Регулировка охлаждения компьютерных систем

Регулировка охлаждения компьютерных систем

Реферат

Пояснительная записка к дипломному проекту: 18 рисунков, 20 таблиц, 24 источника, 3 листа чертежей формата А1.

Объект исследований: регулировка охлаждения компьютерных систем.

Предмет исследования: системы охлаждения компьютерных систем.

В первом разделе рассмотрены общие принципы охлаждения и работы различных видов и типов охлаждения компьютерных систем.

Во втором разделе уделяется особое внимание различных видов систем охлаждения с точки зрения их усовершенствования, производится оптимальный выбор системы охлаждения, по различным критериям.

В третьем разделе выполнено технико-экономическое обоснование объекта разработки, проведен технико-экономический анализ различных систем охлаждения.

В четвертом разделе проведены расчеты отопления, вентиляции, природного и искусственного освещения, полученные значения сопоставлены с нормативными.

ВЕНТИЛЯТОР, ВОДЯНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ, ВОЗДУШНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ, КОМПЬЮТЕРНАЯ СИСТЕМА, НИТРОГЕННОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ, ПАССИВНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ, ЭЛЕМЕНТ ПЕЛЬТЬЕ

Содержание

Перечень условных обозначений, символов, единиц, сокращений и терминов

Введение

1. Охлаждение компьютерных систем

1.1 Принципы охлаждения (типы и виды)

1.2 Охлаждение процессоров и видеокарт

1.3 Охлаждение жесткого диска

1.4 Охлаждение системного блока

2. Регулировка охлаждения компьютерных систем

2.1 Воздушное охлаждение компьютерных систем

2.1.1 Устройство вентилятора

2.1.2 Характеристики вентиляторов

2.1.3 Контроль и управление вентиляторами

2.2 Пассивное охлаждение

2.3 Водяное охлаждение компьютерных систем

2.4 Охлаждение экономией

2.4.1 Тепловая защита процессора

2.4.2 Минимизация потребления энергии

2.4.3 Утилита RMClock

2.4.4 Авторазгон видеокарты

2.5 Перспективы развития систем охлаждения

3. Технико-экономическое обоснование объекта исследования

3.1 Анализ различных видов охлаждения

4. Охрана труда

4.1 Требования к производственным помещениям

4.1.1 Окраска и коэффициенты отражения

4.1.2 Освещение

4.1.3 Параметры микроклимата

4.1.4 Шум и вибрация

4.1.5 Электромагнитное и ионизирующее излучения

4.2 Эргономические требования к рабочему месту

4.3 Режим труда

4.4 Расчет освещенности

4.4.1 Расчет искусственного освещения

4.4.2 Расчет естественного освещения помещений

4.5 Расчет вентиляции

4.6 Расчет уровня шума

Выводы

Перечень ссылок

Перечень условных обозначений, символов, единиц, сокращений и терминов

АЦП - аналого-цифровой преобразователь

КМОП - комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник

МНК - метод наименьших квадратов

МПС - микропроцессорная система

ЦПУ - центральное процессорное устройство

ШИМ - широтно импульсная модуляция

Введение

Тема дипломной работы - «Регулировка охлаждения компьютерных систем», которая и будет являться предметом исследования.

Цель работы - исследовать регулировку охлаждения компьютерных систем и область применения.

Задачами исследования является выяснение и выбор наиболее эффективных средств охлаждения компьютерных систем.

Работа разбита на этапы:

1. Исследование принципов охлаждения (типы и виды).

2. Исследование новых прогрессивных систем охлаждения.

3. Сравнение технико-экономических показателей различных видов охлаждения.

Актуальность данной темы очень велика, т.к. от работоспособности охлаждающих свойств системы зависит в целом работоспособность всей компьютерной системы - ее продуктивность и долговечность.

Высокое быстродействие современных компьютеров имеет свою цену: они потребляют огромную мощность, которая рассеивается в виде тепла. Основные части компьютера -- центральный процессор, графический процессор -- требуют собственных систем охлаждения; прошли те времена, когда эти микросхемы довольствовались маленьким радиатором. Новый системный блок оборудуется несколькими вентиляторами: как минимум один в блоке питания, один охлаждает процессор, серьёзная видеокарта комплектуется своим вентилятором. Несколько вентиляторов установлены в корпусе компьютера, встречаются даже материнские платы с активным охлаждением микросхем чипсета. Некоторые современные жёсткие диски также разогреваются до заметных температур.

Большинство компьютеров оборудуется охлаждением по принципу минимизации стоимости: устанавливается один, два шумных корпусных вентилятора, процессор оборудуется штатной системой охлаждения. Охлаждение получается достаточным, дешёвым, но очень шумным.

Существует другой выход -- сложные технические решения: жидкостное (обычно водяное) охлаждение, фреоновое охлаждение, специальный алюминиевый корпус компьютера, который рассеивает тепло по всей своей поверхности (по сути, работает как радиатор). Для некоторых задач такие решения использовать необходимо: например, для студии звукозаписи, где компьютер должен быть полностью бесшумен. Для обычного домашнего и офисного применения такие специализированные системы чересчур дороги: их цены начинаются от сотни долларов и выше. Подобные варианты на сегодня весьма экзотичны.

1. Охлаждение компьютерных систем

1.1 Принципы охлаждения (типы и виды)

Холодный воздух тяжелый, и поэтому спускается вниз, а горячий, напротив, легкий, и поэтому стремиться вверх. Это несложная теорема играет ключевую роль при организации грамотного охлаждения. Поэтому воздуху нужно обеспечить вход как минимум в нижней передней части системного блока и выход в его верхней задней части. Причем совсем необязательно ставить вентилятор на вдув. Если система не очень горячая, вполне достаточным будет простое отверстие в месте входа воздуха.

Рассчитаем необходимую мощность корпусной системы охлаждения. Для расчетов используем такую формулу:

Q = 1,76*P/(Ti - To), (1.1)

где P - полная тепловая мощность компьютерной системы;

Ti - температура воздуха внутри системного корпуса;

Тo - температура свежего воздуха, всасывающегося в системный блок из окружающей среды;

Q - производительность (расход) корпусной системы охлаждения.

