Компьютерные кулеры: начинаем с нуля.

Автор: LIKE OFF
Дата: 25.10.2002
Все фото статьи
Введение

Кулеры на процессоры, кулеры на винчестеры, кулеры на видеокарты и системные чипсеты. Прибавьте к этому кардкулеры, системные бловеры и кулеры для ноутбуков. В таком количестве устройств для охлаждения легко можно запутаться, и помаленьку начинаешь верить, что кулеры - основная составляющая сегодняшнего компьютера. К счастью, или к сожалению, но пока что это не так, и на сегодняшний день ещё нет необходимости обвешивать Ваш любимый ПК шумными вентиляторами до тех пор, пока он не взлетит. В этой статье мы постараемся разобраться, что же в компьютере является источниками тепла, какие существуют способы охлаждения этих компонентов, и надо ли вообще бороться с повышенной температурой компьютера.
Теоретические основы охлаждения

Итак, немного теории. Из курса физики известно, что любой проводник, по которому протекает электрический ток, выделяет тепло. Это означает, что абсолютно все составляющие компьютера, начиная от центрального процессора и заканчивая проводами питания, подогревают окружающий воздух. Количество теплоты, выделяемое тем или иным компонентом компьютера напрямую зависит от его энергопотребления, которое, в свою очередь, определяется множеством других факторов: если мы говорим о жёстком диске, то мощностью электромоторчика и электроникой контроллера, а если о процессоре или другом чипе, то числом интегрированных в него элементов и технологическим процессом его производства. Такова физика нашего мира, и от этого никуда не деться. Но ведь никому до сих пор не пришла в голову идея клеить радиаторы на электрические провода и обдувать, скажем, внутренние модемы! Это потому, что различные компоненты компьютера влияют на температуру в корпусе по-разному, и если такое "холодное" устройство, как модем не требует никакого дополнительного охлаждения, то той же самой видеокарте мы уделяем слишком много внимания, поэтому на современные платы и ставят огромные кулеры, иногда даже с двумя вентиляторами.
Но прежде всего, давайте повторим, что же такое кулер. Кулер (от англ. Cool - холод) представляет собой устройство для охлаждения чего-либо. Основной задачей любого кулера является снижение и поддержание температуры охлаждаемого тела на заданном уровне. И в зависимости от типа охлаждаемого устройства, будь то транзистор, чип, процессор или даже винчестер, применяются различные типы кулеров. В нашем понятии кулер укрепился, как "большая железяка с пропеллером", и чем она больше, тем она лучше. Однако, кулеры могут представлять из себя и более сложные устройства, стоимостью сотни долларов. Обычно, кулеры, применяющиеся в компьютерах, состоят из вентилятора, радиатора и крепления.
Радиаторы

Радиатор (от англ. Radiate - излучать) служит для отвода тепла от охлаждаемого объекта. Он находится в непосредственном контакте с охлаждаемым объектом, и его основная функция - принять на себя часть выделяемого телом тепла и рассеять её в окружающий воздух. Как известно, опять же из курса физики, объект отдаёт тепло только со своей поверхности, а это означает, что для достижения наилучшего отвода тепла, охлаждаемый объект должен иметь как можно большую площадь поверхности. В сегодняшних радиаторах площадь поверхности увеличивается за счёт установки большего количества рёбер. Тепло от охлаждаемого объекта переходит к основанию радиатора, а потом равномерно распределяется по его рёбрам, после чего оно уходит в окружающий воздух, и этот процесс называется излучением. Воздух вокруг радиатора постепенно нагревается, и процесс теплообмена становится менее эффективным, поэтому эффективность теплообмена можно будет поднять, если постоянно подавать холодный воздух к рёбрам радиатора. Для этого сегодня используются вентиляторы. Но о них мы поговорим чуть позже.
