Все что вы могли узнать про системы охлаждения, но вам не расскажут на главной

В общем после последнего поста на меня в Дискорде накинулись со словами “пили еще про железо, но без желчи”. Причем, что конкретно от меня хотят никто так и не расписал. Да я и сам понятия не имею что вам рассказывать. У меня сложилось ощущение, что аудиторию на СГ нужно учить с самого нуля. Лично я не уверен, что говорить то, что было сказано тысячу раз — хорошая идея. Но раз просили — нате. Можете воспринимать эту простыню как пристрелочный материал. Ах да, комменты к предыдущему посту постарался учесть, но от планшета с т9 при написании я отказаться так и не смог.(Сорян) Основывается пост на моих заметках и тестах шестимесячной давности, суровый матан я опустил, а касательно прочих примеров, то были взяты самые классические, известные завсегдатаем оверов.

А начать разбор нужно совсем не с кулера, а с процессора. Вы наверняка сталкивались с аббревиатурой TDP. Некоторые авторы крупных сайтов рекомендуют руководствоваться только этим значением при выборе кулера. Но на деле все не так просто. Множество незаметных мелочей могут кардинально сказаться на конечной производительности и шуме.

Вообще, понятие TDP довольно размыто. Если мы зайдем в блог компании intel на Harb’е, то там нам расскажут, что Thermal Design Power — это величина, показывающая максимальное количество тепла, которое должна рассеивать система охлаждения чипа. Но заглянув в даташит понятие несколько изменит свой вид.
Оказывается, что TDP — это величина, которая используется для проектирования систем охлаждения. Причем, это значение устанавливается исходя из худшего режима нагрузки без разгона (даже turbo boost) и использования AVX инструкций. Иначе говоря, то что указывается в графе TDP на сайте ark.intel не является чистой правдой. Если взять к примеру i7 8700 с TDP 65Вт, то при полной нагрузке его тепловыделение улетит где-то под 140Вт. Добавьте ко всему вышеперечисленному то, что у производителей нет унифицированного подхода к экспериментальной оценке характеристик кулеров, а некоторые производители указывают просто-напросто расчетные значения. В итоге получаем настоящую кашу, которую расхлебывать будут потребители.

И я бы хотел привести еще пример того, как AMD воспринимает это понятие, но на официальном сайте можно найти лишь мануал по разгону, который ничего не говорит. В сети также можно найти документацию по Ryzen’ам, но ее собирали пользователи, а оттого внятной структуры и понятий там ожидать не стоит.

С этим вроде разобрались, перейдем к теме дня. В данном материале я не стану касаться боксового и околобоксового ужаса, едва справляющиеся со стоковыми камнями (хотя и тут есть исключения), а сосредоточусь на массивных башнях, на которых и разгоном заниматься не страшно. А попутно еще и разрушу несколько скопившихся мифов.

Пятка всему голова

Как известно, театр начинается с вешалки, кулер же берет свое начало с подошвы радиатора. Именно к ней в первую очередь попадает тепло от крышки процессора, и именно здесь чаще всего наблюдаются серьезные потери при теплопередаче. Для оценки подошвы есть несколько простых правил.

Правило 1. Поверхность должна быть гладкая.
Из школьного курса физики мы помним, что воздух является плохим проводником тепла. При всем желании даже самой текучей термопастой вы не сможете заполнить рельефную поверхность подошвы. Как результат – шероховатая поверхность всегда будет уступать хорошо отполированной.

Для наглядности приведу скрин с GamersNexus

Правило 2.Не каждый дефект вреден.
Одно идеально ровное основание подошвы не всегда является залогом успеха. Дело в том, что начиная с Ivy Bridge E усиление в зоне кристалла дает выигрыш в 3-6 градусов в сравнении с идеально плоской поверхностью. Так что основание, имеющее небольшой горб – нормальная тема. А вот при обнаружении ямы – срочно бегите сдавать кулер по гарантии, мотивируя тем, что основание плохо прилегает к крышке, из-за чего перегревается проц.

Правило 3.Если это выглядит как утка, далеко не факт что оно работает как утка
Кто-то, возможно, помнит, как в 2008 Scythe презентовали новейшую технологию, где вместо пайки тепловые трубки между пластинами просто проклеивали. Причем в местах проклейки часто попадал воздух (из которого так себе проводник тепла), образуя воздушные карманы. Актуален этот пункт по одной причине — многие ввиду экономической ситуации сейчас покупают китайские кулеры на Aliexpress, которые нередко полны всевозможных дефектов, зато дешевые. Системы охлаждения из Поднебесной – совсем отдельный разговор. Азиатский инженерный гений порой умудряется сделать кулер, который работает только при перевернутом системном блоке. Однако вернемся к Scythe. Результат их нововведения был не впечатляющим – недешевый Mugen 2 сливался перед дешманским Zalman’ом с прямым контактом. Производителям даже пришлось срочно переходить на старую добрую пайку. Но так как никто не удосужился даже маркировку сменить, то покупая в магазине их продукт, клиент участвовал в настоящей лотерее.
Наличие одного лишь пропаянного основания еще не говорит о качестве всего радиатора. Если основание нормально не залито, то и показателей хороших вы не дождетесь. Ярчайшим примером плохо пропаянного основания может выступить практически любой DeepCool. Поставив, при одинаковых условиях, в ряд десяток одинаковых кулеров, вы рискуете получить ощутимый разбег по температуре. Я даже когда-то сам замерял несколько Deepcool Gammaxx 400.