Полная тепловая мощность (P) находится путем суммирования тепловых мощностей всех компонентов. К ним относятся процессор, материнская плата, оперативная память, платы расширения, жесткие диски, приводы ROM/RW, БП. В общем, то, что установлено внутри системного блока.

За температуру в системе (Ti) нужно взять желаемую нами температуру внутри системного блока. Например - 35оС.

В качестве To возьмите максимальную температуру, какая вообще бывает в самое жаркое время года в нашем климатическом поясе. Возьмем 25оС.

Когда все нужные данные получены, подставляем их в формулу. Например, если P=300 Вт, то расчеты буду выглядеть следующим образом:

Q = 1,76*300/(35-25) = 52,8 CFM

То есть в среднем суммарное количество оборотов всех корпусных вентиляторов, включая вентилятор в БП, должно быть не ниже 53 CFM. Если пропеллеры будут крутиться медленнее, это чревато выгоранием какого-либо компонента системы и выхода ее из строя.

Также в теории охлаждения существует такое понятие, как системный импеданс. Он выражает сопротивление, оказываемое движущемуся внутри корпуса воздушному потоку. Это сопротивление может оказываться всем, что не является этим потоком: платы расширения, шлейфы и провода, крепежные элементы корпуса и прочее. Именно поэтому желательно связывать всю проводку хомутами и размещать в каком-нибудь углу воздуха, чтобы она не стала помехой на пути воздушного потока.

Теперь, когда мы определились с общей мощностью корпусной СО, подумаем, сколько именно вентиляторов нам нужно и где их разместить. Помним, что один, но установленный с умом вентилятор принесет больше пользы, чем два, но поставленные неграмотно. Если при расчете P мы получили не большее 115 Вт, то без особой необходимости нет смысле устанавливать дополнительные корпусные вентиляторы, вполне хватит одного вентилятора в БП. Если системы выделяет тепла более чем на 115 Вт, для сохранности ее жизни на долгие годы придется добавить вентиляторов в корпус. Как минимум, нужно поставить один вентилятор «на выдув» на задней стенке системного блока помимо вентилятора в блоке питания.

Вентиляторам, как известно, свойственно шуметь. Если шум особенно досаждает, можно прибегнуть к такому способу решения проблемы: вместо одного быстрого и шумного поставить два более медленных и тихоходных. Разделить нагрузку, так сказать. Например, вместо одного 80-миллиметрового с 3000 об./мин. прикрутить два таких же (или даже 120-миллиметровых) по 1500 оборотов каждый. Менять один меньшего диаметра на два большего диаметра предпочтительно тем, что крупная крыльчатка будет прогонять за минуту больше кубов воздуха, чем мелкие лопасти. В некоторых случаях можно даже ограничиться просто заменой одного меньшего вентилятора на один больший.

Охлаждение бывает пассивным и активным.

Пассивное представляет собой просто радиатор, прислоненный на поверхность кристалла и прикрепленный к «сокету» или «слоту». Уже давно не применяется для охлаждения большинства CPU, иногда ставится на GPU и активно используется для охлаждения модулей RAM, видеопамяти и чипсетов. Такое охлаждение основывается на естественной конвекции воздуха. Радиатор должен быть желательно медным (лучше отводит тепло, чем алюминиевый) и игольчатым (без заострений на конце иголок). Главное - общая площадь его поверхности. Чем она больше, тем эффективнее теплоотвод. Подошва радиатора должна быть гладкой, иначе контакт с чипом (а, следовательно, и теплопередача) будет нарушен. Всем радиаторам присуща такая характеристика, как температурное сопротивление. Оно показывает, насколько изменится температура процессора при увеличении потребляемой им мощности на 1 Ватт. Чем это сопротивление меньше, тем лучше. Радиаторы монтируются к чипу либо специальным креплением (к разъему процессора), либо приклеиваются термоклеем (на чипы памяти, чипсет). В первом случае на поверхность процессора нужно сначала тонким слоем нанести термопасту (создать термоинтерфейс). Самые распростряненные термопасты - КПТ-8 и АлСил.

Активное охлаждение. Может быть воздушным, водяным, криогенным и нитрогенным.

Рисунок 1.1 - Воздушное охлаждение

Воздушное. Его еще называют аэрогенным. Это пассивное охлаждение + кулер, то есть радиатор с установленным сверху вентилятором. Кулер - это, как известно, вентилятор, устанавливаемый на какой-либо чип, например, на процессор или на графическое ядро. Абсолютно всем вентиляторам присуща масса характеристик, по котором можно оценить их профпригодность:

- Размеры вентилятора. Выражается как высота х ширина х высота. Например, 80х80х20. Все значения выражаются в мм (миллиметрах). Тут есть разница между размером корпуса вентилятора (размер кулера, записывается как длина х ширина) и размером собственно квадрата, в который вписана окружность крыльчатки (размер вентилятора, длина х ширина). Размер кулера по всем параметрам на пару миллиметров выше, чем размер вентилятора. Обычно про размеры кулера говорят не 80х80х20, а просто 80х80 (восемьдесят на восемьдесят). Кулеры бывают размером 40х40, 50х50, 60х60, 70х70, 80х80 и 120х120. Самые распространенные - 40х40, 80х80 и 120х120.

- Тип подшипника. Крыльчатка вентилятора крутится либо подшипником скольжения (sleeve), либо подшипником качения (ball). У обоих свои преимущества и недостатки.

Подшипник скольжения. Его устройство следующее: во втулку, смазанную смазкой, вставляется ротор. Вентилятор с таким подшипником просто весь оброс недостатками, к коим относятся: невысокий срок службы по сравнению с подшипником качения, который еще и сокращается при нахождении вентилятора с таким подшипником вблизи температуры выше 50оС; разбалансировка крыльчатки - при трении ротора со втулкой последняя изнашивается не равномерно (то есть не по всех окружности), а только по двум сторонам, в результате чего в поперечном сечении со временем становится не кругом, овалом. Из-за этого появляется биение ротора и, как следствие, шум. К тому же, со временем смазка начинает вытекать из зазора между втулкой и ротором, что явно не способствует прекращению биения. Достоинств у кулеров с подшипником скольжения только два - они очень дешевы по сравнению со своими ball-собратьями и тише работают, пока не износится втулка или не закончится смазка. Последнее решается разбором мотора и заменой смазки.

