«Система охлаждения процессора»

Работа содержит сведения о типах системы охлаждения процессоров их компонентах и характеристиках.

Целью работы является облегчение учащимся освоения назначения и основных принципов технического обслуживания системы охлаждения процессоров персональных компьютеров.

· В результате изучения учащиеся должны знать:

· назначение системы охлаждения процессора;

· основные типы охлаждения процессора;

· основные характеристики систем охлаждения процессора;

· устройство и техническое обслуживание системы охлаждения процессора;

В результате изучения учащиеся должны уметь:

· правильно устанавливать, удалять систему охлаждения процессора, а также проводить его техническое обслуживание.

5.1 Общие сведения

Одним из важнейших вопросов, связанных эксплуатацией персонального компьютера является соблюдение теплового режима, температурного мониторинга и термоконтроль процессора. Только при корректно функционирующем температурном мониторинге совместно с правильно разработанными и сконфигурированными механизмами термоконтроля можно обеспечить оптимальный тепловой режим и реально гарантировать надежную работу процессора.

С ростом производительности процессоров повышается и их температура. Для предотвращения перегрева процессора, а также его стабильной и долговременной работы необходимо использовать дополнительные способы его охлаждения.

Особенно данный вопрос становится актуальным при использовании современных скоростных процессоров на основе платформ Athlon XP от фирмы AMD и относительно дешевых платформ на основе Pentium 4 от фирмы Intel.

Нагрев кристалла интегральной схемы (ИС) в процессе ее функционирования - факт очевидный и неизбежный. Протекание тока в проводнике (полупроводнике) обязательно сопровождается выделением в нем тепловой мощности, и поскольку сам проводник (полупроводник) имеет конечную теплопроводность, его температура оказывается выше температуры окружающей среды. Корпус микросхемы и различные внутренние защитные/изолирующие слои, которые, как правило, обладают меньшей теплопроводностью, чем проводниковые или полупроводниковые материалы, еще более затрудняют теплоотвод от кристалла ИС, существенно увеличивая его температуру.

В принципе, очень высокие (или наоборот, экстремально низкие) температуры были бы совсем не страшны, если бы не четкая зависимость правильного и надежного функционирования транзисторов ИС и структуры их межсоединений от температурных условий. В результате рабочий температурный диапазон для "среднестатистической" ИС составляет, как правило, от -40 до 125°C. Ограничение снизу является следствием различия коэффициентов теплового расширения кремниевой подложки, изолирующих/защитных слоев, слоев металлизации и т.п. (при низких температурах возникают внутренние механические напряжения - термомеханический стресс, что оказывает влияние на электрофизические свойства ИС и может привести даже к физическому разрушению кристалла). Ограничение сверху обусловлено ухудшением частотных и электрических свойств транзисторов (уменьшение тока, понижение порогового напряжения и т.п.). Для современных процессоров (в частности, Athlon XP и Pentium 4), отличающихся гораздо более тонкой микроструктурой и более комплексными корпусами, диапазон рабочих температур оказывается еще строже - от 0 до 100°C.

При работе компьютера температура нагрева процессора может составлять до 90-95°C с очень слабой системой охлаждения, что укладывается в рассмотренный выше диапазон работы процессоров. Однако нормальная работоспособность процессора при высоких температурах не желательна, т.к. в металло-кремниевом процессоре компьютера имеют место не только чисто электрические явления, но и огромное количество электрохимических процессов и реакций, которые являются термоактивационными (их скорость исключительно сильно зависит от температуры). С течением времени они могут не только затруднить корректное функционирование процессора, но и даже привести к его полному отказу, хотя рабочие температуры при этом могут находиться во вполне безопасных пределах, если смотреть с электрической точки зрения.

Наиболее "влиятельны" по своему вредоносному воздействию две группы таких процессов.

Первая - электрохимическое разрушение металлизации (электромиграция). Под воздействием электрического поля и повышенной температуры атомы металла срываются со своих насиженных мест и мигрируют в прилегающие области. С течением времени толщина проводника может значительно уменьшиться (с резким увеличением активного сопротивления на этом участке), так что даже при относительно малом токе в условиях локального перегрева вполне вероятен обрыв (выгорание) участка дорожки и последующий за ним выход из строя группы транзисторов, функционального узла и всего процессора в целом. Несмотря на то, что 0.18-ти микрометровая технология производства процессоров Pentium 4 и Athlon XP закладывает высокую устойчивость к электромиграции и делает этот процесс практически равновесным, обеспечивая благоприятные условия для обратной диффузии, уже при температурах 75-85°C и выше равновесие нарушается.

