Vapor Phase-Change или различният тип охлаждане

0
173

Охлаждането на x86 процесорите не започна още от създаването им. Някогашните 4004/8008/8086 въобще не отделяха толкова много топлина, че да имат нужда от някакво охлаждане – успяваха без проблеми сами да разсейват ефективно топлината от ядрото…

След тях се появиха и 80286/80386/80486, които също успяваха сами да се справят с топлоотделянето, въпреки че 80486 процесорите до 66MHz загряваха доста силно, но явно не достатъчно. Все пак, от 66MHz DX2 се видя, че ще трябва вече да се използват някакви средства за охлаждане на чиповете, защото броят на транзисторите, които ги изграждаха нарастваше стремглаво и процесорите сами вече не можеха да се справят със задачата да се охлаждат. И така от 486DX2/4 процесорите вече съвсем нормално явление беше наличието на охлаждащ радиатор, който да отнема топлината от процесора и да я разсейва ефективно.

Но съвсем скоро само наличието на радиатор стана също недостатъчно. 60/66MHz Pentium процесори, както и предхождащите ги, вече изнемогваха дори и само с радиатор (въпреки че ако сложим някой от съвременните големи радиатори мисля, че няма да има проблеми) и се наложи да се сложи и малък до нормален вентилатор, който да охлажда радиатора и да разсейва още по-ефективно топлината от процесора.

С времето процесорите ставаха все по-бързи и по-бързи, с по-усъвършенствана технология и производствен процес, както и със все повече транзистори, които го изграждат. Съвременните процесори в момента отделят достатъчно топлина, за да се налага да купувате големи и добре проектирани радиатори с мощни вентилатори, които да могат да се справят с отделяната топлина. По-скоро големият проблем е малката отделяща повърхност на процесора (ядрото), което налага използването на добре проектирани радиатори, които да могат ефективно да поемат отдадената топлина и още по-ефективно да я отдадат в околната среда посредством вентилатора.

Всичко до тук звучи доста елементарно, но не е толкова елементарно, когато стане дума за овърклокинг. Повечето от вас знаят какво представлява овърклокинга, за тези, които не знаят, ще го кажа с прости думи – повишаване на честотата на процесора (както вероятно и захранващето напрежение) над фабричната с цел постигане на по-добра производителност. Но хубавото винаги носи и по нещо лошо със себе си – топлоотделянето при такива случаи е много голямо и нуждата от по-добро охлаждане на процесора става неизбежна необходимост. Освен това за да работи в овърклокнатия режим процесора ще трябва да поддържа добри температури, защото при прегряване (както и прекалено високо захранващо напрежение) се получава т.н. електромиграция – разрушаване (пробиви в) на транзисторите изграждащи процесора, което неизбежно води и до разрушаване на самият процесор.

Така става ясно, че доброто (много доброто) охлаждане е абсолютно задължително при овърклокинг на процесора. Обаче……

По-запалените от вас знаят, че голям процент на овърклок или високи честоти не се постигат лесно с въздушно охлаждане. Наистина има няколко екземпляра въздушни охладители на BG (и световния) пазар, които могат успешно да се справят с голямото топлоотделяне на някой добре овърклокнат AMD или Intel процесор, но който иска наистина да изстиска максимума от процесора си трябва да използва или водно охлаждане (водата има 127 пъти по-добро топлоотделяне от въздуха), което позволява ПОНЕ допълнителни 100MHz (говорим за AMD Palomino/Tbred или Intel PIII/Tu, P4) или намаляване на захранващото напрежение при същата честота, или използване на още по-ефективно охлаждане……. не, не говоря за LN2 (Liquid Nitrogen) – той е за абсолютните ненормалници и е за много кратно време ефективен (няма начин да се използва за 24/7 работа) – говоря за Phase Change охлаждане. От името му се разбира, че говорим за охлаждане с промяна на агрегатните състояния на нещо…… а нещото е специален газ – такъв, какъвто се използва в хладилниците в домовете ви. Цялото Phase Change охлаждане е абсолютно подобно на начина на работа на хладилниците ви.