Подшипник качения. Устройство несколько другое: между втулкой и ротором вместо смазки помещаются шарики, по которым и вращается ротор. Втулка с двух сторон закрывается специальными кольцами, что препятствует высыпанию шариков. Недостатки таких кулеров обратны достоинствам sleeve-кулеров - ball дороже и шумнее, чем sleeve. В плюсах - стойкость к высокой температуре, передаваемой радиатором, и большая долговечность.

Существует также комбинированное решение:

Вентилятор, который вращают и sleeve- и ball-подшипник. В данном случае второй увеличивает долговечность и снижает уровень шума. Также бывают вентиляторы с подшипником скольжения, но на их роторе нарезана резьба, которая при вращении не дает смазке стекать в низ, благодаря чему она непрерывно циркулирует внутри втулки.

- Количество оборотов в минуту. Скорость вращения крыльчатки вентилятора. Измеряется данный параметр в RPM (Rotations Per Minute) и чем больше это значение, тем лучше. Как правило, составляет от 1500 до… трудно сказать сколько, так как значение rpm постоянно повышается производителями. Чем быстрее крутится вентилятор, тем громче он шумит. Тут уж приходится выбирать: или скорость, холод и шум, или тишина и высокие температуры. Работу любого вентилятора можно замедлить, снизив подаваемое на мотор напряжение. Это можно сделать подключением к каналу 7 или даже 5 V вместо 12 V, либо впайкой резистора 10-70 Ом в разрыв провода питания вентилятора. Но при подаче слишком низкого напряжения (ниже 6 V) вентилятору может просто не хватить силы, и он не начнет вертеться, не обеспечит должного охлаждения.

- Объем прогоняемого воздуха за одну минуту. Также называют эффективностью. Измеряется в CFM (Cubic Feet per Minute). Чем выше CFM, тем громче шум, издаваемый вентилятором.

- Уровень шума. Измеряется в дБ. Зависит от величины двух предыдущих параметров. Шум может быть механическим и аэродинамическим. На механические шумы влияют величины RPM и CFM. Аэродинамический зависит от угла загиба крыльчатки. Чем он выше, тем сильнее бьется воздух о лопасти и тем громче гул.

- Способ подключения питания. PC Plug (напрямую к БП) либо Molex (к материнской плате).

Следующий вид охлаждения - водяное охлаждение. Состоит из ватерблока, радиатора, резервуара с водой или хладагентом, помпы и соединительных шлангов. Ватерблок с двумя разъемами (штуцерами) для входного и выходного шланга устанавливается на процессоре. К радиатору по входному шлангу из помпы закачивается охлажденная вода (хладагент), проходит через него и по выходному шлангу, будучи нагретой теплом процессора, движется ко второму радиатору (на который устанавливается вентилятор), чтобы отдать тепло, взятое у CPU.

Рисунок 1.2 - Водяное охлаждение

После этого вода попадает обратно в помпу, и цикл перекачки повторяется. У водяной СО только два параметра: объем резервуара и мощность помпы. Первый измеряют в л (литрах), а мощность - в л/час. Чем выше мощность, тем выше издаваемый помпой шум. Водяное охлаждение имеет преимущество перед воздушным, так как используемое охлаждающее вещество имеет намного большую теплоемкость, чем воздух, и поэтому эффективнее отводит тепло от греющихся элементов. Но, не смотря ни на что, водяное охлаждение не очень распространено в силу своей дороговизны относительно воздушного охлаждения и опасности короткого замыкания в случае разгерметизации и протечки.

Криогенное охлаждение. СО, которая охлаждает чип при помощи специального газа - фреона. Состоит она из компрессора, конденсатора, фильтра, капилляра, испарителя и втягивающей трубки. Работает следующим образом: газообразный фреон поступает в компрессор и там нагнетается. Далее газ по давлением попадает в конденсатор, где превращается в жидкость и выделяет энергию в тепловом виде. Эта энергия рассеивается конденсатором в окружающую среду. Далее фреон, уже будучи жидкостью, перетекает в фильтр, где очищается от случайного мусора, который может попасть в капилляр и, закупорив его, вывести систему охлаждения из строя. По капилляру жидкий фреон попадает в испаритель, где под действием передаваемого от испарителя тепла начинает кипеть, активно поглощая получаемую от процессора тепловую энергию, и по всасывающей трубке попадает обратно в компрессор и цикл повторяется.

Рисунок 1.3 - Криогенное охлаждение

Не распространена в силу своей дороговизны и необходимости пополнения фреона, так как он со временем улетучивается и его приходится добавлять с систему охлаждения. Также эффективна при разгоне, так как способна создавать минусовые температуры.

Нитрогенное охлаждение. Вся система охлаждения состоит из средних размеров емкости с залитым туда жидким азотом. Ничего и никуда не надо не подводить, не отводить. При нагревании процессором жидкий азот испаряется, и, достигая «потолка» емкости, становится жидким и вновь попадает на дно и снова испаряется. Нитрогенное охлаждение, также как и фреонное, способно обеспечить минусовую температуру (приблизительно -196оС). Неудобство в том, что жидкий азот, также, как и фреон, имеет способность выкипать, и приходится добавлять его в немалых количествах. Кроме того, азотное охлаждение весьма дорого.

Рисунок 1.4 - Нитрогенное охлаждение

Принцип действие элемента Пельтье основан на работе полупроводников p- и n-типа.

Еще одно устройство охлаждения, состоящее из двух полупроводниковых пластин. При пропускании через них электрического тока одна пластина начинает морозить, а другая, наоборот, излучать тепло. Причем температурный промежуток между температурами двух пластин всегда одинаков. Используется элемент Пельтье следующим образом: "морозящая" сторона крепиться на процессор.

Рисунок 1.5 - Элемент Пельтье

Опасность его использования связана с тем, что при неправильной установке элемента есть вероятность образования конденсата, что повлечет за собой выход оборудования из строя. Так что при использовании элемента Пельтье следует быть чрезвычайно аккуратным.