Вторая группа явлений - деградация окисла. Технологически невозможно обеспечить идеальную чистоту пленки двуокиси кремния, используемой в качестве диэлектрика под затвором транзисторов. В ней всегда присутствуют примеси (обычно донорного типа), которые сосредотачиваются вблизи внутренней поверхности пленки (на границе раздела между диэлектриком и кремнием). Ионы примесей способствуют образованию побочных инверсных или обогащенных слоев (паразитных каналов) у поверхности полупроводника под диэлектриком, которые оказывают влияние на обратный ток p-n-переходов и величину пробивного напряжения. Под воздействием поля (в 0.18 мкм транзисторах напряженность поля достигает 10⁶ В/см) и градиентов температуры происходит дрейф и диффузия ионов в диэлектрике, что приводит к изменению свойств самого диэлектрика и существенным изменениям электропроводности и протяженности паразитных каналов в полупроводнике (следовательно - к нарушению нормального функционирования транзистора за счет значительных флуктуаций тока). Ситуация еще более усугубляется из-за немалого количества дополнительных ионов, которые мигрируют в окисел из других областей транзистора (высоколегированные исток и сток, омические контакты, поликремниевый затвор), которое происходит под воздействием высокой температуры.

По различным данным (результаты ускоренных испытаний нескольких серий зарубежных ИС), средний срок службы относительно простой в технологическом отношении ИС составляет 50-75 лет при температуре 60°C и всего лишь 1000-1500 ч при температуре 125°C. Масштабные испытания сложных ИС (процессоров) не проводились, однако некоторые полуэкспериментальные оценки их среднего срока службы оказываются гораздо не более 1000-1500 ч при температуре всего 85-90°C.

Таким образом, необходимо соблюдать корректный температурный режим процессора в допустимых пределах.

Рассмотрим наиболее распространенные на сегодняшний день платформы процессоров со стороны надежности при выходе из строя системы охлаждения.

Процессор Intel Pentium 4 обладает огромным запасом надежности, имея схему защиты от катастрофического перегрева и функцию термоконтроля Thermal Monitor. Однако для достижения оптимального соотношения между надежностью и производительностью систем на базе Pentium 4 необходимо использовать только самые эффективные средства охлаждения. В противном случае баланс между надежностью и производительностью нарушается.

Процессор AMD Athlon XP лишен встроенных средств защиты от перегрева, и подавляющее большинство систем на его основе не имеют корректно работающих механизмов термоконтроля. На данный момент системы на базе Athlon XP очень проблемны в тепловом плане и фактически ненадежны в части защиты от серьезных сбоев средств охлаждения. Тем не менее, системы с поддержкой термодиода этого процессора все-таки предоставляют некоторый минимальный уровень "тепловой" безопасности и с большущей натяжкой могут считаться надежными. Все это требует от продавцов систем на базе Athlon XP максимальной ответственности в части исполнения гарантийных обязательств по возврату/обмену отказавшей техники.

5.2 Системы охлаждения процессоров

Общепризнанным и наиболее распространенным средством охлаждения процессора являются на сегодня теплообменные аппараты (теплоотводы) принудительного воздушного охлаждения.

Теплооотводы подразделяются на пассивные (радиаторы) и активные (куллеры – вентиляторы), а также комбинированные.

5.2.1 Пассивные теплоотводы. Радиаторы

Радиатор является устройством, существенно облегчающим теплообмен процессора с окружающей средой. Площадь поверхности процессорного кристалла мала (на сегодня не превышает нескольких квадратных сантиметров) и недостаточна для эффективного отвода тепловой мощности. Благодаря своей ребристой поверхности, радиатор, установленный на процессоре, в сотни и даже тысячи раз увеличивает площадь его теплового контакта с окружающей средой, способствуя тем самым усилению интенсивности теплообмена и снижению рабочей температуры.

Фундаментальной технической характеристикой радиатора является термическое сопротивление относительно поверхности процессорного кристалла — величина, позволяющая оценить его эффективность в качестве охлаждающего устройства.

Термическое сопротивление выражается соотношением:

R_t = (T_c — T_a)/P_h,

где:

R_t — термическое сопротивление радиатора,

T_c — температура поверхности процессорного кристалла,

T_a — температура окружающей среды,

P_h — тепловая мощность, рассеиваемая процессором.

Термическое сопротивление измеряется в °С/Вт. Оно показывает, насколько увеличится температура процессорного кристалла относительно температуры в компьютерном корпусе при отводе определенной тепловой мощности через данный конкретный радиатор, установленный на процессоре.