Радиатор должен иметь хорошую теплопроводность и теплоёмкость. Теплопроводность определяет скорость распространения тепла по телу. Для радиатора теплопроводность должна быть как можно более высокой, потому что зачастую площадь охлаждаемого объекта в разы меньше, чем площадь основания радиатора, и при низкой теплопроводности тепло от охлаждаемого объекта не сможет равномерно распределиться по всему объёму, по всем рёбрам радиатора. Если радиатор выполнен из материала с высокой теплопроводностью, то в каждой его точке температура будет одинакова, и со всей площади его поверхности тепло будет выделяться с одинаковой эффективностью, то есть не возникнет ситуации, когда одна часть радиатора будет раскалённой, а другая - останется холодной и не будет отдавать тепло в окружающий воздух. Теплоёмкость определяет количество теплоты, которое нужно сообщить телу, чтобы повысить его температуру на 1 градус. Для радиаторов теплоёмкость должна быть как можно более высокой, потому что при остывании на один градус тело отдаёт то же самое количество теплоты. Теплоёмкость и теплопроводность радиатора зависят от материала, используемого для его изготовления.
Таблица термических свойств материалов
 Материал Теплопроводность, Вт/М*К Удельная теплоёмкость, Дж/Кг*К Плотность, г/см3
 Серебро 418,7 240 10,5
 Медь 398 385 8,9
 Алюминий 238 880 2,7
 Золото 322 130 19,3
 Свинец 35,1 130 11,3
 Никель 90,1 460 8,9
Как видно, для изготовления радиаторов выгоднее всего использовать два материала: алюминий и медь. Первый из-за низкой стоимости и высокой теплоёмкости, а второй - из-за большой теплопроводности. Серебро слишком дорого стоит, чтобы его можно было использовать для создания радиаторов, но даже если не брать в расчёт его высокую цену, благодаря хорошей теплопроводности, этот металл лучше всего применять для изготовления только лишь оснований радиаторов.
Конструкция радиатора также имеет большое значение. К примеру, рёбра могут быть установлены под разным углом к воздушному потоку. Они могут быть прямыми по всей длине радиатора, или рассечены поперёк, они бывают толстые и с заусенцами, если радиатор произведён по технологии выдавливания, или тонкими и гладкими, если он был отлит из расплавленного металла. Рёбра могут быть плоскими, согнутыми из пластин и впрессованными в основание. Радиатор вообще может быть игольчатым, то есть вместо рёбер иметь цилиндрические или квадратные иглы. Сегодня известно, что по конструкции рёбер лучше всего показывают себя игольчатые радиаторы.
Тепловой интерфейс

Радиаторы прилегают своим основанием к охлаждаемому объекту, и тепло от него к радиатору переходит лишь через поверхность их соприкосновения, поэтому надо стремиться, чтобы она была как можно больше. Но даже имеющуюся обычно площадь соприкосновения (к примеру, поверхность ядра процессора) надо использовать на все сто процентов. Дело в том, что при соприкосновении двух поверхностей, между ними остаются мельчайшие полости, заполненные воздухом. Этого невозможно избежать, и какой бы ровной и гладкой не казалась Вам поверхность радиатора, она всё равно имеет трещинки и впадины, где собирается воздух. Воздух очень плохо проводит тепло, а потому эффективность охлаждения будет существенно ниже возможностей радиатора.
Чтобы избавиться от воздушных подушек и увеличить эффективность охлаждения, применяют различные тепловые интерфейсы. Они имеют высокую теплопроводность и за счёт текучести заполняют собой все неровности основания радиатора. В результате, те места, где раньше был мешающий нам воздух, теперь заполнены хорошо проводящим тепло материалом, и радиатор уже работает с максимальной отдачей. Тепловые интерфейсы бывают различных типов: термопасты или проводящие прокладки. Прокладки представляют собой резиноподобные полимерные пластинки, нанесённые на основание радиаторов. При нагреве они изменяют своё агрегатное состояние и размягчаясь заливают собой все неровности. Сейчас термопасты поставляются в комплекте с подавляющим большинством фирменных кулеров. Чаще термопаста просто вкладывается в коробочку с кулером в шприце или маленьком целофановом пакетике. Но бывает, что она уже нанесена на основание радиатора. В этом случае её хватит лишь на одну-две установки, так как собрать её с охлаждаемого чипа или процессора будет сложнее, чем купить ещё один пакетик с пастой. При выборе термоинтерфейса я бы рекомендовал использовать термопасты, а не термопрокладки. Большая текучесть термопаст позволяет им лучше заполнять собой все неровности радиатора, а за счёт использования в своём составе таких материалов, как серебро или алюминий, они обладают более высокой теплопроводностью. Сегодня в продаже можно встретить термопасты с 90%-ным содержанием серебра. И хотя серебро является отличным электрическим проводником, изготовители гарантируют, что термопаста не замкнёт контакты элементов платы или устройства, на которое она нанесена, но всё же рекомендуют не проверять изолирующие свойства их продукта и по возможности избегать попадания термопаст на электрические элементы компьютера.
