core i9-7980XE (Skylake-X (HCC)) она значительно больше: 484 мм², тогда как у Intel Core i7-6900K (Broadwell-E) — всего 246 мм². Отрицательным моментом является то, что при переходе на тестирование систем охлаждения с использованием Intel Core i9-7980XE не сохраняется преемственность, то есть результаты нельзя сравнивать с теми, что получены на процессоре Intel Core i7-6900K. В тестах все ядра процессора Intel Core i9-7980XE работают на фиксированной частоте 2,6 ГГц (множитель 26), 2,8 ГГц (множитель 28) или 3,2 ГГц (множитель 32).

Процессор AMD Ryzen 7 1800X:

Для тестирования процессорных охладителей, поддерживающих установку на процессоры AMD с разъемом AM4, мы используем стенд, состоящий из системной платы Asus Crosshair VI Hero и процессора AMD Ryzen 7 1800X. Процессор имеет функцию, автоматически снижающую частоту в случае сильного повышения температуры, которая очень сильно мешает нам при тестировании кулеров. Эта функция отключается при использовании некоторых нестандартных множителей. Также этот процессор под нагрузкой имеет высокое потребление и, соответственно, тепловыделение, с которым кулеры слабой производительности справиться не могут. В итоге для мощных кулеров мы устанавливаем множитель чуть выше стандартного, а именно 36,25, то есть ядра процессора работают на частоте 3,625 ГГц, а в случае слабых кулеров множитель равен 25, и частота составляет 2,5 ГГц.

Тестирование процессоров Ryzen Threadripper 2950X и 2990WX (второе поколение Ryzen Threadripper)

Для кулеров, способных охлаждать процессоры AMD Ryzen Threadripper, первоначально мы использовали процессор AMD Ryzen Threadripper 1920X. Тесты выполнялись при фиксированной частоте ядер 3,7 ГГц. Однако этот процессор отличается не очень большим потреблением (для своей платформы) и крайне большой нестабильностью в показаниях датчика температуры. В итоге мы от него отказались и тестирование стали проводить на процессоре AMD Ryzen Threadripper 2990WX. В тестах используется указанный процессор и материнская плата Asus ROG Zenith Extreme. Все ядра процессора работают на фиксированной частоте 3,5 ГГц (множитель 35).

В качестве дополнительного теста мы иногда проверяем, как кулер справится с охлаждением процессора AMD Ryzen 9 3950X. Процессоры семейства Ryzen 9 являются сборками из трех кристаллов под одной крышкой. С одной стороны, увеличение площади, с которой снимается тепло, может улучшить охлаждающую способность кулера, но с другой — конструкция большинства кулеров оптимизирована для лучшего охлаждения именно центральной области процессора. Видимо, из-за этих особенностей есть мнение, что подобрать воздушный кулер для топовых процессоров Ryzen нового поколения не очень просто. В тестах используется указанный процессор и материнская плата ASRock X570 Taichi. Все ядра процессора работают на фиксированной частоте 3,6 ГГц (множитель 36). Для установки этой частоты используется программа A-Tuning производителя системной платы. В качестве нагрузочного теста применялась программа powerMax (с использованием системы команд AVX).

Температура окружающего воздуха в ходе тестирования поддерживается на уровне примерно 24 °C. В теплое время — с помощью кондиционера с инверторным компрессором, позволяющим минимизировать перепады температуры. В холодное время обычно достаточно батарей центрального отопления и периодического проветривания помещения. Для лучшего выравнивания температуры в помещении и, в частности, в области тестируемого охладителя мы в дополнение к вентиляторам кондиционера применяем бытовой вентилятор, работающий на минимальной скорости и направленный на стенд с расстояния примерно в 1,3 м. Чтобы учесть неизбежные колебания температуры окружающего стенд воздуха, для каждого измерения из температуры процессора мы вычитали реальную температуру воздуха, и, чтобы удобнее было сравнивать с предыдущими результатами тестирования кулеров, прибавляли значение базовой температуры в 24 °C.

Первоначально нагрузку на процессор мы создавали с помощью программы Prime95 (версии 28.4). Она нагружает процессор сильнее, чем тест Stress FPU из пакета AIDA64, но при работе Prime95 есть короткие провалы в нагрузке, что осложняет точное измерение потребления. Поэтому от этой программы мы отказались в пользу теста Stress FPU из пакета AIDA64. Также в ряде случаев для нагрузки мы используем программу powerMax, в которой выбираем вариант теста, основанного на системе команд AVX.