Теория

Обяснението на технологията е лесно:

Както добре виждате на снимката, ще са ви нужни компресор, кондензатор, капилярна тръбичка и изпарител. Както разбира се и газ, който да прави цялата магия завършена. В съвременните компресори се използват следните газове –

* R134a( 1,1,1,2 tetrafluroetene, HFC134a), температурна точка на изпаряване – „-26.1С“
* R22 ( Chlourodiflourometane, CFC22 ), температурна точка на изпаряване – „-41С“
* R290 ( Propane ), температурна точка на изпаряване – „-42.1C“
* R12 ( Dichlourodifluorometane, CFC12), температурна точка на изпаряване – „-29.8C“
* R404a ( смесица от R125 44% /R143a 52% / R134a 4% ), температурна точка на изпаряване – „-44С“
* R600a ( iso-Butane ), температурна точка на изпаряване – „-11.7С“

Това са най-известните газове, които се използват за целта, като както забелязвате (с изключение донякъде на R600a) всичките имат доста ниска температурна точка на изпарение. А колкото е по-ниска точката на изпаряване, то толкова по-ниска температура на охлаждане получаваме от което следва и по-ниска температура на процесора. Всички те (газове) използват различен тип компресори и масла и имат различно предназначение. Но като цяло са от най-разпространените при направата на подобен тип охлаждания.

За цените им в България нямам все още пълна информация, но извън България някои от тях се намират доста евтино – R134a, R22…

Цялата магия е следната – всичко тръгва от компресора, който компресира газа до газ под високо налягане, който се предава към кондензатора, който (газ) се втечнява в долната част на кондензатора. За да се регулира потока на вече втечненият охладител се използва капилярната тръбичка – прекалено малко втечнен охладител няма да е достатъчен за охлаждане на процесора, докато прекалено голямото количество ще доведе до връщане на все още втечнен газ в компресора, което е много лошо за компресора (води до съвсем бърза повреда на компресора) – компресорите не могат да компресират течност. Втечненият газ попада в изпарителя (процесора), където се изпарява, като за процеса на изпарение се използва топлината отделена от процесора. По този начин се „изсмуква“ топината от процесора. След това изпарения вече втечнен газ, който дефакто се е превърнал отново в газ се връща в компресора и цикъла се повтаря. Целият трик тук е, че тези газове имат много ниска температура на изпарение (връщане в газообразно състояние от втечненото) – например R134a има температура на изпарение от -26.1С.

Както добре се вижда процеса не е много сложен, но пък за сметка на това върши невероятна работа. Подобни охлаждащи системи (в зависимост от компресора и газа) могат да охлаждат невероятни количества топлина, като в нашият случай можем да постигнем температура на процесора под 0С. Даже доста под 0С, в зависимост от колко е овърклокнат процесора, какъв е като марка и най-важното при какви честоти и напрежение работи.

В случаите на Phase Change охлаждащи системи за PC-та се използват компресори с мощност 1/2 конска сила, като най-често срещаните са на Danfoss (поне по света, в България не знам да има много компютърни фенове с Phase Change охлаждане на процесора, още по-малко направени и собственоръчно). Въпреки това всякакви комбинации (позволени и практически възможни) на газ и компресор са възможни, като все пак трябва да се преценяват оптимално с цел високо КПД на системата.

Също така големината на кондензатора и начина на неговото охлаждане са също много важни – не добре охладеният кондензатор или малък такъв ще влошат КПД-то на системата и това като цяло моментално води до доста по-слаби резултати. Обратното – големият и добре проектиран кондензатор с добро охлаждане ще намали още повече температурите при изпарителя. Кондензатора може да бъде горе-долу всякакъв като материал, но се предпочита да е с медни тръбички и голям вентилатор, който да духа (смуче) през (от) него – нещо много познато от обикновенните AIR охладители за процесори.