Вентиляторы

Вентиляторы обеспечивают непрерывный поток воздуха, обдувающий радиатор, превращая менее эффективный процесс излучения в более эффективный - конвекцию. Конвекция - это процесс обмена тепла, отличающийся от излучения тем, что охлаждающий воздух постоянно находится в движении. В активных кулерах он принудительно поступает в радиатор и нагреваясь, рассеивается в окружающей среде. С использованием вентилятора кулер становится намного производительнее, и температура охлаждаемого объекта может падать в два раза, а то и больше, в зависимости от производительности вентилятора. Производительность вентилятора - это основная его характеристика, измеряющаяся в количестве кубических футов воздуха, перегоняемых им в минуту, сокращённо - CFM (Cubic Feet per Minute). Она главным образом зависит от площади вентилятора, его высоты, профиля лопастей и частоты их вращения. Чем эти величины больше, тем большее количество воздуха сможет перегонять вентилятор, и соответственно тем более эффективным будет охлаждение. Сегодня в вентиляторах для компьютерных кулеров нет возможности бесконечно увеличивать ни размеры, ни скорость вращения крыльчатки. Понятно, что вентилятор размером больше 80 мм уже трудно разместить в корпусе, а частота вращения пропеллера напрямую влияет на уровень его шума. Кроме того, больший по размерам вентилятор должен будет иметь более мощный и более дорогой электрический моторчик, что скажется на его стоимости.
Все вентиляторы, используемые сегодня в компьютерах, питаются от постоянного тока, чаще всего напряжением 12В. Для подключения к питанию они используют трёхконтактные Molex-коннекторы (для Smart-вентиляторов) или четырёхконтактные PC-Plug коннекторы.
Разъём Molex имеет три провода: чёрный (земля), красный (плюс) и жёлтый (сигнальный). PC-Plug имеет четыре провода: два чёрных (земля), жёлтый (+12 Вольт) и красный (+5 Вольт). Разъёмы Molex устанавливаются на материнских платах, чтобы система сама могла контролировать скорость вращения вентилятора, подавая на красный провод различное напряжение (обычно от 8 до 12 В), и изменять её в случае необходимости. По жёлтому сигнальному проводу материнская плата получает от вентилятора информацию о частоте вращения его лопастей. Сегодня это стало очень актуальным, поскольку остановившийся на кулере процессора вентилятор может привести к повреждению процессора. Поэтому современные материнские платы следят, чтобы вентилятор всегда вращался, и если он останавливается, то выключают компьютер. Подключение через Molex имеет один недостаток: к материнским платам опасно цеплять вентиляторы с потребляемой мощностью более 6 Вт. Разъём же PC-Plug выдержит десятки Ватт, но при подключении к нему Вы не сможете узнать, работает ли Ваш вентилятор или нет. Сегодня всё чаще вентиляторы имеют в комплекте переходники PC-Plug - Molex, чтобы подключать их к блоку питания, или даже сразу оба разъёма: PC-Plug и Molex, чтобы получать питание от БП компьютера, а по сигнальному проводу Molex-а сообщать материнской плате о скорости работы моторчика.
