Охлаждение для мощности

Одной из основных проблем современной техники на сегодняшний день остается нагрев электронных элементов. С каждым годом инженеры совершенствуют системы охлаждения и снижают тепловыделение, совершенствуя как конструкцию процессоров, так и их работу, но списывать со счетов этот побочный эффект ещё рано. Совместно с HP мы решили разобраться в том, как устроены системы охлаждения, а также узнали о технологии OMEN Tempest, которая применяется в модели ноутбуков OMEN 15 с 2020 года.

Для начала разберемся, откуда же берется выделяемое в электронике тепло? Основными источниками тепла в компьютерных системах являются процессоры: центральный и графический. Именно они являются основными потребителями электрической энергии и, как следствие, основными источниками побочного тепла. Как известно из школьного курса физики, тепловая энергия появляется из-за хаотического движения атомов и молекул. Так, электроны, двигаясь по проводнику, сталкиваются с его атомами и молекулами и кинетическая энергия тока электронов преобразуется в тепловую энергию, выделяющуюся в окружающую среду.

Любой процессор состоит из миллиардов транзисторов, замыкающихся и размыкающихся миллиарды раз в секунду. Скорость работы транзисторов напрямую связана с тактовой частотой работы процессора, а значит чем выше частота, тем больше процессор выделит тепловой энергии. Кроме того, количество энергии связано с физическими размерами транзисторов, поэтому уменьшая техпроцесс изготовления процессоров уменьшается и линейный размер транзисторов, а значит снижается их нагрев.

Температура процессора — очень важный параметр, за которым нужно следить, ведь чем выше температура полупроводника — тем ниже его сопротивление, чем ниже сопротивление — тем больший ток протекает, а вслед за током растет выделение тепловой энергии и, при достижении определенной температуры, происходит разрушение полупроводника и выход процессора из строя.

Для борьбы с излишним нагревом инженерами сегодня используется два основных приема: снижение производительности путем понижения частот и разработка эффективных средств охлаждения. Так как снижение производительности для геймера неприемлемо, то первый вариант в статье рассматривать не будем и сразу перейдём ко второму.

Чтобы тепловая энергия переместилась от кристалла процессора до пространства за пределами корпуса компьютера или ноутбука, ей нужно проделать следующий путь: тепло с кристалла снимается металлической крышкой процессора, затем с крышки процессора тепло передается контактной площадке радиатора, с которой, в зависимости от конструкции системы охлаждения, разными способами передается на пластины радиатора, после чего рассеивается потоком воздуха.

Разумеется, каждый "рубеж" на пути тепла порождает дополнительные потери в эффективности теплоотвода. Если в теплопроводности металлов сомневаться не приходится, то воздух, находящийся в шероховатостях между соприкасающимися металлическими поверхностями, препятствует эффективной передаче тепла. В основном это заметно при контакте крышки процессора с основанием радиатора. Снизить эти потери помогает термопаста: она заполняет микроскопические шероховатости и улучшает теплопроводность.

Некоторые энтузиасты демонтируют крышку центрального процессора и заменяют штатную термопасту между кристаллом и крышкой на более эффективную, что также улучшает эффективность теплоотвода.

Какие системы охлаждения существуют?

Система охлаждения, ставшая уже классической для большинства компьютеров, состоит из металлического радиатора и вентилятора, обеспечивающего рассеивание тепла от радиатора. Выбор материала для изготовления радиатора обуславливается двумя параметрами: его показателем теплоотвода и его стоимостью.

Самым подходящим по этим двум параметрам металлом оказался алюминий, большинство систем охлаждения бюджетного уровня изготовлены именно из этого металла. Такая конструкция способна эффективно рассеивать тепловую энергию в пределах 65-75 Ватт, широко применяется при сборке систем для мультимедийных и офисных задач, но не подходит для производительных систем.

Более эффективной и наиболее популярной в игровых системах является конструкция с использованием медных тепловых трубок, заполненных теплоносителем. Сама по себе медь обладает лучшей теплопроводностью, чем алюминий. Теплоноситель внутри трубки, нагреваясь на горячем конце испаряется, поглощая тепловую энергию, охлаждается на холодном конце, конденсируется и возвращается к горячему концу, повторяя цикл переноса тепловой энергии. На конце трубки расположен алюминиевый радиатор, тепло от которого рассеивается одним или несколькими вентиляторами. Эффективность такой системы зависит от количества теплотрубок, физических размеров радиатора и вентиляторов, и способна рассеять 130-150 Ватт тепловой энергии. При этом, в отличии от бюджетных решений, особое внимание уделяется направлению движения воздушного потока — вентиляторы располагаются таким образом, чтобы обеспечить непрерывный приток воздуха извне и направленный вывод нагретого воздуха за пределы корпуса.

Системы воздушного охлаждения ограничены габаритам пространства вокруг охлаждаемого ими элемента, и хотя 150 Ватт достаточно для охлаждения большинства игровых систем — предела совершенству нет. Энтузиасты, эксплуатирующие центральные процессоры и видеокарты в нештатных режимах, да и просто пользователи, желающие иметь "запас прочности" используют системы жидкостного охлаждения. Принцип работы схож с предыдущей, рассмотренной нами системой: используется жидкий теплоноситель, циркулирующий от "горячего" элемента к радиатору, тепловая энергия с которого рассеивается потоком воздуха.