Капилярната тръбичка също може да бъде почти със всякаква дължина, стига да е с оптималната дължина – причината я описах по-горе. За капилярни най-често се използват медни тръбички с много малък диаметър.

„Практическа“ теория

Практическите тестове направих с една фабрично направена система за охлаждане на процесори на базата на Vapor Phase Change системата – Asetek Vapochill. Това е Classic версията, преектирана още преди 2.5 години. В момента Asetek произвеждат вече по-нови версии Standart Edition (SE) и Premium Edition (PE), които имат редица подобрения спрямо Classic модела.

Предполагам повечето от вас са чували за Vapochill и знаят какво представлява или поне имат някаква представа. Това е фабрично изработено охлаждане от фирмата Asetek, внесено преди около 2 години от фирма Persy в България. Tова е охлаждане, изработено по абсолютно същият принцип на Phase Change технологията, описан по-горе. За компресор от Asetek са се спряли на Danfoss BD35F компресорa, който по спецификации може да поддържа -5С на охлаждащата глава при „топлинен товар“ над 100W (около 120W ако трябва да сме точни).

Трябва да отбележа, че явно от Asetek или са подценили сами себе си, или са подценили Danfoss BD35F компресора когато са съставяли тази графика – определено при товар над 130W (1.6A P4 NW @ 2.96GHz) температурата на охлаждащата глава не се вдигаше на повече от -4С, което е доста по-ниско от показаните около 15С при подобен товар. Дори с 3.06GHz P4 не постигах по-висока температура от -3С на охлаждащата глава при честоти от 3.7GHz.

Нека направя едно уточнение – цялото това представяне на Vapochill охлаждащата система не го правя толкова с цел елементарна реклама на отрочето на Asetek, а по-скоро с цел някакво по-реално представяне на реално работеща система с определени параметри, на базата на които да могат да се направят някакви заключения относно охлаждащите способности на система за агресивно (до температури под 0С) охлаждане на процесори.

Цялата работа до сега изглежда наистина много интригуващо, обаче има още една малка (даже не толкова малка като се замисли човек) подробност, с която трябва да се съобразим – кондензацията.

Много хора, които носят очила са забелязвали многократно неприятният ефект, който се получава когато от по-студено място се придвижат в доста по-топло или да кажем от улицата през зимата се приберем в къщи на топло – и очилата моментално се изпотяват. Ето това е кондензация. Топлият въздух в стаята реагира с студените очила и започва да се втечнява. И това се случава не само с очилата ами със всеки много студен обект, който бъде изведнъж пренесен от студените условия около него в доста по-топли.

Но за какво въобще ви говоря за кондензация? Много просто…..

Когато говорим за sub zero температури на охлаждащата глава (респективно на процесора) и околна температура от примерно 25С неминуемо ще се сблъскаме и с това явление – кондензацията. И не само това. Всъщност ако достатъчно дълго оставим охлаждането да работи ще видим не само образуването на влага, но и на лед. При подобни темпратури от -15С лед ще се образува без никакви проблеми. За това се налага да се направи изолация на процесора и неговият Socket така, че въздуха на околната среда да не контактува с охлаждащата глава и/или процесора като по този начин ще се избегне кондензацията и няма да има перманентни вреди по процесора и дъното – всички знаят, че вода и електроника на едно място не могат да съществуват.

Изолация

Ето как точно изолирах сокета на процесора и самият процесор така, че да няма никакви възможности за кондензация и да може процесора да си работи без притеснения при температури от -10С до +5С. В случая ще обясня как се прави при Socket478 за Intel P4 процесори. Следващите обяснения са конкретно точни за Asetek Vapochill охлаждащата система, но до много голяма степен са 1:1 приложими и за други системи за Phase Change охлаждане (начина на захващане към дъното и наличието или не на нагреватели и/или други изолационни материали може да се отличават, НО принципа се запазва същия).