Для примера возьмем платформу VIA Eden. Термическое сопротивление процессорного радиатора составляет здесь 6°С/Вт, тепловая мощность процессора равняется 3 Вт, а температура внутри системного блока лежит в пределах 50°C. Перемножив значения термического сопротивления радиатора и тепловой мощности процессора, мы получим 18°C. Это значит, что температура поверхности процессорного кристалла будет превышать температуру в системном блоке на 18°C и будет держаться соответственно на уровне 68°C, что соответствует нормативам на процессоры.

Рассмотрим другой пример. Если мы будем использовать радиатор от VIA Eden ESP, но уже с процессором AMD Athlon XP, тепловая мощность которого составляет порядка 40-60 Вт, то температура процессора достигнет 300°C и более, что привет к его «перегоранию». В данном случае при такой тепловой мощности нужен радиатор с гораздо меньшим термическим сопротивлением, чтобы он смог удержать температуру процессора в пределах безопасных 75-90°C.

Таким образом, зная величину термического сопротивления, мы сможем легко оценить целесообразность применения того или иного радиатора в наших конкретных эксплуатационных условиях.

На практике термическое сопротивление (суть тепловая эффективность) радиатора во многом зависит не только от площади ребристой поверхности, но и от его конструктивных особенностей и технологии изготовления. В настоящее время на рынке представлены пять радиаторов, задействованных в массовом производстве.

· «Экструзионные» (прессованные) радиаторы (рисунок 5.1). Наиболее дешевые, общепризнанные и самые распространенные на рынке, основной материал, используемый в их производстве — алюминий. Такие радиаторы изготавливаются методом экструзии (прессования), который позволяет получить достаточно сложный профиль ребристой поверхности и достичь хороших теплоотводящих свойств.

Рисунок 5.1 Экструзионный радиатор

· «Складчатые» радиаторы (рисунок 5.2). Отличаются довольно интересным технологическим исполнением: на базовой пластине радиатора пайкой (или с помощью адгезионных теплопроводящих паст) закрепляется тонкая металлическая лента, свернутая в гармошку, складки которой играют роль своеобразной ребристой поверхности. Основные материалы — алюминий и медь. По сравнению с экструзионными радиаторами, данная технология позволяет получать изделия более компактных размеров, но с такой же тепловой эффективностью (или даже лучшей).

Рисунок 5.2 «Складчатый» радиатор

· «Кованые» (холоднодеформированные) радиаторы (рисунок 5.3). Для их изготовления используется технология холодного прессования, которая позволяет изготавливать поверхность радиатора не только в форме стандартных прямоугольных ребер, но и в виде стрежней произвольного сечения. Основной материал — алюминий, но зачастую в основание (подошву) радиатора дополнительно интегрируют медные пластины (для улучшения его теплоотводящих свойств). Технология холодного прессования характеризуется относительно малой производительностью, поэтому «кованые» радиаторы, как правило, дороже «экструзионных» и «складчатых», но не всегда лучше в плане тепловой эффективности.

Рисунок 5.3 Кованные радиаторы

· «Составные» радиаторы (рисунок 5.4). Во многом повторяют методику «складчатых» радиаторов, но обладают вместе с тем весьма существенным отличием: здесь ребристая поверхность формируется уже не лентой-гармошкой, а раздельными тонкими пластинами, закрепленными на подошве радиатора пайкой или стыковой сваркой. Основной используемый материал — медь. Как правило, «составные» радиаторы характеризуются более высокой тепловой эффективностью, чем «экструзионные» и «складчатые», но это наблюдается только при условии жесткого контроля качества производственных процессов.

Рисунок 5.4 Составной радиатор

· «Точеные» радиаторы (рисунок 5.5). На сегодня это самые продвинутые и наиболее дорогие изделия. Они производятся прецизионной механической обработкой монолитных заготовок (обрабатываются на специализированных высокоточных станках с ЧПУ) и отличаются наилучшей тепловой эффективностью. Основные материалы — алюминий и медь. «Точеным» радиаторам вполне по силам вытеснить с рынка все остальные типы радиаторов, если себестоимость такой технологии будет снижена.

Рисунок 5.5 Точечный радиатор

5.2.2 Активные теплоотводы. Куллеры

На сегодня даже самые современные радиаторы не справляются задачей охлаждения процессора: в условиях естественной конвекции воздуха, т.е. когда скорость движения воздушных масс мала, «штатной» тепловой эффективности радиаторов оказывается недостаточно для поддержания приемлемой рабочей температуры процессора. Кардинально уменьшить термическое сопротивление радиатора можно только одним способом — создать условия вынужденной конвекции теплоносителя, т.е. воздуха. Для этих целей практически каждый процессорный радиатор оборудуется вентилятором, который продувает его внутреннее межреберное пространство (рисунок 5.6).