Также вентиляторы могут иметь различный тип подвески ротора. Для этого используются подшипники скольжения (Sleeve bearing) или качения (Ball bearing). В вентиляторе может быть один или два подшипника, причём иногда в них совмещаются разные типы - Sleeve и Ball. Наиболее надёжными считаются вентиляторы с подшипниками качения (обычные шариковые подшипники). Компании-производители обещают им непрерывную работу в течение 50 000 часов, что составляет более пяти лет, а те же, которые используют подшипники скольжения, обещают жить не более 30 000 часов, около трёх с половиной лет. Сегодня уже существуют вентиляторы с керамическими подшипниками, которым обещают почти что бессмертие - 300 000 часов беспрерывной работы, а ведь это тридцать шесть лет! Однако, с одной стороны, заявленные времена жизни вентиляторов очень редко соответствуют действительности, и зачастую их надо делить на два, а то и на три, а с другой стороны, поверьте мне - тридцать шесть лет компьютер не проживёт. Стоит рассчитывать, что обычный вентилятор может жить год-два. Потом он начинает гудеть, и его надо смазывать, но даже смазка решит проблему лишь на время, и в скором времени вентилятор придётся заменить на новый.
Некоторые современные вентиляторы имеют автоматическую регулировку скорости, в зависимости от температуры окружающего воздуха или температуры радиатора. Мы расскажем Вам об одном таком в конце статьи. Практически у всех них датчик температуры стоит непосредственно на самом вентиляторе и может не отражать реальную температуру охлаждаемого объекта. То есть, при повышении температуры процессора, кулер, на котором установлен такой автоматический вентилятор, может только через пару минут повысить свои обороты. Другое дело, это вентиляторы с установленными на них сигнализациями остановки. При снижении частоты вращения ротора ниже определённого предела, специальный электронный блок на проводе вентилятора подаёт громкий писк, и Вы точно знаете, что пришло время выключить компьютер и заменить кулер.
Пассивные кулеры

Пассивные кулеры - это обычные радиаторы, установленные на охлаждаемый объект. Они отводят тепло только излучением, в случае, если не обдуваются какими-нибудь вентиляторами компьютера, и применяются для охлаждения маломощных и малых по размерам элементов, например, чипов памяти или транзисторов. Радиаторы устанавливаются сегодня на видеокарты, некоторые материнские платы, где ещё нет полноценных кулеров, модули памяти, да и вообще практически на всё, что приходится охлаждать, и даже на центральные процессоры, если они имеют малую мощность.
Частный случай пассивного кулера - распределитель тепла. Выглядит он как "лысый" радиатор, полученный из пластины, без рёбер и с небольшой площадью поверхности. Распределители тепла применяют сегодня для охлаждения системной памяти. В частности, компания Thermaltake выпускает специальные наборы для DDR SDRAM DIMM модулей. Недостатком распределителей тепла, как и пассивных кулеров, является их малая эффективность.
Активные кулеры

Активными называются кулеры, работающие за счёт конвекции. Проще говоря, это радиатор с установленным на него вентилятором. Чаще всего они используются для охлаждения процессоров. И сегодня, говоря слово "кулер", мы и подразумеваем, в первую очередь, именно их. Активные кулеры используются практически везде, где требуется охлаждение, заменяя собой обычные радиаторы. Преимуществами такого охлаждения можно назвать значительно большую эффективность в сравнении с обычными радиаторами. Активные кулеры в состоянии охлаждать раскалённые процессоры, имея при этом небольшие размеры. Но вентиляторы всегда являются источниками шума в компьютерах, а иногда и вибрации. Поэтому охлаждать ими надо лишь сильно греющиеся элементы, иначе работать за шумной машиной станет невыносимо. Ещё один недостаток активных кулеров в том, что они недолговечны. Лопасти вентилятора вращаются, и рано или поздно подшипники на роторе выйдут из строя, и он остановится. Естественно, в этом случае охлаждаемый элемент перегреется и, возможно, выйдет из строя. Но чаще всего вентиляторы перед остановкой начинают громко гудеть, так что Вы будете предупреждены заранее.