1.2 Охлаждение процессоров и видеокарт

Центральный процессор и графический процессор -- самые мощные источники тепла внутри современного компьютера. Разработано множество различных конструкций систем охлаждения для этих компонент, разнообразие конструкторских решений поражает воображение.

Как правило, существенным ограничивающим фактором при выборе кулера для процессора и видеокарты, является стоимость: высокоэффективные и тихие системы охлаждения весьма недёшевы. Из сказанного в разделе о принципах охлаждения (раздел 1.1) следует, что лучше использовать системы охлаждения с максимально большими радиаторами, желательно медными. В силу дороговизны меди, часто применяют комбинированную схему: медный сердечник, впрессованный в алюминиевый радиатор; медь помогает более эффективно распределять тепло. Лучше использовать низкоскоростные вентиляторы системы охлаждения: они работают тише. Чтобы сохранить приемлемую производительность, применяют вентиляторы большого типоразмера (вплоть до х120 мм). Так, например, выглядит процессорный кулер Zalman CNPS7700-AlCu.

Часто для построения большого радиатора используют тепловые трубки -- герметично запаянные и специальным образом устроенные металлические трубки (обычно медные). Они очень эффективно переносят тепло от одного своего конца к другому: таким образом, даже самые дальние рёбра большого радиатора эффективно работают в охлаждении. Так, например, устроен популярный кулер Scythe Ninja

Для охлаждения современных производительных графических процессоров применяют те же методы: большие радиаторы, медные сердечники систем охлаждения или полностью медные радиаторы, тепловые трубки для переноса тепла к дополнительным радиаторам.

Рекомендации по выбору здесь такие же: использовать медленные и крупноразмерные вентиляторы, максимально большие радиаторы. Так, например, выглядят популярные системы охлаждения видеокарт Zalman VF700 и Zalman VF900.

Обычно вентиляторы систем охлаждения видеокарт лишь перемешивали воздух внутри системного блока, что не очень эффективно, с точки зрения охлаждения всего компьютера.

Лишь совсем недавно для охлаждения видеокарт стали применять системы охлаждения, которые выносят горячий воздух за пределы корпуса: первыми стали Arctic Cooling Silencer и, схожая конструкция, IceQ от бренда HIS.

Подобные системы охлаждения устанавливаются на самые мощные современные видеокарты (nVidia GeForce 8800, ATI x1800XT и старше). Такая конструкция зачастую более оправдана, с точки зрения правильной организации воздушных потоков внутри корпуса компьютера, чем традиционные схемы.

1.3 Охлаждение жесткого диска

Как и любая другая составляющая компьютера, жесткий диск имеет свойство нагреваться во время работы. И хотя вопрос охлаждения данного компонента не является особо острым, однако при сильном перегреве срок службы накопителя значительно сокращается. Кроме того, многие пользователи сталкиваются с проблемой шума и вибрации HDD. И если для организации охлаждения процессора и видеокарты с минимальным уровнем шума на рынке присутствует огромный выбор соответствующих кулеров, то список систем охлаждения подобного класса для жестких дисков отсутствует.

Типичный кулер для охлаждения HDD - это пластина с вентилятором (или двумя), которая прикручивается снизу диска. Такие кулера самые дешевые и самые эффективные. Конечно, шум от дополнительных вентиляторов в системном блоке увеличивается.

Для борьбы с вышеназванной проблемой, а также для дополнительного охлаждения винчестеров компания Scythe выпускает две модели СО - Himuro и Quite Drive. По праву можно сказать, что данные устройства выделяются на фоне подобных систем. Конструкция их схожа - корпус-радиатор, внутрь которого устанавливается накопитель. Корпус гасит вибрацию и шум, и по сочетанию этих характеристик данные модели являются, возможно, самыми удачными на рынке. И если Quite Drive уже успел завоевать признание потребителей, то Himuro относительно новая модель.

Если провести замер нагрева при напряженной работе, то у современного HDD температура может достигнуть 50-60 градусов Цельсия. Для электрической части это, конечно, не очень страшно, хотя срок ее службы тоже уменьшается - современные микросхемы имеют четкий температурный режим. Да и изготовителю приходится во время проектирования думать об отводе тепла от элементов (особенно от драйвера двигателя). Но вот пластины, находящиеся в гермоблоке, к повышенной температуре очень чувствительны. Выражается это в прямой зависимости количества часов наработки на отказ от режима эксплуатации. Если режимы эти не соответствуют номинальным, то срок службы может уменьшиться в несколько раз. Мы рискуем потерять не только устройство, но и данные, хранящиеся на нем. Причем повышенная температура приводит к появлению "плохих" секторов на пластинах, и восстановление информации в таких случаях может стать невозможным.

Самое главное - оптимальная температура работы жесткого диска. Посмотрев на таблицу 1.1, сразу станет все понятно.

Таблица 1.1 - Работа жесткого диска в зависимости от температуры

1.4 Охлаждение системного блока

Современные стандарты по конструированию корпусов компьютеров среди прочего регламентируют и способ построения системы охлаждения. Начиная ещё с систем на базе Intel Pentium II, выпуск которых был начат в 1997 году, внедряется технология охлаждения компьютера сквозным воздушным потоком, направленным от передней стенки корпуса к задней (дополнительно воздух для охлаждения всасывается через левую стенку) (Рисунок 1.11).

Рисунок 1.11 - Направление воздушных потоков в корпусе компьютера

Как минимум один вентилятор установлен в блоке питания компьютера (многие современные модели имеют два вентилятора, что позволяет существенно снизить скорость вращения каждого из них, а, значит, и шум при работе). В любом месте внутри корпуса компьютера можно устанавливать дополнительные вентиляторы для усиления потоков воздуха. Обязательно нужно следовать правилу: на передней и левой боковой стенке воздух нагнетается внутрь корпуса, на задней стенке горячий воздух выбрасывается наружу. Также нужно проконтролировать, чтобы поток горячего воздуха от задней стенки компьютера не попадал напрямик в воздухозабор на левой стенке компьютера (такое случается при определённых положениях системного блока относительно стен комнаты и мебели). Какие вентиляторы устанавливать, зависит в первую очередь от наличия соответствующих креплений в стенках корпуса. Шум вентилятора главным образом определяется скоростью его вращения, поэтому рекомендуется использовать медленные (тихие) модели вентиляторов. При равных установочных размерах и скорости вращения, вентиляторы на задней стенке корпуса субъективно шумят несколько меньше передних: во-первых, они находятся дальше от пользователя, во-вторых, сзади корпуса расположены почти прозрачные решётки, в то время как спереди -- различные декоративные элементы. Часто шум создаётся вследствие огибания элементов передней панели воздушным потоком: если переносимый объём воздушного потока превышает некий предел, на передней панели корпуса компьютера образуются вихревые турбулентные потоки, которые создают характерный шум (он напоминает шипение пылесоса, но гораздо тише).

