CPU кулеры

Со времени появления первых ИС (интегральных схем) прошло уже более 30 лет. Микроэлектронная технология шагнула далеко за этот период. Но, вместе с тем, появилось и много проблем. Одна из них - проблема охлаждения высокотехнологичных ИС.

Ни для кого не секрет, что современные CPU рассеивают большую мощность, иными словами сильно нагреваются при своем функционировании. Опыт показывает - снижение рабочей температуры процессора позволяет повысить надежность, долговечность, а также и эффективность его использования. Общепризнанным и наиболее распространенным методом является использование так называемых CPU кулеров в качестве теплоотводящих устройств. Две слагающих части составляют кулер - вентилятор и радиатор. Рассмотрим их поподробнее.

Радиаторы (heatsinks)

Радиаторы - устройства, существенно облегчающие процесс передачи тепла от нагретых предметов (ИС, например) в окружающую среду. Радиаторы многократно увеличивают площадь контакта предмета с окружающей средой, что и позволяет существенно большему количеству тепла быть рассеянным. По отношению к процессорам, функция радиатора заключается в поддержании температуры, как можно более низкой по сравнению с максимально допустимым пределом.

Величину потока тепла, проходящего через какой-либо фрагмент радиатора, можно оценить из закона Фурье:

q = - kS*dT/dz,

где
q - количество теплоты за единицу времени, т.е. Дж/c (Вт) (поток тепла через поверхность S, расположенную перпендикулярно к оси z) ,
k - коэффициент теплопроводности, Вт/м*К,
S - площадь фрагмента,
dT/dz - изменение температуры в данном направлении (например, в направлении оси z),
в соотношении поставлен знак минус, так как тепло течет в направлении убывания температуры.

Из этого соотношения можно оценить важнейшую характеристику радиатора - термосопротивление
R = 1/k (измеряется в м*К/Вт),
являющееся обратным коэффициентом теплопроводности.

Термосопротивление определяет эффективность радиатора, являясь характеристикой материала, из которого он изготовлен. Оно показывает, насколько изменится температура радиатора при рассеивании в нем мощности в 1 Вт. Как используется величина термосопротивления на практике рассмотрено на странице Какой же кулер нужен CPU?.
В технике принята другая единица измерения термосопротивления - градус/ватт (°C/Вт или английское °C/W). В таком понимании термосопротивление уже зависит и от пройденного теплом пути. Однако, суть характеристики не меняется - при меньшем изменении температуры, т.е. меньшем термосопротивлении эффективность радиатора больше.

Не меньшую роль играет и площадь поверхности радиатора. Из закона Фурье видно, что при большей площади поверхности будет большим и поток тепла через эту поверхность. Соответственно, при этом и эффективность теплопередачи будет выше.

О технологиях и материалах

Строго говоря, любой радиатор CPU кулеров представляет собой так называемое профилированное изделие, т. е. изделие заданного профиля. Практически все технологии изготовления так изделий используются также и при изготовлении радиаторов.

Если исходить из технологий, то существует три основных типа радиаторов:

Штампованные радиаторы (stampings). Наиболее простая и дешевая технология изготовления радиаторов - штамповка (большинство радиаторов для 486-х процессоров были именно такими). Конфигурация поверхности радиатора определяется конфигурацией инструмента - штампа. Поскольку данная технология позволяет получать лишь простые профили, площадь теплорассеивающей поверхности такого радиатора весьма невысокая.

Экструзионные радиаторы (extrusions). К этой группе относятся радиаторы, изготовленные методом собственно экструзии (от лат. extrusio - выталкивание) и методом формовки. При экструзии заготовки продавливаются через стальные пластины с отверстиями определенной формы и сечения (экструдеры). А при формовке материал заготовок заливается в специальные формы - опоки. В результате можно получить довольно сложный профиль поверхности. Большинство современных радиаторов CPU кулеров именно такие.

Hi-End радиаторы.
Существует несколько классов таких радиаторов.

Hi-End радиаторы характеризуются чрезвычайно малыми значениями теплосопротивления (0,05 -0,1 °C/W) и высокой эффективностью теплорассеивания - более 90 %.