Температура процессора контролируется с помощью утилиты System Stability Test из пакета AIDA64. Поскольку в случае многоядерных процессоров утилита показывает температуру для каждого из ядер, за температуру процессора берется среднее арифметическое значение от средних значений температуры по всем ядрам на период измерения. Первоначально вентилятор(ы) тестируемого охладителя включается в режим максимальной производительности и процессор выдерживается под максимальной нагрузкой не менее 30 минут, чего достаточно для стабилизации температуры. Усреднение показаний проводится 30 секунд, затем снижается скорость вращения вентилятора кулера, обычно снижением КЗ ШИМ на 10%, 5 минут дается на стабилизацию температуры, 30 секунд снимаются показания, и так далее, до тех пор пока система не отключится от перегрева, процессор не достигнет критической температуры и не перейдет в режим пропуска тактов или вентилятор не остановится. Режим работы помпы в случае систем жидкостного охлаждения оговаривается отдельно, обычно это режим максимальной производительности на время всего теста. Специальные программы производителей систем охлаждения по возможности не используются или используются только для оценки их работы.

Потребление процессора определяется с помощью замера силы тока по одному или двум дополнительным разъемам 12 В на мат. плате. Суммарная и усредненная за 10 секунд сила тока умножается на усредненное за 10 секунд значение напряжения по шине 12 В. Под нагрузкой с помощью описанных выше тестов потребление по шинам с другим напряжением и по другим разъемам на материнской плате обычно мало отличается от режима простоя, поэтому в тестах не учитывается. В таблице ниже для примера приведены значения потребляемой мощности для различных вариантов сочетаний процессора, вида нагрузки, частоты работы и температуры процессора.

Процессор Частота, ГГц Температура процессора, °C Нагрузка Потребление, Вт
Intel Core i7-6900K 3,5 52/80 Stress FPU 131/143
Intel Core i7-6900K 3,5 50/90 Prime95 150/170
Intel Core i9-7980XE 2,6 54/80 Stress FPU 197/203
Intel Core i9-7980XE 2,8 54/94 Stress FPU 218/233
Intel Core i9-7980XE 3,2 69/95 powerMax 273/289
AMD Ryzen 7 1800X 2,5 46/69 Stress FPU 41/45
AMD Ryzen 7 1800X 3,625 56/77 Stress FPU 156/178
AMD Ryzen Threadripper 1920X 3,7 40/71 Stress FPU 160/185
AMD Ryzen Threadripper 2990WX 3,5 63/88 Stress FPU 266/291
AMD Ryzen 9 3950X 3,6 66/92 powerMax 153/166

Далеко не всегда удается обойтись оригинальной нанесенной на поверхность теплосъемника кулера термопастой или прилагаемой отдельно (обычно в виде шприца). Например, термопаста уже может быть израсходована в предыдущих тестах, или слой термопасты может быть поврежден, или прилагаемого запаса может оказаться недостаточно для нанесения на процессоры с большой площадью крышки или на несколько повторов тестов с разными процессорами. Поэтому теперь в тестах мы используем термопасту стороннего производителя с достаточно хорошими характеристиками. Для небольших (по площади крышки) процессоров термопаста наносится на центр крышки процессора в объеме примерно с горошину, после чего кулер устанавливается на процессор, при этом предварительное распределение термопасты не проводится. В случае процессоров Intel Core i9-7980XE и AMD Ryzen Threadripper используется многоточечное нанесение термопасты:

После завершения тестов с нагрузкой кулер снимается с процессора, а поверхности крышки процессора и теплосъемника кулера фотографируются, что позволяет задокументировать особенности распределения термопасты.

Измерение уровня шума проводится в специальной звукоизолированной камере с повышенным звукопоглощением. Вынесенный на кабеле микрофон шумомера Октава-110А-Эко располагается в 50 см от центра процессорного разъема на высоте 50 см от плоскости системной платы, так что расстояние до процессора по прямой составляет около 70 см.