2. Регулировка охлаждения компьютерных систем

2.1 Воздушное охлаждение компьютерных систем

Для переноса воздуха в системах охлаждения используют вентиляторы.

2.1.1 Устройство вентилятора

Вентилятор состоит из корпуса (обычно в виде рамки), электродвигателя и крыльчатки, закреплённой при помощи подшипников на одной оси с двигателем (Рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 - Вентилятор (в разобранном виде)

От типа установленных подшипников зависит надёжность вентилятора. Производители заявляют такое типичное время наработки на отказ (количество лет получено из расчёта круглосуточной работы) (Таблица 2.1).

С учётом морального старения компьютерной техники (для домашнего и офисного применения это 2-3 года), вентиляторы с шарикоподшипниками можно считать «вечными»: срок их работы не меньше типового срока работы компьютера. Для более серьёзных применений, где компьютер должен работать круглосуточно много лет, стоит подобрать более надёжные вентиляторы.

Таблица 2.1 - Зависимость работы вентилятора от марки подшипника

Многие сталкивались со старыми вентиляторами, в которых подшипники скольжения выработали свой ресурс: вал крыльчатки дребезжит и вибрирует при работе, издавая характерный рычащий звук. В принципе, такой подшипник можно отремонтировать, смазав его твёрдой смазкой, -- но многие ли согласятся ремонтировать вентилятор, цена которому всего пара долларов?

2.1.2 Характеристики вентиляторов

Вентиляторы различаются по своему размеру и толщине: обычно в компьютерах встречаются типоразмеры 40?40?10 мм, для охлаждения видеокарт и карманов для жёстких дисков, а также 80?80?25, 92?92?25, 120?120?25 мм для охлаждения корпуса. Также вентиляторы различаются типом и конструкцией устанавливаемых электродвигателей: они потребляют различный ток и обеспечивают разную скорость вращения крыльчатки. От размеров вентилятора и скорости вращения лопастей крыльчатки зависит производительность: создаваемое статическое давление и максимальный объём переносимого воздуха.

Объём переносимого вентилятором воздуха (расход) измеряется в кубометрах в минуту или кубических футах в минуту. Производительность вентилятора, указанная в характеристиках, измеряется при нулевом давлении: вентилятор работает в открытом пространстве. Внутри корпуса компьютера вентилятор дует в системный блок определенного размера, потому он создаёт в обслуживаемом объёме избыточное давление. Естественно, что объёмная производительность будет приблизительно обратно пропорциональна создаваемому давлению. Конкретный вид расходной характеристики зависит от формы использованной крыльчатки и других параметров конкретной модели. Например, соответствующий график для вентилятора GlacialTech SilentBlade GT80252BDL (Рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 - Производительность вентилятора SilentBlade GT80252BDL

Общий вид вентилятора SilentBlade II GT80252-BDLA1приведен на рисунке 2.3, а его характеристики ниже.

Рисунок 2.3 - Общий вид вентилятора SilentBlade II GT80252-BDLA1

Характеристики вентилятора SilentBlade II GT80252-BDLA1

Вентилятор для охлаждения корпуса ПК

Низкий уровень шума

Напряжение питания 12 В

Подшипник 2 х Качения

Скорость вращения 1700 (± 10 %) об./мин.

Поток воздуха 26.3 CFM

Шум 18 дБ

Размеры 80 х 80 х 25 мм

Вес 72.5 г

Разъем питания Коннектор 3-pin + 4 -pin

Цвет Черный

Из этого следует простой вывод: чем интенсивнее работают вентиляторы в задней части корпуса компьютера, тем больше воздуха можно будет прокачать через всю систему, и тем эффективнее будет охлаждение.

Уровень шума, создаваемый вентилятором при работе, зависит от различных его характеристик. Несложно установить зависимость между производительностью и шумом вентилятора. На сайте крупного производителя популярных систем охлаждения Titan, в разделе корпусных вентиляторов мы видим: многие вентиляторы одного и того же размера комплектуются разными электродвигателями, которые рассчитаны на различную скорость вращения. Поскольку крыльчатка используется одна и та же, получаем интересующие нас данные: характеристики одного и того же вентилятора при разных скоростях вращения. Составляем таблицу для трёх самых распространённых типоразмеров: толщина 25 мм, 80?80?25 мм, 92?92?25 мм и 120?120?25 мм (Таблицы 2.2).

Таблица 2.2 - Уровень шума различных вентиляторов Titan

Жирным шрифтом выделены самые популярные типы вентиляторов.

Наклонным шрифтом выделены расчётные данные.

Посчитав коэффициент пропорциональности потока воздуха и уровня шума к оборотам, видим почти полное совпадение. Для очистки совести считаем отклонения от среднего: меньше 5%. Таким образом, мы получили три линейные зависимости, по 5 точек каждая. Гипотезу считаем подтверждённой.

Объёмная производительность вентилятора пропорциональна количеству оборотов крыльчатки, то же самое справедливо и для уровня шума.

Используя полученную гипотезу, мы можем экстраполировать полученные результаты методом наименьших квадратов (МНК): в таблице эти значения выделены наклонным шрифтом. Нужно, однако, помнить: область применения этой модели ограничена. Исследованная зависимость линейна в некотором диапазоне скоростей вращения; логично предположить, что линейный характер зависимости сохранится и в некоторой окрестности этого диапазона; но при очень больших и очень малых оборотах картина может существенно измениться.

