Současné technologie chlazení procesorů

Ztrátový tepelný výkon je standardní vlastnost všech polovodičových součástek. Patří mezi ně i procesory, kvůli jejichž rostoucí frekvenci a prudce se zvyšujícímu počtu tranzistorů se nároky na chladiče neustále zvyšují.

Plochy jader - mm2
Athlon 64 Toledo (Dual Core) 199
Athlon 64 ClawHammer 193
Athlon 64 NewCastle 150
Athlon XP Barton 101
Athlon XP Throughbred B 85
Athlon 64 Winchester/Venice/Palermo 83
Pentium 4 Gallatin (EE) 236
Pentium 8XX Smithfield (Dual Core) 206
Pentium 4 Prescott 1M (5XX) 112
Pentium 4 Northwood (1,6A – 3,4 GHz) 132
Pentium 4 Prescott 2M (6XX, EE) 135

Ještě v nedávné minulosti, kdy srdce procesorů tepala na frekvencích kolem 100 MHz, si na spojení slov „chlazení procesoru“ nikdo ani nevzpomněl. Jen velmi málo procesorů neslo na sobě nápis „Heatsink required“, který nepoučené majitele leckdy překvapil. Dnes se již s tímto nápisem na procesorech nesetkáte, ale ani přesto nelze drtivou většinu stolních procesorů provozovat bez výkonného aktivního chlazení ani jedinou sekundu.

Příliš žhavý uhlík

Nedejte se oklamat ani poměrně velkou styčnou plochou moderních procesorů. To, co na procesoru vidíte, je pouze kovový rozvaděč tepla, který slouží hlavně jako ochrana jádra před neopatrnou manipulací. Jádro je ve skutečnosti mnohem menší a rozvaděč tuto skutečnost samozřejmě nijak neovlivní. Větším problémem než samotný objem vydávaného tepla je tedy jeho velmi vysoká koncentrace. Plocha jádra většiny dnešních procesorů (stolních) nepřesahuje 200 mm2 a v některých extrémních případech se tepelná hustota přehoupne přes 100 W na cm2 (100 mm2), což lze považovat za extrémní hodnotu.

Klepněte pro větší obrázek

Podrobný test moderních chladičů pro Athlon 64 a Pentium 4 si můžete přečíst v Computeru Speciál – Katalog hardwaru (léto 2005). Z přímého souboje vycházejí lépe chladiče vějířovité konstrukce, které jsou také efektivnější v ochlazování základní desky a jejích napájecích obvodů

Větrák v sauně

Procesory jsou běžně chlazeny převážně vzduchovými chladiči různých tvarů a konstrukcí. Takovéto chladiče naleznete i v tzv. Box baleních procesorů, které by měly odpovídat nárokům daného modelu a bez problémů jej uchladit v mezích normy. Ne vždy jde ale pouze o chlazení procesoru, protože pokud je uvnitř skříně příliš vysoká teplota, stávají se vzduchové chladiče málo efektivní. Je to celkem logické, protože chlazený čip nelze uchladit na teplotu nižší, než je teplota vzduchu, kterým se chladí. Ve skutečnosti je rozdíl mezi teplotou vzduchu a procesoru v případě kvalitních a výkonných chladičů přibližně 15 °C.

I proto Intel vytvořil tzv. Thermal Design Guidelines, ve kterých radí, jak se má správně chladit vnitřek skříně pro zachování kýžené teploty procesoru. Zároveň ve specifikacích procesoru určuje maximální povolené teploty uvnitř skříně. Tyto zásady platí samozřejmě také pro procesory AMD, protože příliš horkým vzduchem jednoduše nelze uchladit nic. Při výběru počítače tedy sledujte také možnosti chlazení skříně, která by měla obsahovat pozice pro přídavné větráky, větrný tunel a podobně.

Ušlechtilé kovy

Hlavně kvůli značné hustotě vyzářeného tepla má většina moderních chladičů minimálně měděné jádro. V minulosti se používaly čistě hliníkové pasivy, které jsou lehčí, levnější a lépe se opracovávají. S příchodem žhavějších procesorů však do nich výrobci začali montovat měděná jádra. Tato metoda snižuje náklady a zlepšuje chlazení procesorů s vysokou tepelnou hustotou. S kombinací mědi a hliníku se střetnete dodnes, používá ji Intel i AMD pro většinu svých Box chladičů.

