Kodėl procesorius apskritai kaista?
Prieš pasinerdami į aušinimo sistemas, verta suprasti, kodėl procesorius apskritai generuoja šilumą. Kai procesorius dirba, jame vyksta milijardai elektrinių tranzistorių perjungimų per sekundę. Kiekvienas toks perjungimas reikalauja energijos, o dalis tos energijos neišvengiamai paverčiama šiluma. Tai panašu kaip trinant rankas – mechaninis judesimas virsta šiluma.
Šiuolaikiniai procesoriai gali turėti daugiau nei 10 milijardų tranzistorių, sugrūstų į kelių kvadratinių centimetrų plotą. Kai visi jie dirba intensyviai – pavyzdžiui, žaidžiant žaidimus ar renderinant vaizdo įrašą – procesorius gali išskirti 100-250 vatų šilumos. Tai maždaug tiek pat, kiek paprastas kaitrinimo lemputė. Tik įsivaizduokite tokią lempą, sugrūstą į nedidelį metalinį korpusą – temperatūra pakiltų greitai ir labai.
Be efektyvaus aušinimo procesorius per kelias sekundes pasiektų kritines temperatūras (virš 90-100°C), o tai sukeltų gedimus arba automatinį sistemos išsijungimą apsaugos tikslais. Todėl aušintuvas nėra priedas – tai būtina kompiuterio dalis.
Šilumos perdavimo pagrindai
Kad suprastume, kaip veikia aušintuvas, reikia žinoti tris pagrindinius šilumos perdavimo būdus: laidumą, konvekciją ir spinduliavimą. Procesoriaus aušinime naudojami visi trys, bet skirtingais mastais.
Laidumas – tai šilumos perdavimas tiesioginiu kontaktu. Kai procesorius įkaista, jo šiluma perduodama aušintuvo pagrindui, kuris tiesiogiai liečia procesoriaus viršų. Čia labai svarbu, kad kontaktas būtų kuo geresnis. Net mikroskopiniai oro tarpeliai tarp procesoriaus ir aušintuvo gali stipriai sumažinti šilumos perdavimą. Todėl tarp jų visada dedama terminė pasta – tai specialus mišinys, kuris užpildo visus mikroskopinius nelygumus ir pagerina šiluminį kontaktą.
Konveksija – tai šilumos pernešimas per judantį orą ar skystį. Kai aušintuvas įkaista, ventiliatorius pučia orą per jo šonkaulius, o įkaitęs oras pakyla ir yra pakeičiamas vėsesniu. Kuo greičiau oras juda, tuo efektyviau vyksta šilumos išmetimas.
Spinduliavimas vaidina mažiausią vaidmenį – tai šilumos perdavimas infraraudonųjų spindulių pavidalu. Nors kiekvienas įkaitęs objektas spinduliuoja šilumą, procesoriaus aušinime tai sudaro tik nedidelę dalį bendro šilumos išmetimo.
Oro aušintuvo anatomija
Tipiškas procesoriaus oro aušintuvas susideda iš kelių pagrindinių dalių. Pirmiausia – tai bazė arba kontaktinė plokštė, kuri tiesiogiai liečia procesorių. Ji paprastai pagaminta iš vario arba aliuminio. Varis yra brangesnis, bet geriau praleidžia šilumą – jo šiluminis laidumas beveik dvigubai didesnis nei aliuminio.
Iš bazės išeina šiluminės vamzdeliai arba tiesiog storas metalinis blokas. Šiluminiai vamzdeliai – tai geniali technologija, kuri veikia efektyviau nei vientisas metalas. Viduje jie turi specialų skystį (dažniausiai vandenį arba metanolį) ir kapiliarinę struktūrą. Kai vamzdelio karštas galas įkaista, skystis išgaruoja, garų pavidalu keliauja į vėsesnį galą, ten kondensuojasi ir grįžta atgal. Šis procesas vyksta nuolat ir pernešia šilumą daug efektyviau nei paprastas metalas.
Ant vamzdelių uždėti šonkauliai – plonos metalinės plokštelės, išdėstytos viena šalia kitos. Jų tikslas – padidinti paviršiaus plotą, kuris liečiasi su oru. Kuo didesnis plotas, tuo daugiau šilumos gali būti perduota orui. Kai kurie aušintuvai turi šimtus tokių plonų plokštelių.
Ir galiausiai – ventiliatorius. Jis gali būti vienas arba du, kartais net trys. Ventiliatorius sukuria oro srautą, kuris praeina per šonkaulius ir išneša šilumą. Ventiliatoriaus dydis, apsukų skaičius ir mentėlių dizainas labai įtakoja tiek aušinimo efektyvumą, tiek triukšmo lygį.