На сегодня в процессорных куллерах находят применение в основном осевые (аксиальные) вентиляторы, формирующие воздушный поток в направлении, параллельном оси вращения пропеллера (крыльчатки).

Рисунок 5.6 Вентилятор

«Ходовая» часть вентилятора может быть построена на подшипнике скольжения (sleeve bearing, – наиболее дешевая и недолговечная конструкция), на комбинированном подшипнике (one sleeve one ball bearing – один подшипник скольжения плюс один подшипник качения, – наиболее распространенная конструкция), и на двух подшипниках качения (two ball bearings, самая дорогая, но в то же время очень надежная и долговечная конструкция). Электрическая часть вентилятора представляет собой миниатюрный электродвигатель постоянного тока.

Фундаментальной характеристикой любого вентилятора является его производительность — величина, показывающая объемную скорость воздушного потока. Выражается она в кубических футах в минуту (cubic feet per minute, CFM). Чем больше производительность вентилятора, тем он более эффективно продувает радиатор, уменьшая термическое сопротивление последнего. Типичные значения расхода — от 10 до 80 CFM.

Второй очень важной характеристикой вентилятора является скорость вращения крыльчатки (выражается в об/мин). Чем быстрее вращается крыльчатка, тем выше производительность вентилятора. Типичные значения скорости — от 1500 до 7000 об/мин.

Еще одна важная характеристика вентилятора — это его типоразмер. Как правило, чем больше габариты вентилятора, тем выше его производительность. Наиболее распространенные типоразмеры — 60х60х15 мм, 60х60х20 мм, 60х60х25 мм, 70х70х15 мм, 80х80х25 мм.

Эксплуатационными параметрами, являются уровень шума и срок службы вентилятора.

· Уровень шума вентилятора выражается в децибелах и показывает, насколько громким он будет в субъективном восприятии. Значения уровня шума вентиляторов лежат в диапазоне от 20 до 50 дБА. Человеком воспринимаются в качестве тихих только те вентиляторы, уровень шума которых не превышает 30-35 дБА.

· Срок службы вентилятора выражается в тысячах часов и является объективным показателем его надежности и долговечности. На практике срок службы вентиляторов на подшипниках скольжения не превышает 10-15 тыс. часов, а на подшипниках качения — 40-50 тыс. часов.

Комбинированные системы охлаждения

5.2.3 Комбинированные теплоотводы

При охлаждении процессора ПК обычно используются комбинированные теплоотводы, включающие в себя как радиатор, так и вентилятор, что обеспечивает высокую эффективность охлаждения процессора (рисунок 5.7).

Рисунок 5.7 Комбинированные теплоотводы

5.3 Строение и особенности функционирования вентиляторов

Современные вентиляторы постоянного тока строятся на одно- или двухфазовых вентильных двигателях. Собственно, сами эти двигатели можно условно разделить на две основные составляющие: схему управления и индукторную машину. Индукторная машина (рисунок 5.8) представляет собой связку ротор-статор, где ротором является кольцевой постоянный магнит, а статором — четырехполюсный (гораздо реже — шестиполюсный) индуктор.

Рисунок 5.8 Индукторнаяя машина

Что же касается схемы управления (рисунок 5.9), то она реализуется производителями по-разному. Наиболее распространенный вариант основывается на использовании микросхемы-драйвера с интегрированным датчиком Холла (обычно используются микросхемы Analog Technology ATS276/277 или их клоны), которая осуществляет согласованную коммутацию фаз индуктора, позволяя последнему индуцировать вращающееся магнитное поле в пространстве статор-ротор и привести в движение ротор. Наряду с простыми схемами, в некоторых вентиляторах могут применяться гораздо более сложные и многофункциональные микросхемы-драйверы, имеющие тахометрический контроль, цепи защиты питающей сети и детектирования стопора крыльчатки (например — микросхема Sanyo LB1663). Но пока, к сожалению, подобные схемы управления не получили широкого признания среди производителей и являются скорее исключением, чем правилом.