Klepněte pro větší obrázek

Heatpipe jsou hermeticky uzavřené trubičky zabezpečující přenos tepla z horkého konce na studený. Pro tento účel obsahují komplikovanou vnitřní strukturu a kapalinu pod nízkým tlakem. Ta se díky zmíněné struktuře na horkém konci odpařuje (přebírá teplo) a na studeném kondenzuje (odevzdává teplo)

Nejúčinnější vodiče tepla
Při chlazení polovodičových součástek s vysokou tepelnou hustotou je důležitá volba správného materiálu. Pro velké tepelné ztráty se používá téměř výhradně měď, která je často doplněna i tzv. heatpipe neboli tepelnými trubičkami. Jejich velká tepelná kapacita a rychlost odvádění tepla způsobila téměř masové rozšíření do moderních chladičů. Často se využívají také v kombinaci s hliníkovými žebry, která zvětšují plochu pro vyzáření tepla do prostoru, ale zároveň snižují náklady a hmotnost.

Konstrukce moderních chladičů spoléhá na několik osvědčených tvarů. Buď využívá vějířovité konstrukce s větrákem posazeným uvnitř nebo spoléhá na heatpipe trubice v kombinaci s různě tvarovanými pasivy. Právě heatpipe je nejúčinnější cestou, jak odvést teplo od procesoru co nejrychleji a nejefektivněji. Má mnohem větší tepelnou vodivost a kapacitu než měď, která je z běžných kovů nejlepší (stříbro i zlato je lepší, ale vzhledem k ceně nepoužitelné).

Vybírejte ložiska i procesor

Kromě běžných požadavků na udržení teploty podle specifikací je pro mnohé uživatele klíčovým požadavkem také tichý chod počítače. Hlavním zdrojem hluku bývají právě různé větráky, které vydávají hluk způsobený ložisky, ale i samotným prouděním vzduchu. Pro tichý chod je tedy vhodné zvolit odpovídající ložiska (např. kluzná) a patřičně tvarované pasivy i aerodynamické mřížky pro nehlučný průchod vzduchu. Za kvalitu a tedy i ticho se v tomto případě platí nemalé částky za kvalitní modely renomovaných výrobců. Při stavbě tichého počítače se doporučuje zvolit i platformu vydávající méně tepla, kterou pochopitelně rovněž lépe a jednodušeji uchladíte. Vhodnými kandidáty jsou procesory Athlon 64 nebo Pentium M, které můžete chladit i zcela pasivně.

Alternativní metody chlazení
Kromě běžného chlazení vzduchem se v oblasti počítačů můžete setkat i s dalšími metodami. Některé z nich jsou již značně extrémní a poskytované teploty umožňují dosahovat neuvěřitelných výsledků přetaktování. K těm ještě běžně použitelným a dostupným patří hlavně vodní chlazení, které je založeno na vodním okruhu, který odvádí teplo od procesoru protékáním speciálním blokem (waterblok). Voda je mnohem lepší vodič tepla než vzduch a díky promyšleným výměníkům tepla ji lze i efektivně ochladit. Tyto systémy mohou dosáhnout rozdílů teplot procesoru a chladicího média i pod 10 °C a zároveň uchladí i mnohem vyšší teplotní ztráty.

Druhý protipól představuje extrémní chlazení mrazicím okruhem, který má mnoho společného s ledničkou nebo mrazákem. Jako chladicí médium slouží různá specializovaná plniva (stejná jako v komerčních chladicích zařízeních). Nízká teplota chladicího média a jeho vysoká tepelná kapacita umožňují procesor ochladit hluboko pod teplotu okolí. V případě použití zřetězených systémů, tzv. kaskád (okruh procesoru je ochlazován dalším mrazicím okruhem atd.) lze dosáhnout teplot až 100 ºC pod bodem mrazu. Tyto systémy jsou již vysoce profesionální a jejich konstrukce i užívání vyžadují odborné znalosti. Také nejsou stavěny na dlouhodobý běh, ale pouze na dosažení výkonnostních rekordů při extrémním přetaktování.

Článek vznikl
ve spolupráci
s časopisem
Computer
a čerpá
z čísla 15-16/05.

Témata článku: Thermal, Toledo, Venice

66 komentářů

Nejnovější komentáře

  • Kriss 20. 10. 2006 18:01:26
    Trochu sem experimentoval s peltierovim clankem a muzu vam rict ze tudy...
  • toudi_sk, toudi_sk 14. 3. 2006 20:34:45
    Vidim, ze tu su sami odbornici, pomozte mi prosim.Kde najdem tabulku...
  • toudi_sk 14. 3. 2006 20:21:44


Určitě si přečtěte