1. Изолация на мястото около S478

Като начало се „сваля“ задържащия пластмасов модул, който служи за задържане и фиксиране на радиаторите на AIR охладителите. Под него се подлага парче топлоизолираща пореста гума, като съответно трябва да има дупки в 4-рите ъгъла, през които да може да се промушат задържащите болтове, които ще захванат задържащия модул за дънната платка. Естествено в центъра на порестата гума (трява да) има точно изрязана дупка за процесорния цокъл.

2. Поставяне на задържащите цилиндри

Виждате, че в центъра на двата цилиндъра има навита резба, в която после ще се поставят двата задържащи болта, чрез които ще се захване стабилно охлаждащата глава на Vapochill системата. Добре се вижда изолационната гума под задържащия модул, която изолира откъм околната среда около сокета.

3. Монтиране на задържащия модул обратно към дъното

Задържащия модул се монтира обратно към дъното като след това посредством 4 болта и пластмасови! гайки се пристяга силно модула към дъното, така че да няма възможност да има контакт на студената среда в рамките на задържащия модул и околната среда на дънната платка. Пластмасовите гайки се използват поради факта, че от долната страна на дъното има прекалено много писти и окъсяването ще е неизбежно при използването на метални гайки. Използването на метални гайки също е възможно, стига между тях и дъното да има някакви найлонови или пластмасови шайби, които да ограничават контакта.

4. Поставяне на силоконова топлопроводима, електроизолационна паста

Това всъщност е обикновенната силиконова паста, която много хора използват за нанасяне между радиатора и процесора в своите системи с цел подобряване на контакта процесор-радиатор. В нашия случай тя служи да предпазва образуването на евентуалната кондензация и корозия по металните части. Аз лично не слагам подобна паста по простата причина, че изолацията ми с изолационна гума и неопренов материал е достатъчно добра, че да не позволи образуването на кондензация и влага където не трябва.

Съответно освен по самият цокъл е хубаво да се нанесе такава маста и по малките кондензатори от долната страна на процесора (снимката в ляво). След първото поставяне на процесора в цокъла и изваждането му би следвало да се получи картинка, подобна на тази в дясно.

5. Поставяне на нагревателите и допълнителна изолация

Ето това е една много добра функция, добавена от Asetek – наличие на нагреватели, които да нагряват платката там, където са поставени, с цел изравняване на температурата с околната (или постигане на по-висока от околната – няма значение). Единият нагревател се поставя от долната страна на дънната платка, точно под процесора. След това се поставя задължителната изолационна гума, която да държи нагревателя на място, но и да помага за допълнителна изолация против кондензация.

Сега след като е изолирана дънната платка от долната страна трябва да се погрижим и за по-сложната, горна част, където е и самият процесор.

Поставя се едно парче задължителната изолационна гума, като след това добавяме и другият нагревател.

Така процесора е почти изолиран от околната среда след поставянето и стабилното затягане на охлаждащата глава на Vapochill охлаждащата система. Тук обаче аз добавям долълнително парче пореста изолационна гума, която допълнително увеличава изолационната материя и вероятността да се образува кондензация или влага е почти нулева. По-добре да има повече изолация, която да си върши работата точно на място отколкото да е по-малко и да си имам проблеми.

6. Поставяне на процесора и проводяща паста върху него

Добре виждате как след слагането на охлаждащата глава на Vapochill-а и свалянето й след това се е образувал кръглият отпечатък, който прави главата на Vapochill. Това показва отличен контакт между ядрото на процесора и охлаждащата глава. Предпочитам поне веднъж да направя тази проверка, след което да затегна болтовете отстрани силно и стабилно и да направя сглобката готова.

Така вече всичко е готово за тестове. Остава само да свържем всички жици където им е мястото и сме готови да видим до къде ще доведе толкова нова теория и обяснения.

Практически тестове

Понеже не разполагах с AMD захващащия модул се наложи да тествам само с Intel процесори, но в скоро време ще допълня статията и с резултати при тестове с AMD процесори.

