Chłodzenie komputera - przegląd metod
Aby zająć się chłodzeniem warto najpierw ustalić, skąd w zasadzie bierze się ciepło w komputerze. Kluczowe jest tutaj pojęcie sprawności. Jest to wielkość fizyczna, która określa, jak skutecznie układ przetwarza dostarczoną energię elektryczną (wyrażoną w dżulach).
W celu ustalenia sprawności musimy podzielić ilość energii przetworzonej (Ewy) przez ilość energii dostarczonej (Ewe). Wychodzi nam ułamek, który następnie przerabiamy do postaci dziesiętnej lub mnożymy przez 100 uzyskując wynik procentowy.
Świetnym przykładem obrazującym tę kwestię jest sprawność tradycyjnych żarówek, która wynosi ok. 5%. Oznacza to, że tylko 1/20 dostarczonej energii jest w tych urządzeniach przetwarzana. Reszta to strata, którą żarówka emituje właśnie w postaci ciepła. Dlatego jest gorąca.
Sprawność części komputerowych
Podzespoły komputerowe, takie jak procesor czy karta graficzna, również generują pewne straty energii. Oczywiście ich sprawność jest stosunkowo wysoka - jednak nie na tyle, aby ciepło było w stanie samodzielnie opuszczać układ w stopniu uniemożliwiającym jego uszkodzenie.
Producenci starają się maksymalnie sprawność podwyższać. Jedną z głównych metod jest zmniejszanie wielkości tranzystorów na procesorach. Przykładowo nowe procesory Intel Haswell są wykonane w procesie 22 nm, podobnie jak poprzednia generacja Ivy Bridge. Starsze Sandy Bridge używają 32 nm.
Wraz ze zmniejszeniem rozmiaru tranzystorów obniża się wymagane do zasilania procesora napięcie. Spada zużycie energii w watach, a tym samym zmniejsza się emisja ciepła. Mimo gigantycznych postępów w tym zakresie w ciągu ostatnich lat nawet Haswelle wymagają jednak chłodzenia.
Chłodzenie aktywne a pasywne
Współczesne urządzenia elektroniczne (w tym komputery) używają zwykle chłodzenia aktywnego lub pasywnego. To pierwsze jest dobrze znane większości właścicieli pecetów. Zawiera wentylator, który wymusza ruch powietrza w pobliżu tzw. radiatora.
Radiator to z kolei specjalne urządzenie mające bezpośrednią styczność z elementem generującym ciepło. Jest ono wykonane z metalu o dobrych właściwościach przewodzących (miedź, aluminium). Zwykle jest połączone z podzespołem za pomocą warstwy pasty, która dodatkowo poprawia przewodnictwo cieplne.
Radiator pobiera ciepło z elementu, a następnie oddaje go do powietrza. Wentylator wymusza obieg tego powietrza, dzięki czemu proces przekazywania ciepła jest skuteczniejszy. Im większa różnica temperatur między radiatorem a powietrzem, tym ciepło oddawane jest szybciej.
Stale chłodzony radiator jest z kolei w stanie sprawnie pobierać ciepło z podzespołu komputera. Nowoczesne wentylatory PWM pracują raz szybciej, raz wolniej - dzięki temu dostosowują się do emisji ciepła i przy mniejszym obciążeniu pozostają cichsze. Daje to użytkownikowi większy komfort.
Chłodzenie pasywne bazuje na konwekcji swobodnej. Nie ma tu wentylatora wymuszającego przepływ powietrza. Radiator musi radzić sobie sam. Chłodzenie pasywne spotykamy m.in. na procesorach smartfonów oraz tabletów. Używane przez nich niskie napięcie sprawia, że ilość generowanego ciepła jest niewielka.
Każdy kto uruchomił jednak na telefonie wymagającą grę 3D wie jednak, że temperatura może gwałtownie wtedy wzrosnąć. Obudowa robi się gorąca, czasami urządzenie mobilne się nawet wyłącza w celu ochrony kluczowych podzespołów.
Chłodzenie wodne
Specyficzną odmianą chłodzenia, które łączy zalety metody pasywnej i aktywnej, jest chłodzenie wodne. Dawniej uchodziło ono za ekstrawagancję. Dziś jest jednak coraz popularniejsze w desktopach ze średniej i górnej półki. Zamiast powietrza czynnikiem chłodzącym jest tutaj ciecz (niekoniecznie czysta woda).
