У всех элементов, применяемых в радиоэлектронике, у полупроводниковых приборов, а особенно у процессоров персональных компьютеров, есть максимальная температура, при которой все они остаются работоспособными. Причём это температура, при которой технические характеристики сохраняются в течение всего заданного срока эксплуатации. Но существует и предельная температура, которая выше максимальной рабочей, но при превышении данной температуры срок службы процессора и его производительность существенно снижается, кроме того не гарантируются его характеристики и работоспособность. Таким образом, отвод тепла от процессоров в настоящее время и в обозримом будущем будет являться крайне актуальным вопросом.
На сегодняшний день существуют различные виды систем охлаждения процессоров персональных компьютеров. Рассмотрим математические и технические аспекты, а также принцип работы систем охлаждения процессоров персональных компьютеров различного типа.
Физический процесс охлаждения процессоров основан, как и охлаждение любого другого элемента электроники, основан на передаче тепла от более нагретого тела (процессора) к менее нагретому (системе охлаждения). Для охлаждения необходимо организовать подведение некоторого рабочего вещества, которое называют хладагентом теплоносителем. Существует несколько видов теплопереноса. Первый это теплопроводность, способность вещества проводить тепло внутри своего объёма; в этом случае нужно только создать физический контакт некоторого объёма вещества с охлаждаемым объектом. Второй механизм: конвективный теплообмен с хладагентом, связан с физическим переносом охлаждающего вещества.
Различают следующие основные виды систем охлаждения процессоров ПК:
• Пассивное охлаждение,
• Системы воздушного охлаждения,
• Системы жидкостного охлаждения.
При пассивное охлаждение отвод тепла от процессора осуществляется излучением тепла и естественной конвекцией. Пассивным охлаждением могли довольствоваться отдельные компоненты компьютера (в том числе процессоры 1980-х начала 1990-х годов), при условии, что их радиаторы помещены в достаточный поток воздуха, создаваемый рядом расположенными вентиляторами других устройств. Плюсом данного вида охлаждения является отсутствие шума. Минус – из-за низкой теплопроводности воздуха, сложно организовать эффективное пассивное охлаждение в воздушном пространстве, особенно для энергонагруженных элементов, какими являются современные процессоры.
Системы воздушного охлаждения. Принцип работы заключается в непосредственной передаче тепла от нагревающегося компонента на радиатор за счёт теплопроводности материала или с помощью тепловых трубок. Радиатор излучает тепло в окружающее пространство системного блока ПК тепловым излучением и передаёт тепло теплопроводностью окружающему воздуху. Это происходит в основном за счет вентиляторов, установленных на радиатор, а также за счет теплопроводности окружающей среды (воздуха, находящегося в блоке). Такой тип охлаждения систем процессоров ПК является наиболее распространенным в настоящее время. Безусловным преимуществом такой системы охлаждения является универсальность и невысокая стоимость. Однако есть и минусы – высокоэффективные и тихие системы такого типа охлаждения весьма дороги, а дешёвые отличаются высоким уровнем шума. Кроме того, они не могут являться оптимальными для производительных процессоров последних поколений: AMD FX и Intel Core i7.
Системы жидкостного охлаждения. Циркулирующая жидкость обеспечивает гораздо лучшее теплоотведение, чем поток воздуха. Холодная жидкость прокачивается через радиаторы охлаждаемых устройств, в которых она нагревается (отводит тепло). После этого нагретая жидкость поступает в теплообменник, в котором обменивается теплом с окружающим пространством и охлаждается (под действием вентиляторов). Для того чтобы заставить жидкость циркулировать по замкнутому корпусу, применяется специальный насос – помпа. Плюсы данной системы – бесшумность работы, высокая эффективность охлаждения, увеличение производительности процессоров. Однако такие системы отличаются сложностью установки.
В инженерной практике, а также при разработке ПК, широкое распространение получила приближенная математическая модель конвективного теплопереноса [1-2], основанная на линейном уравнении теплообмена Ньютона и концепции коэффициента теплоотдачи (КТО). Уравнение Ньютона постулирует, что тепловой поток Q, передаваемый от нагретой поверхности тела площадью S в жидкостную среду, пропорционален первой степени разности температуры поверхности тела Tw и среды Ta, а именно
Q = α S (Tw – Ta ). (1)
Коэффициент пропорциональности α называется коэффициентом теплоотдачи, включающим в себя, согласно концепции КТО, всю сложность процесса конвективного теплопереноса, который пока не поддается математическому моделированию. Адекватность КТО в большинстве случаев невозможно достоверно оценить, а результаты моделирования, получаемые на ее основе, могут довольно существенно отличаться от данных эксперимента, достигая десятков процентов. Альтернативой концепции КТО является подход, при котором проблема теплообмена рассматривается в сопряженной постановке.