Рисунок 5.9 Схема управления вентилятора

Посмотрим теперь механическое обустройство вентилятора, а именно – его подшипники. Как уже было отмечено, вал ротора (крыльчатки) может быть закреплен в корпусе вентилятора тремя способами:

· подшипником скольжения

· «комбинированным» подшипником (один подшипник скольжения, другой — качения)

· двумя подшипниками качения

Подшипники скольжения. В недалеком прошлом этот подшипник пользовался немалой популярностью у производителей благодаря низкой себестоимости и относительно простой технологии «приготовления» вентиляторов на его основе. Сам подшипник скольжения (рисунок 5.10) представляет собой бронзовую втулку, стальной вал ротора закрепляется в подшипнике с помощью пластикового стопорного кольца, дополнительно к этому втулка зажимается двумя резиновыми прокладками (сальниками), одетыми на вал с каждого ее торца (сальники служат в качестве препятствия вытеканию смазки из зазора вал-подшипник).

Рисунок 5.10 Вентилятор с подшипником скольжения

Недостатками использования подшипника скольжения являются:

· Первый недостаток. Так как между внутренней поверхностью подшипника и валом имеется небольшой зазор, в процессе вращения вал крыльчатки «дребезжит» внутри подшипника (иными словами, наблюдаются биения вала). В результате он оказывает сильное абразивное действие на подшипник: в поперечном сечении отверстие подшипника приобретает форму эллипса вместо окружности (наблюдается так называемая эллипсность подшипника). В итоге вал начинает вращаться неустойчиво, весьма значительно повышается уровень шума (в спектре шума вентилятора появляются резкие импульсные всплески — скрипы, стуки и т.п.), а также увеличивается потребление мощности от питающей сети, что сопровождается ощутимым нагревом вентилятора. В случае дисбаланса крыльчатки все это может привести к быстрому разрушению подшипника и выходу вентилятора из строя.

· Второй недостаток. Вытекание смазка в зазоре вал-подшипник (несмотря на сальники и прочие предосторожности. Как результат, трущаяся пара вал-подшипник начинает взаимодействовать «насухо», падает скорость вращения крыльчатки и существенно возрастает уровень шума.

· Третий недостаток. Для предотвращения эллипсности подшипника и увеличения срока службы вентилятора зазор вал-подшипник стараются сократить. Однако при недостаточной (или некачественной) смазке внутри подшипника старт двигателя затрудняется, что приводит к росту потребления тока и увеличению рассеиваемой мощности (в запущенных случаях — к стопору крыльчатки и выходу вентилятора из строя). В конечном итоге, срок службы вентилятора никак не увеличивается, а наоборот, только сокращается.

· Четвертый недостаток. Вентиляторы на подшипниках скольжения не способны надежно функционировать в условиях высокой температуры окружающей среды. Уже при температурах выше 50-60°C срок службы таких вентиляторов резко сокращается, и на практике не превышает 5 тыс. часов.

Все эти недостатки, а также невысокое качество выпускаемых изделий со стороны некоторых производителей, ставят под серьезное сомнение целесообразность применения вентиляторов на подшипниках скольжения в системах охлаждения компьютеров, где в первую очередь важна их надежность, а не солидные с виду технические характеристики. Такие вентиляторы, конечно, очень дешевы, чем обычно и привлекают покупателей.

«Комбинированный» подшипник (рисунок 5.11)– симбиоз подшипника скольжения и подшипника качения.

Рисунок 5.11 Вентилятор с комбинированным подшипником

Подшипник скольжения в такой конструкции играет лишь вспомогательную роль (выступает в качестве своеобразного шунта). Основная нагрузка ложится здесь уже на плечи шарикового подшипника. И так как трение качения меньше трения скольжения, старт двигателя облегчается, рассеваемая вентилятором мощность уменьшается. Также комбинированная конструкция менее восприимчива к весовому дисбалансу крыльчатки. Биения вала в значительной мере гасятся подшипником качения, и вероятность возникновения эллипсности втулки или ее механического разрушения сведена к минимуму (это имеет место только при условии соблюдения строгих технических норм на производстве и тщательном контроле качества готовых изделий). «Комбинированные» вентиляторы могут нормально функционировать даже в сложных эксплуатационных условиях (при высоких температурах окружающей среды и повышенной влажности воздуха).

Однако по-прежнему остается нерешенной принципиальная проблема утечки масла из зазора между валом и втулкой, которая может обернуться падением оборотов крыльчатки и повышением уровня шума, производимого вентилятором. В последнее время эту неприятность пытаются замять путем использования вязких или даже консистентных смазок. Но в некоторых изделиях это только усугубляет ситуацию: смазка все равно вытесняется из зазора, или, что еще хуже, загустевает с образованием твердых микрочастиц. Это может привести к тому, что вал просто заклинивает, и вентилятор выходит из строя.

5.1 Общие сведения

5.2 Системы охлаждения процессоров

5.3 Строение и особенности функционирования вентиляторов

5.4 Техническое обслуживание теплоотводов