За да мога да тествам охлаждането на пълни обороти със съответните процесори ми трябваха наистина добри дънна платка, захранване и RAM памет. За целта избрах EPoX 4GEAE дъната платка, предоставена от фирма Persy и TwinMOS DDR400 паметта, предоставена от фирма SUNNY Computers. 3.06GHz HyperT процесор беше предоставен от ASBIS България. За захранване на Vapochill системата използвах наличното 300W захранване, което беше в кутията, а за захранване на компютъра използвах 400W SUNNY PSU.

По принцип Vapochill кутията има едно захранване, което се използва както за захранване на PC системата, така и за захранване на Vapochill охлаждащата система. Това товари доста захранването (Vapochill компресора „гълта“ около 75W мощност), но пък от друга страна посредством ChillControl-а пази процесора от прегряване в случай на повреда в компресора.

Затова използвах отделни захранвания за да има достатъчно налична мощност и за компютърната система и за охлаждащата система.

* Дънна платка: EPoX 4GEAE i845GE chipset
* CPUs: Intel P4 1.6A / 1.8A / 3.06 GHz Northwood
* Memory: TwinMOS DDR400 2x256MB
* Videocard: MSI GeForce 4 Ti 4200, 64MB DDR
* Monitor: 17″ ReliSYS FLAT
* HDD: 40 GB Seagate Barracuda ATA IV, 7200/2MB
* A4 Tech RadioMouse
* Compaq SK2600 MultiMedia keyboard
* Windows XP Professional Build 2600
* 300W Fotron PSU + 400W SUNNY PSU

Направих тестове с тези три процесора, като за всеки поотделно ще споменавам за температурите под товар и в IDLE режим, както и за максималната стабилна честота и максималната честота, при която е заредил WInXP.

Подбрал съм различни шотове за всеки процесор, шотовете и на трите процесора не са еднакви.

Intel P4 1.6A Northwood

Това беше най-„слабият“ от трите процесора, като той единствено успя да изстиска всичко от дънната платка, що се отнася до максимална стойност на FSB. Стандартно този процесор е работел стабилно при честота около 2600MHz и напрежение минимум 1.75V.

Това разбира се беше само за проба и системата не беше стабилна. Може би заради дънната платка, може би заради процесора. Не можах точно да установя кое от двете правеше проблема, защото точно 2MHz FSB нагоре т.е. при 187FSB дъното дори не желаеше да „запали“, камо ли нещо друго. Не е ясно дали при 185FSB проблема не е бил от дънната платка, която честно казано не я виня, че не издържа на 187/188FSB – честоти, които са много трудно постижими с което и да е друго дъно.

1.6А процесора работеше стабилно до 2800MHz при напрежение от 1.73V (по някаква причина нямам шот на това?), като температурата под товар не превишаваше 6С на процесора и около -4С на охлаждащата глава.

Intel P4 1.8A Northwood

За разлика от по-малкия си брат (1.6А) този процесор „грееше“ доста по-малко и показа доста по-ниски температури под товар. Интересното тук беше, че МАХ възможната честота, на която зареди Windows се оказа и МАХ работна честота, при която работеше 100% стабилно. За това направо пуснах SuperPI теста да го натовари и направих шот на температурите под товар.

Както добре се вижда при 3100MHz/1.65V този процесор работеше при много студените -4С, но трябва да отбележа, че тези -4С бяха направени при наличието на допълнителен вентилатор, който да помага за понижаване на температурата на кондензатора. Без товар (IDLE) темпеаратурата на процесора при 3119MHz се държеше около -8С, докато при 3209MHz и само един охлаждащ вентилатор беше около -2С.

3.06GHz HyperT P4 Northwood

Като че ли най-интересното беше да се види какво може да се „извади“ от най-новото отроче на Intel – 3.06GHz HyperT P4 процесора. Направих най-различни тестове – при много ниско Vcore, при 3.5GHz и Default Vcore и при МАХ изтискани MHz-и от процесора. Стандартно този процесор с въздушно охлаждане успяваше да работи стабилно при честота от 3.45GHz и напрежение от 1.56V.