Теперь рассмотрим линейку вентиляторов другого производителя: GlacialTech SilentBlade 80?80?25 мм, 92?92?25 мм и 120?120?25 мм. Составим аналогичную таблицу 2.3.

Таблица 2.3 - Уровень шума различных вентиляторов GlacialTech

Наклонным шрифтом выделены расчётные данные.

Общий вид вентиляторов этой серии изображен на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 - Общий вид вентиляторов GlacialTech

Как было сказано выше, при значениях скорости вращения вентилятора, существенно отличающихся от исследованных, линейная модель может быть неверна. Полученные экстраполяцией значения следует понимать как приблизительную оценку.

Обратим внимание на два обстоятельства. Во-первых, вентиляторы GlacialTech работают медленнее, во-вторых, - эффективнее. Очевидно, это результат использования крыльчатки с более сложной формой лопастей: даже при одинаковых оборотах, вентилятор GlacialTech переносит больше воздуха, чем Titan (см. графу прирост). А уровень шума при одинаковых оборотах примерно равен: пропорция соблюдается даже для вентиляторов разных производителей с различной формой крыльчатки.

Нужно понимать, что реальные шумовые характеристики вентилятора зависят от его технической конструкции, создаваемого давления, объёма прокачиваемого воздуха, от типа и формы преград на пути воздушных потоков; то есть, от типа корпуса компьютера. Поскольку корпуса используются самые разные, невозможно напрямую применять измеренные в идеальных условиях количественные характеристики вентиляторов -- их можно только сравнивать между собой для разных моделей вентиляторов.

2.1.3 Контроль и управление вентиляторами

Большинство современных материнских плат позволяет контролировать скорость вращения вентиляторов, подключённых к некоторым трёх- или четырёхконтактным разъёмам. Более того, некоторые из разъёмов поддерживают программное управление скоростью вращения подключённого вентилятора. Не все размещённые на плате разъёмы предоставляют такие возможности: например, на популярной плате Asus A8N-E есть пять разъёмов для питания вентиляторов, контроль над скоростью вращения поддерживают только три из них (CPU, CHIP, CHA1), а управление скоростью вентилятора -- только один (CPU); материнская плата Asus P5B имеет четыре разъёма, все четыре поддерживают контроль за скоростью вращения, управление скоростью вращения имеет два канала: CPU, CASE1/2 (скорость двух корпусных вентиляторов изменяется синхронно). Количество разъёмов с возможностями контроля или управления скоростью вращения зависит не от используемого чипсета или южного моста, а от конкретной модели материнской платы: модели разных производителей могут различаться в этом отношении. Часто разработчики плат намеренно лишают более дешёвые модели возможностей управления скоростью вентиляторов. Например, материнская плата для процессоров Intel Pentiun 4 Asus P4P800 SE способна регулировать обороты кулера процессора, а её удешевлённый вариант Asus P4P800-X -- нет. В таком случае можно использовать специальные устройства, которые способны управлять скоростью нескольких вентиляторов (и, обычно, предусматривают подключение целого ряда температурных датчиков) -- их появляется всё больше на современном рынке.

Контролировать значения скорости вращения вентиляторов можно при помощи BIOS Setup. Как правило, если материнская плата поддерживает изменение скорости вращения вентиляторов, здесь же в BIOS Setup можно настроить параметры алгоритма регулирования скорости. Набор параметров различен для разных материнских плат; обычно алгоритм использует показания термодатчиков, встроенных в процессор и материнскую плату. Существует ряд программ для различных ОС, которые позволяют контролировать и регулировать скорость вентиляторов, а также следить за температурой различных компонентов внутри компьютера. Производители некоторых материнских плат комплектуют свои изделия фирменными программами для Windows: Asus PC Probe, MSI CoreCenter, Abit µGuru, Gigabyte EasyTune, Foxconn SuperStep и т.д. Распространено несколько универсальных программ, среди них: Hmonitor (shareware, $20-30), MotherBoard Monitor (распространяется бесплатно, не обновляется с 2004 года). Самая популярная программа этого класса -- SpeedFan (Рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 - Программа SpeedFan

2.2 Пассивное охлаждение

Пассивными системами охлаждения принято называть такие, которые не содержат вентиляторов. Пассивным охлаждением могут довольствоваться отдельные компоненты компьютера, при условии, что их радиаторы помещены в достаточный поток воздуха, создаваемый «чужими» вентиляторами: например, микросхема чипсета часто охлаждается большим радиатором, расположенным вблизи места установки процессорного кулера. Популярны также пассивные системы охлаждения видеокарт, например, Zalman ZM80D-HP (Рисунок 2.6).

Рисунок 2.6 - Пассивное охлаждение видеокарт

Очевидно, чем больше радиаторов приходится продувать одному вентилятору, тем большее сопротивление потоку ему нужно преодолеть; таким образом, при увеличении количества радиаторов часто приходится увеличивать скорость вращения крыльчатки. Эффективнее использовать много тихоходных вентиляторов большого диаметра, а пассивные системы охлаждения предпочтительнее избегать. Несмотря на то, что выпускаются пассивные радиаторы для процессоров, видеокарты с пассивным охлаждением, даже блоки питания без вентиляторов (FSP Zen), попытка собрать компьютер совсем без вентиляторов из всех этих компонент наверняка приведёт к постоянным перегревам. Потому, что современный высокопроизводительный компьютер рассеивает слишком много тепла, чтобы охлаждаться только лишь пассивными системами. Из-за низкой теплопроводности воздуха, сложно организовать эффективное пассивное охлаждение для всего компьютера, разве что превратить в радиатор весь корпус компьютера, как это сделано в Zalman TNN 500A (Рисунок 2.7).

Возможно, полностью пассивного охлаждения будет достаточно для маломощных специализированных компьютеров (для доступа в интернет, для прослушивания музыки и просмотра видео, и т.п.)