Основной средой в электронных устройствах является воздух, который может, как подаваться (нагнетаться) от внешних устройств, приводя к вынужденной конвекции, так и находиться в свободном состоянии естественной конвекции. Рассмотрим уравнения математической модели конвективного теплообмена воздушной среды.
Рассмотрим свободную естественную конвекцию в замкнутом объеме некоторого электронного устройства. Воздушную среду будем считать несжимаемой, то есть давление в воздухе предполагается мало изменяющимся, так что изменением плотности воздушной среды под влиянием изменения давления можно пренебречь. Наибольший же интерес для практики представляют установившиеся процессы теплообмена, поэтому уравнения математической модели считаются стационарными и не зависящими от времени.
Уравнение Навье–Стокса в воздушной среде:
(2)
Уравнение переноса энергии в воздушной среде:
(3)
Уравнение непрерывности воздушной среды:
(4)
Уравнение теплопроводности пластины:
(5)
Граничные условия для скоростей воздуха:
vx = vy = 0 при y = 0; vx = 0, T = T0 (6)
для значений y вне пограничного слоя.
Граничные условия 4-го рода:
Здесь vx и vy – скорость воздуха вдоль осей x и y соответственно; T = T(x, y) и Tw = Tw(x, y) – распределение температуры в воздушной среде и пластине соответственно; Q(x, y) – объемная плотность распределения интенсивностей источников теплоты в пластине; T0 – температура воздуха за пределами пограничного слоя.
Отметим, что граничные условия на противоположной поверхности пластины определяются конкретными условиями теплообмена для данной конструкции электронного устройства. Так, если с обратной стороны пластины происходит конвективный теплообмен, к математической модели (2)–(7) необходимо добавить аналогичные уравнения и граничные условия.
Если рассматривается вынужденная конвекция, возникающая в электронном устройстве при нагнетании воздуха со скоростью vс от внешних устройств, то в случае ламинарного режима течения математические модели вынужденной и свободной конвекции совпадают, за исключением того, что конвективный член bg(T – T0) в соответствующих уравнениях будет отсутствовать, а в граничном условии (6) для значений координаты y, лежащих вне пограничного слоя, вместо vx=0 должно быть задано условие vx = vc. Когда при нагнетании воздушной среды скорость воздуха достигает величины, при которой критерий Рейнольдса Re = vc L / ν становится больше своего критического значения Reкр, возникает турбулентный режим движения воздуха.
Протекание конвективных процессов теплообмена определяется влиянием множества факторов, таких как геометрические размеры конкретного электронного устройства, его конструктивные особенности, герметичность устройства, наличие вентиляционных отверстий, пространственное расположение элементов внутри устройства, характер ограниченности пространства и пр.
Особый интерес в области компьютерной электроники может представлять проблема проектирование и создание систем охлаждения процессоров персональных компьютеров, на основе намагничивающихся нанодисперсных жидкостей, решением которой мы занимаемся в рамках Гранта Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере. Преимуществом таких систем охлаждения являются высокие показатели мощности отводимого тепла (TDP), которые позволят добиться максимальной производительности процессора. Кроме того, традиционные системы воздушного охлаждения характеризуются высоким уровнем шума, приближающимся к верхней границе нормы безопасности, жидкостное охлаждение на основе магнитных жидкостей позволит сделать системы охлаждения компьютеров практически бесшумными.
В современном мире, где постоянно растут тактовые частоты, вычислительные мощности, стало реальным использовать многоядерную архитектуру, что сделало возможным поднять производительность ПК на новый уровень. Но обратная сторона медали заключается в том, что при увеличении тактовых частот соответствующим образом увеличивается тепловыделение электронных компонентов. Собственно это и есть проблема охлаждения компьютера, решение которой придёт к эволюции в области электроники.
Качественно новое инженерное решение в области охлаждения процессоров персональных компьютеров может быть предложено на основе механизма термомагнитной конвекции, реализуемое в жидких намагничивающихся нанодисперсных средах (магнитных жидкостях) [3-11].
Работа выполнена при финансовой поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.