System taki składa się z wykonanych z tworzywa sztucznego rurek instalowanych wewnątrz obudowy komputera stacjonarnego. Rurki doprowadzają ciecz do tzw. bloków wodnych. Blok jest z kolei zbudowany z płytki miedzianej lub aluminiowej, która dotyka nagrzewającego się elementu.
Drugi element bloku to tzw. top, który pełni rolę zbiornika na przepływającą wodę. Top podłącza się do rurek króćcami podobnymi do tych używanych w instalacjach hydraulicznych. System chłodzenia cieczą to także chłodnica, czyli element w którym nagrzana woda powraca do swojej wejściowej temperatury.
Kluczową rolę odgrywają ponadto pompka, która wymusza obieg cieczy oraz rezerwuar pełniący funkcję zbiornika wyrównawczego. Chłodzenie wodne może obejmować CPU, kartę graficzną, mostek północny na płycie głównej itd.
Poza wodą (zwykle destylowaną) chłodzenie cieczą może bazować na specjalnych płynach podobnych do tych stosowanych w klimatyzacji czy ciekłym azocie. Ten ostatni wariant jest jednak drogi i trudny w utrzymaniu, więc nadaje się głównie do celów pokazowych.
Wada chłodzenia cieczą to koszt. Kompletny system do samodzielnej instalacji stanowi wydatek rzędu kilkuset złotych. Za zaawansowane rozwiązanie należy dać nawet ponad 1000 zł. Tymczasem za 200-300 PLN można skompletować wysokiej klasy system chłodzenia aktywnego opartego na wentylatorach.
Ciecz to raczej rozwiązanie dla wymagających użytkowników, którzy regularnie obciążają swoje komputery (np. najnowszymi grami wideo) i jednocześnie chcą mechanizmu cichego oraz niewymagającego ciągłej konserwacji (czyszczenia, wymiany niektórych elementów).
Chłodzenie w laptopach
Komputery przenośne od kilku lat stopniowo wypierają modele stacjonarne. Chłodzenie w tych ostatnich było bardzo proste - wystarczyło zamontować w odpowiednich miejscach radiatory i wentylatory (zazwyczaj na karcie graficznej, GPU i zasilaczu), aby uzyskać prawidłowe parametry pracy.
Obudowy laptopów są jednak zapełnione w znacznie większym stopniu niż "blaszaki". Mniejsza ilość wolnego miejsca sprawia, że chłodzenie staje się większym wyzwaniem. Wentylatory muszą być mniejsze, podobnie jak radiatory. Im wyższa wydajność, tym problem jest poważniejszy.
Problemy z przegrzewaniem się dotyczyły szczególnie pierwszych generacji netbooków oraz ultrabooków. Małe obudowy nie radziły sobie z oddawaniem ciepła. Nie pomagało nawet montowanie gigantycznych (w porównaniu z całością) otworów wentylacyjnych (umieszczonych zwykle z boku obudowy).
Nowe generacje procesorów doprowadziły do zwiększenia skuteczności chłodzenia. Pomogło także zastosowanie innych typów materiałów, takich jak polimery czy metal w obrębie obudowy. Cechują się one znacznie lepszym przewodnictwem cieplnym niż jakikolwiek plastik.
Producenci nauczyli się także wykorzystywać do rozpraszania ciepła... wzornictwo. Nowoczesne obudowy są projektowane tak, aby zapewnić ciekawy wygląd lub kształt detali laptopa, a jednocześnie użyć tych elementów do zwiększenia skuteczności chłodzenia.
Dbanie o układ chłodzenia
Aby zagwarantować sobie maksymalną wydajność chłodzenia powinniśmy przede wszystkim pamiętać o jego czyszczeniu. W przypadku desktopów sprawa jest prosta - zdejmujemy boczny panel obudowy, bierzemy do ręki pojemnik ze sprężonym powietrzem i wydmuchujemy nagromadzony kurz.
Kurz jest problematyczny z kilku względów. Po pierwsze dostaje się do łożysk wentylatorów i tym samym zakłóca ich pracę. Po drugie działa jak izolator cieplny zmniejszając skuteczność radiatorów. Jednocześnie jest przewodnikiem elektrycznym - zwiększa więc ryzyko wystąpienia zwarcia.
W laptopach czyszczenie jest większym wyzwaniem. W celu usunięcia kurzu należy zdemontować klawiaturę (o tym jak to zrobić, pisaliśmy tutaj) oraz tylny panel, na którym często umieszczona jest plomba producenta lub sprzedawcy. Zerwanie plomby grozi utratą gwarancji.