Теперь, когда мы разобрались в основах охлаждения компьютера, мы можем перейти к рассмотрению источников тепла в компьютере и способов их охлаждения.
Что в компьютере греется, и как оно охлаждается

Ну что же, имея представление о кулерах, давайте теперь составим картину, что же греется в компьютерах, и как это нужно (если нужно) охлаждать. Начнём мы с самого основного элемента любого ПК - центрального процессора. Сегодня охлаждению процессоров уделяется особое внимание, и поэтому каждый производитель кулеров для PC обязательно имеет в своём ассортименте и охладители для CPU.
Процессоры

Если не рассматривать серверные и переносные компьютеры (в том числе и ноутбуки), то сегодня в персональных компьютерах используются процессоры двух компаний-производителей: Intel и AMD. Они используют три основные платформы: Socket 370, Socket 478 и Socket 462 (Socket A). Цифры в обозначении платформы показывают число контактов каждого процессора. Естественно, между собой все эти стандарты не совместимы, и Pentium III под Socket 370 не установишь в материнскую плату с каким-нибудь другим гнездом. До недавнего времени был распространён ещё и стандарт Socket 423 под первые Pentium 4, но с приходом более современного Socket 478, он почти исчез и сейчас успешно забывается. Для каждого типа процессоров существуют свои стандарты кулеров.
В Socket 370 используют процессоры Intel Pentium III, Intel Celeron (кроме новых под Socket 478) и VIA C3. Процессоры же производства AMD (Duron, Athlon на ядре Thunderbird, Palomino и Thoroughbred) используют разъём Socket A. Кулеры для Socket 370 и Socket A почти совместимы друг с другом. Точнее, можно сказать, что они и полностью совместимы, но это не означает, что Вы сможете установить кулер под Athlon на Pentium III. Дело в том, что хотя гнезда Socket 370 и Socket A имеют одинаковые размеры, всё же стандарты, по которым AMD рекомендует строить материнские платы, отличаются от Intel-овских. Прежде всего, посмотрите на фотографию. Гнездо Socket A имеет по три зубчика спереди и сзади для крепления кулера. Изначально подразумевалось, что на процессоры Athlon будут ставиться более мощные охладители, которые потребуют более жёсткое крепление, и один зубчик может сломаться под пружиной кулера. Кроме того, AMD рекомендовала производителям материнских плат оставлять так называемую свободную зону слева и справа от гнезда. В этой зоне не должно быть никаких элементов, которые бы могли помешать установке прямоугольных кулеров длиной более 55 мм (ширина гнезда). Таким образом, на процессоры Athlon и Duron можно устанавливать кулеры размером 60x80мм и высотой насколько позволяет Ваш корпус. На Pentium III, конечно же, такие большие охладители вряд ли станут, но это опять же зависит от материнской платы.
Кроме того, многие материнские платы под Athlon/Duron имеют вокруг гнезда четыре отверстия. Это ещё один способ крепления кулера - не к гнезду, а к материнской плате. С одной стороны, он более удобный, поскольку кулер уже не отвалится, отломав зубчик, а с другой стороны - для его замены или апгрейда процессора придётся снимать материнскую плату. Хорошо это или плохо, но недавно AMD перестала требовать наличия четырёх отверстий в свободной зоне возле гнезда процессора, и все будущие кулеры будут крепиться только к нему, а не к материнской плате.
Процессоры Athlon выделяют до 73 Вт тепла в неразогнанном состоянии. Для мощных серверов такое тепловыделение процессора - обычное дело, а вот для настольных компьютеров это очень много, а к тому же площадь ядра процессора постоянно уменьшается, поэтому охладители для современных процессоров активно используют медь в своих радиаторах. И в продаже Вы сможете увидеть кулеры не только с алюминиевыми радиаторами, но и с медным основанием, или полностью медные. Некоторые производители, пытаясь увеличить эффективность кулеров, покрывают сверху медь ещё и никелем, серебром или другими материалами с высокой теплопроводностью. Вентиляторы на таких кулерах чаще всего имеют размер 60x60x25 мм, хотя сейчас большое распространение получают 70мм и 80мм модели. Они имеют меньшую скорость вращения и работают намного тише.