Рисунок 2.7 - Корпус-радиатор компьютера Zalman TNN 500A

2.3 Водяное охлаждение компьютерных систем

Наиболее распространен такой подход охлаждения компьютерных систем - собирается система, нередко насчитывающая десяток вентиляторов, все с оптимизированной крыльчаткой и гидродинамическими подшипниками. Текстолит печатных плат с трудом выдерживает килограммы меди высокоэффективных радиаторов, пронизанных тепловыми трубками. Результат от всех этих модных усовершенствований падает прямо пропорционально мощности системы, так как температура внутри корпуса стремительно растет с повышением мощности, и в топовых конфигурациях прокачка воздуха через корпус все равно вызывает значительный шум. Возникает тупиковая ситуация, когда каждый компонент системы достаточно бесшумен, скажем 18-20 Дб, но собранные вместе они дают 30-35 Дб еще более неприятного, за счет различного спектра и возникающих интерференций, шума. Стоит отметить и повышенную сложность очистки от пыли подобной конструкции. Если штатную систему легко чистить раз в полгода обычным пылесосом, то все эти тонко-реберные конструкции современных кулеров очистить весьма сложно. Проблеме пыли в корпусах, производителями почему-то не уделяется достаточное внимание, лишь некоторые корпуса снабжены весьма неэффективными пылевыми фильтрами. Между тем, измельченная вентиляторами пыль не только вредит охлаждению, осаждаясь на поверхности радиаторов, но и весьма вредна для здоровья человека, так как не задерживается бронхами и очень долго выводится из легких. Некоторые источники, считают что вред от мелкой пыли сопоставим с вредом от пассивного курения. Сильно страдают от пыли накопители CD/DVD и FDD, встречался даже кардридер забитый пылью до полной невозможности работы.

Системы водяного охлаждения пользуются заслуженной популярностью. Принцип их действия основан на циркуляции теплоносителя. Нуждающиеся в охлаждении компоненты компьютера нагревают воду, а вода в свою очередь, охлаждается в радиаторе. При этом радиатор может находиться снаружи корпуса, и даже быть пассивным (Рисунок 2.8).

Рисунок 2.8 - Одна из наиболее совершенных систем водяного охлаждения

Недостатком водяного охлаждения является:

1. шум - чем выше мощность, тем выше издаваемый помпой шум.

2. не смотря ни на что, водяное охлаждение не очень распространено в силу своей дороговизны относительно воздушного охлаждения и опасности короткого замыкания в случае разгерметизации и протечки.

2.4 Охлаждение экономией

Типичный домашний или офисный компьютер в отсутствие ресурсоёмких задач загружен, как правило, всего на 10% -- любой может удостовериться в том, запустив Диспетчер задач Windows и понаблюдав за Хронологией загрузки ЦП (Центрального Процессора). Таким образом, при старом подходе около 90% процессорного времени улетало на ветер: ЦП занимался выполнением никому не нужных команд. Более новые ОС (Windows 2000 и далее) в аналогичной ситуации поступают разумнее: при помощи команды HLT (Halt, останов) процессор полностью останавливается на короткое время -- это, очевидно, позволяет снизить потребление энергии и температуру процессора при отсутствии ресурсоёмких задач.

Компьютерщики со стажем могут припомнить целый ряд программ для «программного охлаждения процессора»: будучи запущенными под управлением Windows 95/98/ME они останавливали процессор с помощью HLT, вместо повторения бессмысленных NOP, чем снижали температуру процессора в отсутствие вычислительных задач. Соответственно, использование таких программ под управлением Windows 2000 и более новых ОС лишено всякого смысла.

Современные процессоры потребляют настолько много энергии (а это значит: рассеивают её в виде тепла, то есть греются), что разработчики создали дополнительные технические по борьбе с возможным перегревом, а также средства, повышающие эффективность механизмов экономии при простое компьютера.

2.4.1 Тепловая защита процессора

Для защиты процессора от перегрева и выхода из строя, применяется так называемый thermal throttling (обычно не переводят: троттлинг). Суть этого механизма проста: если температура процессора превышает допустимую, процессор принудительно останавливается командой HLT, чтобы кристалл имел возможность остыть. В ранних реализациях этого механизма через BIOS Setup можно было настраивать, какую долю времени процессор будет простаивать (параметр CPU Throttling Duty Cycle: xx%); новые реализации «тормозят» процессор автоматически до тех пор, пока температура кристалла не опустится до допустимого уровня. Безусловно, пользователь заинтересован в том, чтобы процессор не прохлаждался (буквально!), а выполнял полезную работу -- для этого нужно использовать достаточно эффективную систему охлаждения. Проверить, не включается ли механизм тепловой защиты процессора (троттлинга) можно при помощи специальных утилит, например ThrottleWatch (Рисунок 2.9).

Рисунок 2.9 - Утилит ThrottleWatch

В данном случае процессор охлаждается неудовлетворительно: как только загрузка процессора возрастает, срабатывает механизм троттлинга.

2.4.2 Минимизация потребления энергии

Практически все современные процессоры поддерживают специальные технологии для снижения потребления энергии (и, соответственно, нагрева). Разные производители называют такие технологии по-разному, например: Enhanced Intel SpeedStep Technology (EIST), AMD Cool'n'Quiet (CnQ, C&Q) -- но работают они, по сути, одинаково. Когда компьютер простаивает, и процессор не загружен вычислительными задачами, уменьшается тактовая частота и напряжение питания процессора. И то, и другое уменьшает потребление процессором электроэнергии, что, в свою очередь, сокращает тепловыделение. Как только загрузка процессора увеличивается, автоматически восстанавливается полная скорость процессора: работа такой схемы энергосбережения полностью прозрачна для пользователя и запускаемых программ. Для включения такой системы нужно:

- включить использование поддерживаемой технологии в BIOS Setup;

- установить в используемой ОС соответствующие драйверы (обычно это драйвер процессора);

- в Панели управления Windows (Control Panel), в разделе Электропитание (Power Management), на закладке Схемы управления питанием (Power Schemes) выбрать в списке схему Диспетчер энергосбережения (Minimal Power Management).

Проверить, что частота процессора изменяется, можно при помощи любой программы, отображающей тактовую частоту процессора: от специализированных типа CPU-Z, вплоть до Панели управления Windows (Control Panel), раздел Система (System) (Рисунок 2.10).

Рисунок 2.10 - Панели управления Windows

AMD Cool'n'Quiet в действии: текущая частота процессора (994 МГц) меньше номинальной (1,8 ГГц).