Эффективность такой системы обусловлена тем, что количество теплоносителя значительно больше и есть возможность заставить теплоноситель двигаться принудительно, при помощи компрессора. Дополнительным плюсом является отсутствие ограничений в размерах радиатора такой системы охлаждения. Контактные площадки систем жидкостного охлаждения монтируются не только взамен кулеров центрального процессора, но и взамен штатных систем охлаждения видеокарт. Кроме того, возможность использования прозрачных трубок для теплоносителя и подкрашивать жидкость породили отдельный вид искусства из построения систем жидкостного охлаждения.

Все перечисленные виды систем охлаждения легко могут быть применены в настольном компьютере, однако что касается ноутбуков — здесь перед инженерами возникает ряд особенностей, которые нужно учитывать при разработке системы охлаждения: важно сохранить компактный размер ноутбука, минимальный вес, но при этом не потерять производительность системы. В первую очередь важно устранить лишние потери эффективности теплоотвода, именно поэтому процессоры в современных ноутбуках лишены металлической крышки: контактная площадка системы охлаждения контактирует непосредственно с кристаллом процессора. Также улучшить эффективность системы охлаждения позволяет полировка контактных площадок — таким образом достигается лучший контакт и эффективный теплообмен между кристаллом и системой охлаждения.

Отдельное внимание уделяется конструкции тепловых трубок — для компактного размещения в ограниченном пространстве корпуса ноутбука их "сплющивают", при этом сохраняя эффективную теплопроводность. Важно и количество трубок — в бюджетных моделях зачастую можно встретить одну тепловую трубку, отводящую тепло и от центрального процессора и от графического процессора одновременно. Такое решение приводит к тому, что один из процессоров может недостаточно охлаждаться. Для эффективного охлаждения применяют 2 и более тепловых трубок, при этом отдельно как для центрального процессора, так и для графического. Внимание уделяется и геометрическим параметрам трубок — большая длина и лишние изгибы снижают эффективность охлаждения. Ко всему прочему все перечисленные особенности построения системы охлаждения ноутбука должны быть рассчитаны с учетом продолжительной нагрузки — ноутбук не должен перегреваться и снижать производительность системы даже после нескольких часов работы.

Важно повышать эффективность всех компонентов, поэтому инженерами компании OMEN были учтены все важные моменты при разработке новых ноутбуков OMEN 15 (2020), оснащенных инновационной системой охлаждения OMEN Tempest. Ноутбук поддерживает оптимальную температуру, не допуская перегрева даже при высокой нагрузке, благодаря отверстиям с трех сторон для обеспечения потока воздуха в пяти направлениях и кулерам на 12 Ватт и оснащенному трехфазным мотором и гидродинамическими подшипниками.

Жидкометаллический термокомпаунд Thermal Grizzly Conductonaut обеспечивает эффективный теплоотвод за счет того, что его теплопередача в 10 раз выше, чем у силиконовой термопасты, что положительно сказывается на общей эффективности. А инфракрасный температурный датчик позволяет в реальном времени оптимизировать систему для максимальной производительности. И всё это уместилось в тонкий корпус, толщиной 22 мм и весом до 2.5 кг.

Cовет от мастера:

Любой компьютер важно своевременно обслуживать. Многие производители компьютерных корпусов для уменьшения количества попадающей пыли внутрь компьютера оснащают корпусы съемными фильтрами. Тем не менее раз в год, независимо от нагрузки, любой настольный компьютер или ноутбук требует более глубокой профилактики с заменой термопасты и ревизией термопрокладок, независимо от того, начал ли компьютер "лагать" или нет.

Например, высыхая, термопаста теряет свои свойства, и хотя за год она не высохнет, но, как минимум, вырастет вязкость, а значит уменьшится её теплопроводность. Кроме того пыль внутри корпуса ноутбука может сбиваться в комок на радиаторе, блокируя выход горячего воздуха, из-за чего он циркулирует внутри корпуса, излишне нагревая электронные элементы.

Если вы никогда не проводили техобслуживание своего компьютера или ноутбука, лучше всего обратиться к специалистам или в центр поддержки. Практически всегда есть услуга по чистке и замене термопасты. Некоторые мастерские проводят мастер-классы по обслуживанию, однако важно понимать, что разбор сложных девайсов может вести к утрате гарантии.

Про HP OMEN 15 (2020)

Недавно нам предоставили на пробу модель OMEN 15, оснащенную Intel i7-10750H, 16 ГБ RAM, SSD на 512 ГБ и видеокартой NVIDIA RTX 2070 Max-Q. Действительно серьезное геймерское решение, полностью направленное на максимизацию производительности и оптимизацию охлаждения. Читайте впечатления от использования в будущем материале. Больше характеристик и доступность в магазинах смотрите на официальном сайте.

По словам специалистов из HP, использование в последних моделях OMEN новых технологий для охлаждения, не требует никакого дополнительного обслуживания или специфического внимания. Главное не размещать ноутбук на поверхности, которая может помешать циркуляции воздуха. То есть лежа на ковре запускать Cyberpunk 2077 не стоит.