 Процессор Тепловыделение, Вт
 AMD Duron 1100 51
 AMD Duron 1200 55
 AMD Duron 1300 57
 AMD Athlon Thunderbird 1400 73
 AMD AthlonXP (Palomino) 2100+ 72
 AMD AthlonXP (Thoroughbred) 2600+ 68.3
В случае с охладителями для Socket 370 всё намного проще: все они цепляются за два зубчика гнезда и имеют размеры, не превышающие размеров гнезда. Обычно от 50x50 до 60x60 мм. Тепловыделение процессоров Pentium III примерно в два раза меньше, чем у Athlon, поэтому охлаждать их проще, и на Pentium III чаще всего используются кулеры с полностью алюминиевыми радиаторами или с медным основанием. Они стоят дешевле полностью медных, в которых к тому же и нет необходимости.
Если продолжать разговор про Socket 370 и вспомнить про процессоры VIA C3, то можно и вовсе забыть про кулеры. Дело в том, что VIA C3 имеют репутацию "холодных" процессоров, потому что они выделяют слишком мало тепла и могут работать и с пассивными охладителями - обычными радиаторами, или совсем простенькими кулерами. Для них тепловыделение не проблема, и поэтому компьютеры на их базе работают очень тихо.
Сегодня выгоднее выпускать кулеры для процессоров Intel Pentium 4 и Celeron под Socket478. Дело в том, что рынок охладителей под Athlon уже достаточно насыщен, а к тому же цена на компьютеры с процессорами AMD невысоки, и не каждый пользователь готов дорого заплатить за хороший кулер. С Pentium 4 ситуация совсем другая, так как они стоят намного дороже конкурентов от AMD, и на рынок высокопроизводительных процессоров можно продавать кулеры стоимостью несколько десятков долларов.
В компьютерах с процессорами Pentium 4 и Celeron под Socket 478 кулер крепится к специальной стойке на материнской плате. Есть мнение, что процессоры Pentium 4 вообще не перегреваются. Оно в корне неверно, и первые Pentium 4 действительно грелись слабее своих товарищей Athlon, но сейчас энергопотребление Pentium 4 с частотой 2.8 ГГц находится в районе 64 Вт, а Pentium 4 3.0 ГГц обещает требовать до 80 Вт. Конечно, современные технологические процессы и конструкция Pentium 4 со встроенным распределителем тепла помогают ему лучше бороться с выделяемым теплом, но он также, как и Athlon требует большой кулер. Правда, коробочные варианты процессоров уже поставляются с кулерами, но при необходимости в магазинах можно найти широкий ассортимент охладителей для Pentium 4.
Кулеры под Socket 478 имеют, в основном, один вид крепления: двумя стальными скобами они цепляются за пластиковые упоры материнской платы и крепко прижимаются к поверхности процессора. Иногда от слишком сильных пружин кулера материнская плата слегка изгибается, но по большому счёту это не страшно. Для компьютеров, использующих Pentium 4 в низких или серверных корпусах, существуют кулеры, крепящиеся к материнской плате без использования стоек вокруг процессора.
Так же, как и в случае с некоторыми охладителями под Athlon, в них крепление проходит сквозь отверстия в материнской плате (для этого с неё придётся снять стандартные держатели для кулера) и фиксируется сверху на процессоре. В этом случае на плату подаётся куда меньшая физическая нагрузка. К сожалению, такие кулеры мало распространены.
Под Pentium 4 выпускаются кулеры с различными радиаторами. Здесь есть как чисто алюминиевые, так и с медными основаниями, или полностью медные. Вентиляторы для таких кулеров обычно ставятся тихие, потому что их низкая производительность компенсируется большими размерами радиаторов. Хотя, громкие модели тоже нередкое явление среди охладителей для Socket 478.
Далее: Компьютерные кулеры: начинаем с нуля. Часть 2