Dlatego też laptopy często musimy czyścić w autoryzowanych serwisach. Sytuacja taka utrzymuje się od roku do dwóch od momentu zakupu, w zależności od tego ile producent dał nam gwarancji.
Beznadziejnie zabrudzone lub wytarte łożyska mogą sprawić, że konieczna będzie wymiana wentylatora. Szczególnie w przypadku laptopów taka procedura może być kosztowna. Uporczywe grudki kurzu można najpierw spróbować usunąć plastikową pęsetą, potem potraktować całość sprężonym powietrzem.
Diagnostykę temperatury peceta umożliwia program o nazwie SpeedFan. Uzyskuje on dostęp do wbudowanych w podzespoły czujników temperatury, które służą przede wszystkim do awaryjnego wyłączania po wykryciu przegrzania. SpeedFan pomoże nam sprawdzić, czy chłodzenie działa prawidłowo.
Wymiana pasty termoprzewodzącej
Raz na 2-3 lata konieczna okaże się wymiana pasty termoprzewodzącej zlokalizowanej między GPU/CPU a radiatorem. W tym celu musimy odkręcić najpierw wentylator, potem zdemontować miedziany czy aluminiowy blok chłodzący, a następnie delikatnie usunąć starą pastę (będzie miała postać twardej skorupy).
Potem nakładamy nową warstwę zgodnie z instrukcjami na opakowaniu. Zazwyczaj zaleca się wyciśnięcie jednej dużej kropli lub kilku małych. Pastę wstępnie rozprowadzamy za pomocą starej karty płatniczej czy telefonicznej. Nie dociskamy karty do powierzchni procesora.
Potem montujemy radiator - dociśnięcie tego elementu sprawi, że pasta równomiernie rozleje się po procesorze. Na koniec instalujemy wentylator porządnie go wcześniej przy okazji czyszcząc. Pamiętamy o kablach zasilających ten element komputera. Są one podłączane do płyty głównej.
Alternatywą dla pasty jest taśma termoprzewodząca. Stosuje się ją głównie tam, gdzie mamy do czynienia z małymi elementami na płytkach PCB (karta graficzna, płyta główna). Jeśli wymieniamy radiator na lepszy możemy kupić od razu taki, który ma fabryczną warstwę taśmy.
Dobre praktyki
Nawet najlepsze chłodzenie nie zwalnia nas z obowiązku stosowania pewnych dobrych praktyk w zakresie eliminowania nadmiaru ciepła. Komputer zrewanżuje nam się rzadszymi awariami, wyższą wydajnością oraz dłuższą żywotnością baterii (która mocno cierpi od wysokiej temperatury).
Wśród najważniejszych zasad należy wymienić odpowiednie umiejscowienie urządzenia. Chodzi o to, aby zadbać o właściwy przepływ powietrza.
Desktop powinien stać na biurku (podłoga to gorszy pomysł, bo tam zawsze jest więcej kurzu). Należy unikać biurek ze specjalnymi półkami na komputer - ścianki są często za blisko obudowy, w której znajdują się otwory do pobierania chłodnego powietrza.
W przypadku laptopa unikamy stawiania go na kołdrze, kocu czy innej miękkiej powierzchni, która będzie dokładnie przylegała do spodu obudowy. Jeśli już musimy korzystać z peceta w łóżku, dajmy pod niego np. podkładkę kuchenną, segregator czy podkładkę do pisania.
Alternatywnie możemy zdecydować się na zakup podkładki chłodzącej (pasywnej lub aktywnej - z wentylatorami). Nie tylko poprawia ona chłodzenie, ale zwiększa także ergonomię pracy. Dostęp do klawiatury jest wygodniejszy. Podstawowe modele kosztują raptem kilkadziesiąt złotych.
Rozwiązaniem awaryjnym, przydającym się szczególnie w upalne dni, jest zakup niewielkiego wentylatora na USB. Strumień powietrza kierujemy po prostu na klawiaturę. Pamiętamy ponadto o nieblokowaniu i niezastawianiu otworu wentylacyjnego znajdującego się z boku obudowy.
Wentylator na USB przyda się również wtedy, gdy okazyjnie mocno obciążamy peceta - np. raz na jakiś czas gramy w grę albo edytujemy plik wideo. Pewien wpływ na przegrzewanie się mają sterowniki i BIOS - aktualizacja tych elementów oprogramowania może pomóc w walce z wysoką temperaturą.