Дори и при тези много слаби настройки 3.06GHz процесора успяваше да „затопли“ Vapochill главата и така да успее да се „загрее“ само до -4С под товар. В IDLE режима температурата на процесора се движеше около -8С.

При горе-долу Default Vcore от 1.49V (стандартното напрежение за 3.06G процесора е 1.55V) този 3.06G се държеше около 0С под товар, като в IDLE режима температурата му се въртеше около -4С.

Това бяха максималните MHz-и, които успях да извадя от този процесор. Ще забележите и много ниското Vcore – само 1.58V. Предполагам, че дънната платка ме спираше вече да отида по-нагоре. С напрежения от порядъка на 1.75V предполагам, че доста повече MHz-и са възможни с този процесор. Както и да е в този режим процесора под товар успяваше да достигне „+“-овата температура от +2С, докато в IDLE режима се движеше около -3С. Трябва да отбележа, че при тестовете на 3.06G процесора кондензатора на Vapochill-а се охлаждаше и от 2-та вентилатора.

Тестови Резултати

Отначало не мислех да показвам някакви тестови резултати – все пак това не е тест за производителност на процесори ами представяне на технология за охлаждане, където бяха важни постигнатите MHz-и, а не точки в 3D MARK или Quake3. Все пак направих един сравнителен тест в PC MARK2002, процесорният тест:

Заключение:

Какво може да се каже в заключение относно Vapor Phase Change?

Ами едно нещо поне със сигурност може да се твърди – висока ефективност. Всеки поне малко запознат със полупроводниковата технолгия е наясно, че за разлика от автомобилните двигатели, които обичат висока температура около 90С, то полупроводниковите елементи определено обичат ниската температура, особенно ако е под 0С. При такива температури можете със сигурност да разчитате на по-високи, непостигани до сега честоти от вашия процесор и то без повишаване на захранващото напрежение или чрез някакво малко повишаване. И това разбира се стабилно и много добре охладено.

Все пак това хубаво нещо си има и своите лоши страни – цената и възможността да се сдобиеш с нещо такова. В единият случай е цената, която за Vapochill SE/PE моделите е около 450Еuro, а за Chip-Con Prometeia е около 550Еuro. От другата страна пък личната ръчната изработка изисква много знания и умения да се работи с необходимите инструменти – компресори, запояване на тръби, направата на изпарител, изолация и т.н. и т.н. Също парите, които ще дадете за отделните компоненти при ръчна изработка няма да са малко, въпреки че няма да са толкова много, колкото е фабричната сглобка на Asetek и Chip-Con. Но пък фабричните системи са напълно готови и 100% подготвени за моментална употреба със всичките необходими помощни средства.

В заключение ще кажа, че подобно охлаждане си струва всеки цент, който ще дадете за него – високата цена е напълно оправдаема като се има в предвид какво получавате.Чрез такова охлаждане можете да постигнете до 200-500MHz отгоре на това, което сте постигнали до момента с AIR охлаждането на процесора ви (става дума за процесори над 1.5GHz – един Duron 700MHz няма да стигне много повече заради технологичната граница на 0.25мкм технологията) Този тип охлаждане в никакъв случай не е за обикновенния потребител, даже не е и за обикновенния овърклокър. Това е охлаждане за наистина „извратените овърклокъри“, за които наличието на подобен тип охлаждане и мисълта за постигане на нови честоти от съответния процесор е с най-голям приоритет и цената не е от голямо значение. За съжаление в България „извратените овърклокъри“ са много, но цената е наистина доста трудно препятствие.

Благодарности на следните фирми за предоставения хардуер за оптималното провеждане на тестовете:

3.06GHz HyperT P4 от ASBIS Bulgaria

2x256MB DDR400 TwinMOS DDR SDRAM, 400W SUNNY PSU от SUNNY Computers

EPoX 4GEAE i845GE MotherBoard и разбира се Asetek Vapochill от Persy

Въпроси и коментари по темата в нашия форум ТУК

ВАШИЯТ КОМЕНТАР