Skysčio aušinimo sistemos
Nors oro aušintuvai yra populiariausi, egzistuoja ir sudėtingesnė alternatyva – skysčio aušinimas. Čia principas kitoks: šiluma iš procesoriaus perduodama ne tiesiai orui, o pirmiausia skysčiui, kuris cirkuliuoja uždarame kontūre.
Sistema susideda iš vandens bloko, kuris montuojamas ant procesoriaus, siurblio, radiatorius ir vamzdelių. Siurblys varo skystį (paprastai vandenį su specialiais priedais) per sistemą. Skystis praeina per vandens bloką, kur įšyla nuo procesoriaus, tada keliauja į radiatorių – didelį šonkaulių bloką su ventiliatoriais, kur ataušinamas, ir grįžta atgal.
Skysčio aušinimas turi keletą privalumų. Pirma, skystis efektyviau perneša šilumą nei oras. Antra, radiatorių galima iškelti į bet kurią korpuso vietą, kur yra geras oro srautas, o prie procesoriaus lieka tik nedidelis vandens blokas. Trečia, didelės skysčio sistemos gali būti tylesnės, nes didelis radiatorius su lėtai besisukančiais ventiliatoriais veikia efektyviai ir tyliai.
Tačiau yra ir trūkumų. Skysčio sistemos brangesnės, sudėtingesnės įrengti ir prižiūrėti. Egzistuoja, nors ir nedidelis, nuotėkio rizika. Be to, siurblys gali gesti, o skystis laikui bėgant gali išgaruoti arba prarasti savybes.
Terminės pastos reikšmė
Daugelis žmonių nesupranta, kodėl ta pilka pasta tarp procesoriaus ir aušintuvo yra tokia svarbi. Atsakymas slypi mikroskopiniame lygmenyje. Net tobulai nupoliruotos metalinės paviršiai turi mikronelygumus – mažytes kalveles ir duobutes. Kai du tokie paviršiai suglaudžiami, jie liečiasi tik aukščiausiuose taškuose, o tarp jų lieka oro kišenės.
Oras yra puikus šilumos izoliatorius – jo šiluminis laidumas maždaug 100 kartų mažesnis nei metalų. Todėl net mažytės oro kišenės gali drastiškai sumažinti šilumos perdavimą. Terminė pasta užpildo visus tuos tarpus, pakeisdama orą medžiaga, kuri geriau praleidžia šilumą.
Gerų terminių pastų sudėtyje yra metalų dalelių (sidabro, vario, aliuminio oksido) arba keramikos, sumaišytų su silikono arba kitokiu bazės mišiniu. Kai kurios pačios efektyviausios pastos turi skystojo metalo (galijaus lydinio), bet jos reikalauja atsargumo, nes gali būti elektriškai laidžios.
Terminės pastos naudojimas nėra sudėtingas, bet reikia žinoti keletą dalykų. Pastos reikia labai nedaug – maždaug ryžio grūdo ar žirnio dydžio lašelis centre. Kai prispaudžiamas aušintuvas, pasta išsikreipia į ploną sluoksnį. Per daug pastos gali būti net blogiau nei per mažai, nes storas pastos sluoksnis pats tampa izoliatorium. Pastą reikia atnaujinti kas kelerius metus, nes ji išdžiūsta ir praranda savybes.
Triukšmo ir efektyvumo balansas
Viena didžiausių aušintuvų problemų – triukšmas. Ventiliatoriaus sukimas kuria oro srautą, bet kartu ir garsą. Kuo greičiau sukasi ventiliatorius, tuo daugiau triukšmo. Tačiau lėčiau besisukantis ventiliatorius blogiau aušina. Kaip rasti balansą?
Šiuolaikiniai aušintuvai naudoja keletą triukšmą mažinančių sprendimų. Pirma, didesni ventiliatoriai gali sukti lėčiau ir vis tiek pumpuoti tą patį oro kiekį – 140mm ventiliatorius 800 apsukų per minutę gali judinti tiek pat oro kaip 92mm ventiliatorius 1500 apsukų, bet kurs daug mažiau triukšmo.
Antra, mentėlių dizainas labai svarbus. Modernūs ventiliatoriai turi specialiai suprojektuotas menteles su įpjovomis ir nelygiais kraštais, kurie sumažina oro turbulenciją ir švilpimą. Kai kurie turi net skirtingo aukščio menteles, kad išvengtų rezonanso.
Trečia, guoliai. Pigūs ventiliatoriai naudoja paprastus slankiuosius guolius, kurie greitai susidėvi ir ima girgždėti. Kokybiški ventiliatoriai turi hidraulinius arba magnetinius guolius, kurie tarnauja ilgiau ir dirba tyliau.
Daugelis motininių plokščių palaiko PWM (Pulse Width Modulation) ventiliatorių valdymą. Tai leidžia automatiškai reguliuoti ventiliatoriaus greitį pagal procesoriaus temperatūrą. Kai procesorius dirba lengvai, ventiliatorius sukasi lėtai ir tyliai. Kai krūvis padidėja, ventiliatorius pagreitina. Tai optimalus būdas išlaikyti balansą tarp temperatūros ir triukšmo.