В качестве подопытных служили две двухпроцессорные машины с e5 2690 v1 (степинг С2) на борту и при открытом стенде. В качестве нагрузки использовался реальный проект в Blender, который прогревал каждый ЦП в отдельности на протяжении 30 минут. Максимальная температура фиксировалась скриптом, резкие скачки игнорировались. Ошибки здесь быть не может, я несколько раз менял кулеры местами, проверял пасту и каждый раз получал схожие результаты.
Дабы не прослыть ненавидящим все и вся (хотя уже поздно), отмечу, что эталонно пропаянное основание имеют только Thermalright и Noctua. Все остальные в лучшем случае находятся где-то рядом. Самое печальное во всей этой ситуации то, что с CES2012 хоть каких-то прорывов в этой области не наблюдалось. И вот тут уже начал активно играть свою роль маркетинг. Что подводит нас к спору…

Прямой контакт или классическое основание?

В среде энтузиастов радиаторы с прямым контактом принято недолюбливать. Слишком много маркетинговой дичи витает в этой области. Вся теория базируется на том, что при прямом контакте трубки напрямую соприкасаются с термораспределительной крышкой процессора, а, следовательно, разность температур между ними должна быть минимальна. Звучит неплохо, да? Теперь посмотрим как оно на самом деле. Итак, кристалл передает тепло крышке процессора, а та, в свою очередь – на пятку кулера. Но вот беда: в пользовательском сегменте кристалл ЦП зачастую занимает не всю поверхность печатной платы. А значит, что самый горячий участок крышки будет над самим камнем. Вследствие чего крайние трубки могут быть практически не задействованы.
Последний тезис можно проверить на практике. Для этого нужен только процессор с вытянутым кристаллом и кулер с прямым контактом.
Суть эксперимента в следующем: нам известно расположение кристалла, то, как на него ложатся теплотрубки и какие из них перекрывают его. Следовательно, мы можем повернуть радиатор так, чтобы над кристаллом оказалось больше или меньше трубок.
Среди кучи железа в моей серверной, наиболее подходящими оказались только i5 4670 и DeepCool GAMMAXX 300. Над ними и проведем опыты.
ЦП был когда-то скальпирован, а штатный термоинтерфейс заменен на жидкий металл (к сожалению не знаю какой). Так что вопросы по поводу ужасных термосоплей должны отпасть.
Официальная документация гласит, что критическая температура (Tjmax) у i5 4670 равняется 100 °C, после нее проц уходит в защиту. Мучить подопытного будем с помощью Prime95. Время прогона – 30 минут. Термопаста – stg2 корейского производства.
После издевательств получаем следующую гистограмму:

Самое горячее ядро: 77; 73. Самое холодное: 73; 69.

Выводы, пожалуй, оставлю за вами. Отмечу лишь то, что при развороте на 90 градусов кулер направляет воздух к верхней крышке корпуса, где не всегда есть отверстия для отвода горячего воздуха.
Справедливости ради, стоит сказать, что в некоторых случаях прямой контакт практически ничем не уступает своему классическому собрату, но лишь при большом квадратном кристалле, впритык расположенных хорошо отполированных трубках и достаточно большой крышкой ЦП, на которую ложатся последние. Во всех остальных случаях прямой контакт будет сливаться.

Здесь ярким примером являются Ice Hammer IH-4500 и Ice Hammer IH-4500+, где классическое основание ничуть не уступает прямому контакту. Есть хорошее сравнение этих башен на оверах, можете ознакомиться. Но это Ice Hammer, их контора находится на одном этаже с Thermalright. И если посмотреть на продукцию первых и вторых, то их технологии как-то подозрительно похожи друг на друга. И я ни на что не намекаю.
Но есть то, что может перечеркнуть все вышесказанное – прижим. До недавнего времени особенно грешили таким be quiet!.. Поэтому при подборе кулера нужно смотреть на пятно контакта пятки и крышки ЦП. На деле проверить прижим легко: капаем несколько капель термопасты на центр крышки, а затем ставим радиатор и прижимаем штатным креплением. После чего снимаем и смотрим, насколько хорошо растеклась термопаста. Второй не менее важный показатель – устойчивость конструкции после установки. Кулер не должен прыгать после установки как пьяный Винни-Пух по льду, а быть намертво прикован.