Часто производители материнских плат дополнительно комплектуют свои изделия наглядными программами, наглядно демонстрирующими работу механизма изменения частоты и напряжения процессора, например, Asus Cool&Quiet (Рисунок 2.11).

Рисунок 2.11 - Панель Asus Cool&Quiet

Частота процессора изменяется от максимальной (при наличии вычислительной нагрузки), до некоторой минимальной (при отсутствии загрузки ЦП).

2.4.3 Утилита RMClock

Во время разработки набора программ для комплексного тестирования процессоров CPU RightMark, была создана утилита RMClock (RightMark CPU Clock/Power Utility): она предназначена для наблюдения, настройки и управления энергосберегающими возможностями современных процессоров. Утилита поддерживает все современные процессоры и самые разные системы управления потреблением энергии (частотой, напряжением…) Программа позволяет наблюдать за возникновением троттлинга, за изменением частоты и напряжения питания процессора. Используя RMClock, можно настраивать и использовать всё, что позволяют стандартные средства: BIOS Setup, управление энергопотреблением со стороны ОС при помощи драйвера процессора. Но возможности этой утилиты гораздо шире: с её помощью можно настраивать целый ряд параметров, которые не доступны для настройки стандартным образом. Особенно это важно при использовании разогнанных систем, когда процессор работает быстрее штатной частоты.

RightMark CPU Clock Utility (RMClock) - небольшая утилита, осуществляющая мониторинг тактовой частоты, троттлинга, загрузки процессора, напряжения и температуры процессорного ядра в реальном времени. Она также способна управлять уровнем производительности и потребляемой мощности процессоров, поддерживающих функции управления энергопотреблением. В режиме автоматического управления она постоянно отслеживает уровень загрузки процессора и автоматически изменяет его тактовую частоту, напряжение процессорного ядра и/или уровень троттлинга в соответствии с концепцией "производительность по требованию".

Рисунок 2.12 - Утилита RightMark CPU Clock Utility (RMClock)

2.4.4 Авторазгон видеокарты

Подобный метод используют и разработчики видеокарт: полная мощность графического процессора нужна только в 3D-режиме, а с рабочим столом в 2D-режиме современный графический чип справится и при пониженной частоте. Многие современные видеокарты настроены так, чтобы графический чип обслуживал рабочий стол (2D-режим) с пониженной частотой, энергопотреблением и тепловыделением; соответственно, вентилятор охлаждения крутится медленнее и шумит меньше. Видеокарта начинает работать на полную мощность только при запуске 3D-приложений, например, компьютерных игр. Аналогичную логику можно реализовать программно, при помощи различных утилит по тонкой настройке и разгону видеокарт. Для примера, так выглядят настройки автоматического разгона в программе ATI Tray Tools для видеокарты HIS X800GTO IceQ II (Рисунок 2.13).

Рисунок 2.13 - ATI Tray Tools для видеокарты HIS X800GTO IceQ II

Создана Ray Adams новая утилита ATI Tray Tools (Рисунок 2.14).

Рисунок 2.14 - Новая утилита ATI Tray Tools

2.5 Перспективы развития систем охлаждения

Исторически так сложилось, что блоки питания обделены бесшумными системами охлаждения. Во многом это обусловлено тем, что они рассеивают 15-25% потребляемой компьютером энергии. Вся эта мощность выделяется на разных, активных и пассивных компонентах блока питания. Греются силовые диоды и ключи инверторов, трансформаторы и дроссели... Традиционная схема компоновки блока питания требует переосмысления с переходом на внешнее охлаждение. Блоки питания с возможностью подключения к водяной системе охлаждения производит только одна компания.

Начинается производство компьютерных систем с водяным охлаждением, используются двухконтурные, трехконтурные и для экстра компьютерных сетей многоконтурные системы охлаждения.

Для проверки эффективности системы охлаждения, использовались две конфигурации программного обеспечения.

Idle -- загружен рабочий стол операционной системы Windows Vista Ultimate x64 SP1.

3D -- выполняется тестовый пакет Futuremark 3Dmark Vantage.

В обоих режимах использовалась штатная система водяного охлаждения Koolance, без подключения к холодной воде.

Idle Water и 3D Water -- в теплообменник внешнего контура подавалась холодная вода температурой около 17 градусов, вентиляторы штатной системы охлаждения не работали.

Idle Air и 3D Air -- использовалась штатная, однослотовая, система охлаждения видеокарты ATI Radeon HD 3870 и процессорный кулер Neon 775 производства GIGABYTE.

Теплоносителем в первых четырех тестах является вода внутреннего контура охлаждения, а в двух последних тестах -- воздух внутри системного блока. Для получения стабильных результатов, все тесты выполнялись в течении часа, а показания о максимальной температуре снимались с помощью программы HWMonitor.

Исследования показали, что охлаждение водой значительно эффективнее, чем охлаждение воздухом. В частности, в системе охлаждаемой воздухом, во время простоя, зафиксированы параметры нагрева аналогичные нагруженной системы охлаждаемой водой! Система, охлаждаемая во время работы 3D теста воздухом, достаточно быстро прогрела воздух внутри системного блока до температуры выше 45 градусов. Неудивительно, что температура процессоров приблизилась к 80 градусам, а вентиляторы зашумели на полную мощность.

При оценке экономического эффекта выяснилось, что цена переоборудования компьютера на водяное охлаждение возросла всего лишь на 1200 грн., а эффективность возросла на 100%.

С целью экономии воды, возможно изготовление трехконтурной системы охлаждения, в которой теплообменник крепится непосредственно на трубу магистрали холодной воды, и жидкость этой, промежуточной системы, прокачивается отдельной помпой. Весьма интересна возможность расположить между первым и вторым контуром полупроводниковый холодильник на эффекте Пельтье.

Применение подобных, прогрессивных решений, позволяет достигнуть рекордной производительности при полном отсутствии шума.

3. Технико-экономическое обоснование объекта исследования

3.1 Анализ различных видов охлаждения

Исследуем технико-экономические характеристики рассмотренных выше видов охлаждения (Таблица 3.1).

Таблица 3.1 - Технико-экономические характеристики различных видов охлаждения