Корпуса для компьютеров с тактовой частотой процессоров свыше 3 ГГц
Непрерывный рост тактовых частот и расширение функциональных возможностей компонентов персонального компьютера приводят к увеличению тепловыделения и заставляют разработчиков пересматривать тепловые решения, используемые на всех стадиях проектирования — от микросхемы до системы в целом. Основным источником тепла внутри корпуса компьютера пока остается центральный процессор. В таблице показаны изменения тепловых характеристик процессоров Pentium 4.
Повышение рассеиваемой мощности и снижение максимальной температуры корпуса процессоров Pentium 4 с частотой ядра 3,06 ГГц обусловливает новые требования к проектированию корпусов систем, построенных на этом процессоре. Особенно это касается проектирования систем охлаждения. Так, если для всех младших моделей рекомендованная температура воздуха внутри корпуса равнялась 40, то для процессоров Pentium 4 3,06 ГГц это значение снижено до 38 °С.
В настоящее время для компонентов персонального компьютера могут применяться различные методы охлаждения: термоэлектрическое, рециркуляционное (с изменением фазового состояния теплоносителя), жидкостное (в том числе и сжиженным газом) и воздушное охлаждение. Однако из всего перечисленного широко распространено только воздушное охлаждение — благодаря его невысокой стоимости. Процесс охлаждения в этом случае состоит из двух стадий: сначала происходит передача тепла от нагретого элемента воздуху внутри корпуса, а затем нагретый воздух из корпуса удаляется. Посмотрим, как можно влиять на эти две стадии.
Согласно первому закону термодинамики количество тепла, передаваемое нагретым телом окружающему воздуху, определяется уравнением:
Q=с C V (T2-T1),
где: с — плотность воздуха; С — удельная теплоемкость воздуха; V — объем воздуха; T2-T1 — повышение температуры воздуха при его прохождении над нагретым телом.
Используя это уравнение, можно определить производительность, которой должен обладать вентилятор при известном количестве тепла и заданной разнице температур, или снижение температуры, обеспечиваемое вентилятором известной производительности при заданном количестве тепла (рис. 1).
Кроме того, интенсивность теплопередачи (тепловой поток) пропорциональна разности температур теплоносителя и охлаждаемого тела (T2-T1), коэффициенту теплопередачи k и площади поверхности теплообмена S, что выражается следующим уравнением:
q=k.S.(T2-T1).
В случае достаточно чистых поверхностей теплообмена коэффициент теплопередачи зависит в основном от скорости течения и от физических параметров теплоносителя, в данном случае — воздуха.
Из приведенных уравнений следует, что для улучшения воздушного охлаждения существуют три метода: увеличение поверхности теплообмена, увеличение объема охлаждающего воздуха и повышение разности температур.
Увеличение поверхности теплообмена и увеличение объема охлаждающего воздуха обеспечивается за счет применения радиаторов и вентиляторов. Однако в случае с центральным процессором из-за ограничений по физическим размерам, массе и шумовым характеристикам практически достигнут предел возможности такого способа. К тому же при этом тепло передается воздуху внутри корпуса, повышая его температуру и соответственно снижая эффективность охлаждения. Выход из создавшегося положения, не требующий перехода на другие системы охлаждения, может быть только один — снижение температуры воздуха внутри корпуса за счет улучшения его циркуляции.
До недавнего времени циркуляцию воздуха внутри корпуса компьютера обеспечивал только вентилятор блока питания (рис. 2). При этом воздух втягивался в корпус через вентиляционные отверстия на передней и боковой поверхностях, проходил через весь корпус и вытягивался наружу вентилятором блока питания. Разная ширина стрелок на рисунке отражает различную величину воздушного потока. По данным исследований, грамотно спроектированный блок питания способен увеличить циркуляцию воздуха почти вдвое.
Такой подход и сейчас соответствует потребностям большинства персональных компьютеров. Однако для высокопроизводительных рабочих станций и мощных игровых компьютеров этого недостаточно. Улучшение условий охлаждения в корпусах таких компьютеров достигается сейчас за счет двух факторов: изменения конструкции компонентов и изменения конструкции корпуса.
Новый подход к конструкции компонентов хорошо виден на примере современных видеокарт, являющихся вторым по мощности источником тепла внутри компьютера. Например, в видеокартах семейства Otes производства компании Abit система охлаждения GPU сконструирована так, что воздух забирается внутри корпуса, проходит через радиатор и выводится наружу. В видеокартах GeForce FX 5800 Ultra конструкторы пошли еще дальше. Воздуховод системы охлаждения GPU этой видеокарты спроектирован таким образом, что забор и выброс воздуха осуществляются снаружи. Подобные решения значительно снижают тепловую нагрузку на оставшиеся компоненты компьютера.
Существенные изменения происходят и в конструкции корпусов. Стала обычным явлением установка дополнительных вентиляторов на передней и задней стенках корпуса, первый из которых нагнетает воздух внутрь корпуса, а второй — откачивает его наружу. К этим вентиляторам добавляется вентилятор, нагнетающий холодный воздух через отверстия в боковой стенке корпуса непосредственно в зону установки процессора. При этом особое внимание уделяется подбору вентиляторов, который проводится на основе анализа совмещенного для вентиляторов и корпуса графиков зависимости полного сопротивления воздушному потоку от объема проходящего воздуха. График на рис. 3 показывает, что добавление одного вентилятора, наряду с оптимизацией расположения и конструкции вентиляционных отверстий, способно увеличить воздушный поток с 22 (точка А) до 41 (точка В) CFM (кубических футов в минуту).
Отметим, что для вентиляторов графики зависимости полного сопротивления воздушному потоку от частоты вращения и объема проходящего воздуха предоставляются производителями вентиляторов. Для корпусов производители обычно не предоставляют таких графиков, а для их получения необходим сложный набор специализированной аппаратуры.
При самостоятельной доработке корпуса следует помнить, что установка слишком мощного нагнетающего вентилятора может вызвать нарушение тепловых потоков в корпусе с образованием локальных зон перегрева, а добавление вентиляционных отверстий — привести к образованию путей с низким сопротивлением, куда будет уходить холодный воздух, и в результате вызвать снижение эффективности охлаждения.
Следующим шагом изменения конструкции корпуса может стать установка воздуховодов, широко применяющаяся в конструкции серверных корпусов. Довольно дешевые пластмассовые воздуховоды делят внутреннее пространство корпуса на зоны с различной тепловой нагрузкой, способствуют образованию стабильного воздушного потока и обеспечивают подвод холодного воздуха в наиболее горячие места.
Хорошим подтверждением важности затронутой в этой публикации проблемы может служить проводимая компанией Intel работа по аттестации современных корпусов на возможность их работы с материнскими платами, предназначенными для установки процессора Pentium 4 с частотой ядра 3,06 ГГц. С результатами аттестации можно ознакомиться на сайте компании Intel.