Микрофон направлен на центр процессорного разъема. Такое местоположение было выбрано для того, чтобы не привязываться к габаритам тестируемого кулера. В случае систем жидкостного охлаждения аналогично измеряется уровень шума от помпы с интегрированным теплосъемником, при этом вентиляторы на радиаторе отключаются (если это возможно). При замере уровня шума от вентиляторов на радиаторах и/или от вынесенных помп систем жидкостного охлаждения отсчет 50 см вверх и вбок ведется от центра нижней плоскости этих частей. Вентиляторы всегда располагаются так, чтобы создаваемый ими поток воздуха шел перпендикулярно относительно направления на микрофон. Тестовый компьютер во время измерений выключен, управление контроллером проводится по USB с размещенного снаружи (измерительной камеры) компьютера с пассивным охлаждением. Текущие показания шумомера фиксируются с помощью веб-камеры. За результат берется минимальный уровень шума (усредненный за одну секунду) за текущий период измерений. Показания уровня шума снимаются после первоначальной стабилизации в течение 30 минут в режиме максимальной производительности охладителя. Усреднение показаний проводится 10 секунд, затем скорость вращения вентиляторов снижается, выдерживается пауза до стабилизации показаний, но не менее 30 секунд, и цикл замеров повторяется. По возможности измерения уровня шума проводятся в тех же режимах работы кулера, что и в случае испытаний под нагрузкой. Если это невозможно, то для сопоставления результатов уровни шума для требуемых скоростей вращения вентиляторов рассчитываются с помощью нелинейной интерполяции.

Отдельно стоит отметить, что уровень шума, измеренный нами, может существенно отличаться от того, который указывается в характеристиках производителя. Также мы не беремся утверждать, что значения менее 20 дБА достоверны, но получаемые величины от фонового уровня до 20 дБА, по крайней мере, соотносятся с реальным изменением уровня шума. Согласно нашим замерам, при отсутствии явных источников шума показания шумомера в нашей камере могут снижаться до 16,2 дБА. Субъективно уровень шума при этом настолько низкий, что воспринимается среднестатистическим человеком как полная и «гнетущая» тишина. Зависит, конечно, от индивидуальных особенностей и других факторов, но где-то от 40 дБА и выше шум, с нашей точки зрения, очень высокий для настольной системы, от 35 до 40 дБА уровень шума относится к разряду терпимых, ниже 35 дБА шум от системы охлаждения не будет сильно выделяться на фоне типичных небесшумных компонентов ПК — вентиляторов корпусных, на блоке питания, на видеокарте, а также жестких дисков, а где-то ниже 25 дБА кулер можно назвать условно бесшумным.

Представление результатов

Чтобы уйти от условий тестового стенда к более реалистичным сценариям, допустим, что температура воздуха, забираемого вентилятором(-ами) системы охлаждения может повышаться до 44 °C, но температуру процессора под максимальной нагрузкой недопустимо повышать выше 80 °C. Ограничившись этими условиями и используя полученные ранее данные, можно построить зависимость реальной максимальной мощности (TDPмакс), потребляемой процессором, от уровня шума. Приняв 25 дБА за критерий условной бесшумности, получим примерную максимальную мощность процессоров, соответствующих этому уровню в случае тестируемого охладителя. Этапы расчета:

  1. На основании экспериментальных данных рассчитываем полное термическое сопротивление системы процессор—кулер:
    Rth = (Tcpu − Troom) / P, где Rth — термическое сопротивление, К/Вт; Tcpu — температура процессора, °C; Troom — температура температура воздуха, °C; P — потребление процессора, Вт.
  2. Затем выполняем обратный перерасчет: для заданного значения температура воздуха (44 °C) и температуры процессора (80 °C) рассчитываем максимальную мощность:
    TDPмакс = (Tcpu′ − Troom′) / Rth, где Tcpu′ — заданная температура процессора, °C; Troom′ — заданная температура воздуха, °C; TDPмакс — максимальная мощность, Вт.

Каждому рассчитанному значению TDPмакс соответствует свое значение уровня шума, это позволяет построить зависимость TDPмакс от уровня шума. Ниже даны ссылки на страницы с интерактивными графиками, где читатель может ввести свои значения для температуры процессора и температуры воздуха и увидеть полученные значения максимальной мощности, а также сравнить выбранный кулер с другими, протестированными в аналогичных условиях.