Материалы. Наиболее часто используемый металл - алюминий. Может использоваться также медь и серебро. Технология медных радиаторов достаточно дорогая, поэтому они не так уж сильно распространены. Что касается серебряных радиаторов, то это просто экзотика.
Для справки приведу коэффициенты теплопроводности для вышеупомянутых металлов (W/mK, при комнатной температуре):

Ag (серебро)	429
Al (алюминий)	237
Cu (медь)	401

Вентиляторы (fans)

Вентиляторы - устройства, формирующие объемный поток воздуха требуемого давления. В кулерах вентиляторы выполняют две функции - подвод к пространству радиатора холодных масс воздуха и удаление горячих. Т.е. вентилятор играет роль усилителя конвективного движения воздушных масс.

Существует всего два класса вентиляторов - аксиальные (наиболее распространены) и центробежные (так называемые "улитки"). Аксиальные вентиляторы формируют поток воздуха параллельно оси вращения, цетробежные - перпендикулярно оси вращения.

Аксиальный вентилятор	Центробежный вентилятор

Вентиляторы (применяемые в CPU кулерах) образуют две группы:
вентиляторы на подшипниках скольжения (sleeve bearing fan) - назовем их типом s;
вентиляторы па подшипниках качения (ball bearing fan) - этих назовем типом b.
Именно последний тип вентиляторов доминирует на цивилизованном рынке CPU кулеров благодаря лучшим эксплуатационным качествам.

Как же оценить, насколько эффективен вентилятор? Существуют две характеристики, позволяющие это сделать: CFM (cubic feet per minute) - характеризует, сколько кубических футов воздуха перекачивает вентилятор в минуту, LFPM (linear feet per minute) - определяет скорость воздушного потока (футы в минуту). Их можно выразить друг через друга:

CFM = LFPM*площадь воздушного потока. Естественно, более наглядно можно представить эти величины в литрах в секунду (л/с) и в метрах в секунду (м/с), учитывая 1 фут = 30,48 см, но характеристики вентиляторов часто указываются именно в футах, поэтому на такие значения и следует ориентироваться.
Типичные значения (для хороших вентиляторов):
15 - 20 cfm (бывает и больше 100 cfm!)
500 - 700 lfpm

Технические параметры:

а) количество оборотов пропеллера в минуту - (типичные значения 3500 - 5000 об/мин). Большее количество оборотов увеличивает эффективность теплопередачи, но при этом увеличивается и уровень шума.
б) размер вентилятора - наиболее популярны 50х50 мм вентиляторы. Они дают 7-10 cfm и 500-600 lfpm. Более мощные оптимизированные вентиляторы размера 60х60 мм могут давать 15 cfm и выше.
в) уровень шума- шумные вентиляторы могут оказывать негативное воздействие на нервную систему, что может вызвать излишнюю раздражительность и быструю утомляемость. Допустимы значения до 35 дб. Неплохим значением считается 20-25 db. И, конечно, чем ниже, тем намного лучше.

В последнее время важным моментом является наличие дополнительной логики - например, тахометра или устройства звукового сигнала останова у вентиляторов, так как все больше производителей оборудуют материнские платы системами мониторинга. Такие системы строятся обычно на основе термосенсора LM75 и системного монитора LM78 фирмы National Semiconductor. Читайте статьи раздела Системный мониторинг, посвященные мониторингу напряжений, температур и т.д. на платах ASUS серий TX97, P2L97, P2B, а также и на платах других производителей.
Современные микропроцессоры требуют высокой надежности от охлаждающих устройств. Соответственно, интеллектуальные вентиляторы могут стать незаменимыми для эффективного охлаждения процессоров и предупреждения их перегрева.

Вентиляторы типа b более долговечны благодаря применению подшипников качения. Поэтому такие вентиляторы являются фактическим стандартом для современных эффективных CPU кулеров.
О практических вопросах и результатах применения CPU кулеров смотрите страницы раздела Охлаждение CPU.

Виталий Криницин
Последнее обновление
27 июня 2000 года