Одна трубка – хорошо, а две хорошо-хорошо?

Пронизывающие радиатор теплопроводящие трубки работают на капиллярном принципе. Внутрь помещается летучая жидкость, специальный фитиль (либо на стенки наносится порошковое напыление), а затем откачивается воздух и запаивается. При пониженном давлении любая жидкость быстрее закипает, поднимаясь в виде пара вверх, затем конденсируется. Благодаря капиллярному эффекту конденсируемая жидкость всегда оказывается у основания радиатора. Для процессорных кулеров оптимальными считаются трубки диаметром 4-6 мм (хотя встречаются и больше).
Помимо прочего важно еще учитывать то, как ребра радиатора крепятся к самим трубкам. Способа крепления всего два: пайка и нанизывание. Первый вариант предпочтительнее из-за жесткого крепления, которое не дает гулять пластинам, что не создает при сильном напоре воздуха лишний шум.
Но правило «чем больше – тем лучше» с трубками работает не всегда как хотелось. Дело в том, что забранное с крышки тепло нужно еще и передать на ребра. А с этим не редко случаются проблемы. Порой инженерный просчет оказывается фатальным. Достаточно вспомнить тот же GELID The Black Edition, который и выглядит внушительно, и пятно контакта хорошее, но из-за своеобразного расположения трубок у основания оказался недееспособным.

GELID The Black Edition: большой, увесистый и бесполезный

И вдогонку еще один пример с неудачным расположением трубок в GlacialTech UFO V51. Возможно у кого-то еще остались воспоминания о том недоразумении. Инженеры по какой-то, только им известной, причине решили расположить тепловые трубки далеко друг от друга. В результате проц греет крышку, хотя должен греть трубки.

У GlacialTech UFO V51 не получился вверх полет

Как гонять и не загоняться?

После всей этой простыни у вас должен возникнуть вполне закономерный вопрос – как подобрать кулер под разгон моего *вставье название* до заветных 5 ГГц? Очевидно, для этого необходимо знать, сколько тепла выделит ваш процессор.
Благо все это легко рассчитывается. Известно, что увеличение частоты дает прямую зависимость, а увеличение напряжения – квадратичную. Токами утечки пренебрежем, ибо кого-то может схватить инфаркт. Исходя из этого, получаем формулу для расчета энергопотребления/тепловыделения (они практически равны) разогнанного ЦП.

К полученному результату накиньте 20-30Вт и уже по этим критериям ищите себе кулер.

Подытожим. Основных критерия для подбора кулера ровно четыре:
1. Ровность или выпуклость подошвы
2. Смотрим на то паяно основание, посажено клей или имеет прямой контакт
3. Оцениваем силу прижима
4. Смотрим на тепловые трубки, TDP и прочее

Вертушки крутятся, крутятся

Говоря о кулерах невозможно обойти вниманием то, что непосредственно прогоняет воздух сквозь ребра радиатора. Сами вентиляторы можно разделить на три типа: построенные на основе подшипника скольжения, подшипник качения и гидродинамические (есть и другие, но эти основные). Первые имеют наименьший ресурс на отказ около 25к часов. У вторых ресурс уже переваливает за 50к часов. Но практически все они начинают шуметь, не пройдя и половины жизненного пути. Третьи – самые живучие, но и значительно дороже предшественников. Так что покупать их лучше, когда точно знаешь, зачем они нужны.
Существует мнение, что установка второго вентилятора может значительно понизить температуру. Но зачастую такого не происходит. Но если взять поставить два вентилятора и запустить на 60% -70% оборотов, можно добиться тех же показателей, что и у одного на максимальных. По цене выйдет дороже, но в этом случае шума при пиковой нагрузке будет значительно меньше.

Отдельного абзаца достойна организация охлаждения С-образных кулеров. Все что вам о них нужно знать, это то, что вентиляторы должны дуть на проц, VRM и память. При обратном расположении вентиляторов производительность падает, поскольку горячий воздух забирается от процессора и продувается через радиатор, подогревая его и так по кругу. В остальном – все то же самое.

***
В принципе, тему воздушного охлаждения можно мусолить очень долго, забравшись в дебри, где обитают сошедшие с ума оверклокеры. Но вам это, ни капли не поможет. Ведь, в конце концов, мы исходим не из того, какой у нас камень и какие температуры хотим получить, а какая цель и какие средства мы готовы выделить. Большинство может довольствоваться стоковым i5 и GAMMAXX 300, и в какой-то степени будут правы, а кто-то потребует пассивную машину с многоядерником (да, есть и такие). Я лишь показал на что стоит обратить внимание при выборе системы охлаждения.