Kada reikia geresnio aušintuvo
Daugelis procesorių komplekte ateina su standartiniais aušintuvais. Jie veikia, bet ne visada optimaliai. Yra keletas situacijų, kai verta investuoti į geresnį aušintuvą.
Pirma, jei jūsų kompiuteris triukšmingas. Standartiniai aušintuvai dažnai turi mažus, greitai besisukančius ventiliatorius, kurie kelia daug triukšmo. Geresnis aušintuvas su didesniu ventiliatoriumi gali sumažinti triukšmą perpus ar daugiau.
Antra, jei procesorius įkaista. Jei matote temperatūras virš 80°C normalaus darbo metu arba virš 90°C krūvio metu, tai reiškia, kad aušinimas nepakankamas. Aukštos temperatūros trumpina procesoriaus gyvavimo laiką ir gali sukelti nestabilumą.
Trečia, jei planuojate “overclock’inti” – didinti procesoriaus dažnį virš standartinio. Tai padidina našumą, bet kartu ir šilumos išskyrimą. Standartinis aušintuvas tokiam krūviui nebus pakankamas.
Ketvirta, jei norite ilgaamžiškumo. Geresnis aušintuvas palaiko žemesnes temperatūras, o tai reiškia mažesnį komponentų nusidėvėjimą. Procesorius, veikiantis 60°C temperatūroje, tarnaus ilgiau nei tas, kuris nuolat dirba 85°C.
Renkantis aušintuvą, svarbu patikrinti suderinamumą su jūsų korpusu (ar tilps aukštis), procesoriaus lizdu (ar tinka montavimo sistema) ir RAM atmintimi (ar neužstos modulių). Taip pat verta pažiūrėti nepriklausomų apžvalgų, kur testuojamas ir aušinimo efektyvumas, ir triukšmo lygis.
Ką daryti, kai aušintuvas nebesusidoroja
Net su geru aušintuvu laikui bėgant gali kilti problemų. Dažniausia priežastis – dulkės. Jos kaupiasi ant šonkaulių ir ventiliatoriaus menčių, sukurdamos izoliacinį sluoksnį ir trukdydamos oro srautui. Kompiuterį reikia valyti bent kartą per metus, o jei namuose yra gyvūnų ar daug dulkių – dar dažniau.
Valymas nesudėtingas. Išjunkite kompiuterį, atidarykite korpusą ir atsargiai išpūskite dulkes suslėgto oro balionėliu. Galite nuimti ventiliatorių lengvesniam valymui. Tik nepūskite per arti ir per stipriai – galite sugadinti ventiliatorių arba išskleisti dulkes po visą kambarį.
Kita problema – išdžiūvusi terminė pasta. Po 3-5 metų pasta praranda savybes ir temperatūros pradeda kilti. Pastos keitimas nėra sudėtingas: nuimkite aušintuvą, nuvalykite seną pastą izopropilo alkoholiu arba specialiu valikliu, užtepkite naują plonu sluoksniu ir sumontuokite aušintuvą atgal. Tai gali sumažinti temperatūras 10-20 laipsnių.
Jei ventiliatorius ima girgždėti ar netolygiai suktis, tai reiškia, kad guoliai susidėvėję. Kai kuriuos ventiliatorius galima patepti specialiu tepalų lašu, bet dažniausiai paprasčiau pakeisti nauju. Ventiliatoriai nėra brangūs, o naujas ventiliatorius gali atgaivinti seną aušintuvą.
Šilumos valdymas – ne raketų mokslas, bet svarbus
Procesoriaus aušinimas gali atrodyti sudėtinga tema, bet iš tikrųjų principai paprasti: šiluma turi būti efektyviai perduota nuo procesoriaus į metalą, o iš metalo – į orą. Visi aušintuvų dizainai ir technologijos siekia būtent šio tikslo.
Suprasdami, kaip veikia aušintuvas, galite priimti geresnius sprendimus renkantis komponentus, diagnozuoti problemas ir palaikyti sistemą veikiančią optimaliai. Nebijokite atidaryti korpuso ir pasižiūrėti, kas vyksta viduje. Šiek tiek priežiūros – dulkių valymas, pastos atnaujinimas – gali pratęsti kompiuterio gyvenimą metais ir užtikrinti, kad jis dirbs tyliai ir stabiliai.
Technologijos tobulėja, bet fizikos dėsniai lieka tie patys. Šiluma visada siekia išsisklaidyti, ir mūsų užduotis – padėti jai tai padaryti kuo efektyviau. Ar tai būtų paprastas oro aušintuvas už 20 eurų, ar sudėtinga skysčio sistema už 200 – principas tas pats, tik skiriasi efektyvumas ir sudėtingumas.