Архив:

Сравнение кулеров башенного типа с четырьмя тепловыми трубками прямого контакта и одним вентилятором 120 мм (нагрузка: Stress FPU из пакета AIDA64, процессор Intel Core i7-6900K (35×100, 3,5 ГГц))

Сравнение СЖО с двумя вентиляторами 120 мм (нагрузка: Stress FPU из пакета AIDA64, процессор Intel Core i7-6900K (35×100, 3,5 ГГц))

Сравнение СЖО с тремя вентиляторами 120 мм (нагрузка: Stress FPU из пакета AIDA64, процессор Intel Core i7-6900K (35×100, 3,5 ГГц))

Сравнение СЖО с двумя вентиляторами 140 мм (нагрузка: Stress FPU из пакета AIDA64, процессор Intel Core i7-6900K (35×100, 3,5 ГГц))

Сравнение кулеров для AMD Ryzen Threadripper (1920X) (нагрузка: Stress FPU из пакета AIDA64, процессор AMD Ryzen Threadripper 1920X (37×100, 3,7 ГГц))

Актуальные обновляемые данные:

Сравнение кулеров (процессор Intel Core i9-7980XE, нагрузка: Stress FPU из пакета AIDA64, частота 2,8 ГГц (28×100) или powerMax (AVX), частота 3,2 ГГц (32×100))

Сравнение кулеров (процессор AMD Ryzen 9 3950X, нагрузка: powerMax (AVX), частота 3,6 ГГц (36×100))

Сравнение кулеров для AMD Ryzen Threadripper (процессор 2990WX, нагрузка: Stress FPU из пакета AIDA64, частота 3,5 ГГц (35×100))

Этапы тестирования

  1. Определение зависимости скорости вращения вентилятора(-ов) кулера от коэффициента заполнения ШИМ и/или напряжения питания. Результат этапа — один или два графика: скорость вращения от КЗ и/или напряжения. Дополнительно: определение напряжения питания и КЗ, при которых вентилятор начинает вращение и при которых останавливается. Аналогичные тесты проводятся и для помпы в случае тестирования СЖО.
  2. Определение зависимости температуры процессора при его полной загрузке от скорости вращения вентилятора(-ов) кулера. Результат — один график: температура от скорости вращения.
  3. Определение уровня шума в зависимости от скорости вращения вентилятора(-ов) кулера. Результат — один график: уровень шума от скорости вращения. Аналогичный тест может быть проведен и для помпы в случае тестирования СЖО.
  4. Построение зависимости уровня шума от температуры процессора при его полной загрузке. Результат — один график: уровень шума от температуры.
  5. Построение зависимости реальной максимальной мощности от уровня шума. Результат — один график: мощность от уровня шума и определение лимита мощности для сохранения условной бесшумности работы охладителя.

Чтобы наглядно продемонстрировать, что́ мы в итоге получаем, приведем результаты, полученные нами при тестировании кулера Cooler Master MasterAir Pro 4. Полную версию статьи с обсуждением результатов читайте по ссылке выше.

Cooler Master MasterAir Pro 4

Этап 1. Определение зависимости скорости вращения вентилятора кулера от коэффициента заполнения ШИМ и/или напряжения питания

P, Q и S — это три режима работы вентилятора кулера. Вентилятор останавливается при снижении напряжения до 3,3 В и запускается от 3,6 В.

Этап 2. Определение зависимости температуры процессора при его полной загрузке от скорости вращения вентилятора кулера

Этап 3. Определение уровня шума в зависимости от скорости вращения вентилятора кулера

Этап 4. Построение зависимости уровня шума от температуры процессора при его полной загрузке

Этап 5. Построение зависимости реальной максимальной мощности от уровня шума

Приняв 25 дБА за критерий условной бесшумности, получим, что в случае кулера Cooler Master MasterAir Pro 4 примерная максимальная мощность процессора, соответствующего этому уровню шума, составляет 140 Вт.

Заключение

Отметим, что данная методика вряд ли представлена в окончательном виде — скорее всего, она продолжит совершенствоваться. На наш взгляд, любой кулер в конечном счете должен отвечать как минимум двум главным критериям: во-первых, он должен справляться с охлаждением процессора при максимальной нагрузке, а во-вторых, должен быть тихим. Если кулер отвечает этим двум критериям, то совершенно неважно, какова скорость вращения его вентилятора, какой воздушный поток он создает, и т. д. Поэтому при тестировании кулеров мы сосредоточились на измерении и сопоставлении именно этих двух характеристик — эффективности охлаждения и уровня создаваемого шума.

6 марта 2020 Г.