Из какого металла крышка процессора

Обновлено: 07.05.2024

Известно, что способ теплового контакта IHS (теплораспределительной крышки) с кристаллом процессора оказывает существенное влияние на тепловой режим процессора и его надежность в режиме больших тепловых нагрузок. Подтверждение тому, множество публикаций на тему ее снятия. Обычно при непосредственном контакте с кулером кристалла процессора можно выиграть до 5°С.
Публикую данный материал здесь потому что тип интерфейса IHS - кристалл существенно влияет на тепловой режим процессора и его важно учитывать в тепловых расчетах.

IHS (integrated heatsink) - интегрированная теплораспределяющая пластина (крышка)

- предназначена, вопреки мнению некоторых знатоков, для равномерного распределения тепла по поверхности кристалла. Потому что области кристалла где находятся ядра имеют тепловыделение многократно превосходящее тепловыделение остальных участков процессора, а теплопроводность структуры процессора много хуже теплопроводности медной пластины. Тем более в пределах 10 толщин IHS пластины.

- Sollder in lid - припой (паста), Scalant - уплотнитель, IHS - теплораспределяющая пластина, Silicon die - кремниевый кристалл, substrate - подложка (контактная панель процессора).

Существует два вида применяемого термоинтерфейса:

Процессоры где в качестве термоинтерфейса применяется припой предназначены для тяжелого теплового режима работы.

Как Вы понимаете, список не полный и он пополняется только практической проверкой при удалении крышек. Поэтому если Вы имеете дополнительную информацию присылайте ее автору.

В документации на процессоры, к сожалению, производители не указывается вид термоинтерфейса.

И это они делают правильно.

Я бы, зная об этом, конечно выбрал бы паянный процессор.

А это надо производителю?

Это сейчас называется маркетинг:

Им надо втюхать потребителю, то что им подешевле обходится в производстве.
А тем более, что процессоры с термоинтерфейсом в виде пасты имеют ограниченный срок службы, а это заставит потребителя своевременно менять процессор.
Меняя который потребитель подумает - "а не лучше ли поменять и плату на более современную, производительную",
А меняя процессор, плату - можно уж поменять весь компьютер.

Производители скромничают и чтобы не подрывать продажи просто не указывают вид термоинтерфейса, да и о его тепловом сопротивлении тоже не указывают в документации, где приводятся другие технические характеристики.

Да это и понятно.

Указать характеристику которая может существенно изменяться и увеличит число рекламаций это просто не выгодно.

Не забывайте, что для надежного теплового контакта кулера непосредственно с кристаллом процессора необходимо иметь плоское основание кулера, обеспечивающее тепловой контакт по всей поверхности. Не все кулеры на тепловых трубках могут обеспечить это!

Где тонко там и рвется

Тепловыделение современных скоростных процессоров, не смотря на снижение технологических норм, не снижается. TDP приблизился 100 Вт. При этом тепловыделение очень неравномерно по поверхности кристалла. Известно, что основной тепловыделяющий узел процессора — ядро, На него приходится от 50 до 80% выделяемой мощности ( в зависимости от загрузки процессора ) при занимаемой им площади менее 30%.
Термические эффекты в конструкции, это еще одно тонкое место в современных процессорах.

Все сказанное ниже относится к современным процессорам производства Intel и AMD.

Кроме задачи отвести тепло от процессора существует задача и равномерного распределения по кристаллу. Проблема существует и описывается в публикациях в Internet, я встречал термограммы процессора. Проблема решается просто, на кристалл, легкоплавким припоем, припаивают медную пластину. Медь при ее высокой теплопроводности равномерно распределяет тепло по поверхности кристалла.

Производители пошли дальше, они увеличили площадь пластины до размеров чуть меньше панели держателя кристалла (около 37х38 мм ), с целью увеличить площадь контактной поверхности (кристалл — пластина) и кулера, а через нее улучшить отвод выделяемого тепла от процессора.

Реальные данные и конструкции по двух ядерным процессорам смотрите в табл.1 и 2.

Как это выглядит на примере процессора Pentium D 850:

К слову AMD Quad Core CPU уже имеет тепло распределительную крышку по конструкции аналогичную процессорам Intel. Это более жесткая конструкция.

Процессоры Intel Quad Core имеют следующую конструкцию:

Для придания жесткости крышке по ее периметру выполнен профиль по форме различный у Intel и начальных моделей AMD. Его функция, в увеличении жесткости крышки для предотвращения ее деформации при тепловых перепадах.

Но проблема тепловых деформаций изделий сложной конструкции (множество разнородных элементов), специалисты не дадут соврать, очень сложна и смоделировать их в широком (15-95 град. С) температурном диапазоне практически невозможно (очень сложно).

Логика подсказывает что это так, но это подтверждается и практикой.

«Год назад была куплена мать MSI K9N SLI Platinum, процессор Athlon64 X2 4400+ ядро Brisbane степпинг G1, кулер дешёвый Titan TTC-NK32TZ. Сразу после покупки прогнал проц в штатном режиме под S&M. Результаты были не очень впечатляющие, но процессор не перегревался. Разогнать тогда не пробовал - не до того было. Со временем ситуация с температурой стала ухудшаться, и в конце концов процессор стал перегреваться на штатной частоте и с заниженным напряжением 1.2 В. Замена кулера показала, что дело не в нём - процессор горячий, подошва кулера холодная. Значит - процессор. Теплораспределительные крышки на современных процах мне никогда не нравились, т.к. руки прямые и ни одного кристалла я не колол - даже когда ставил килограммовый Tower112 на бартон. После непродолжительных поисков в и-нете наткнулся на эту ветку. Прочитал от начала до конца, прикупил канцелярский нож и вечером сел оперировать. Всё оказалось достаточно просто, главное - не торопиться и делать всё аккуратно. Под крышкой я нашёл нечто похожее на полузасохшую жвачку серого цвета - не очень впечатляюще, хотя след от термопасты на кристалле был нормальный. Решил ставить кулер на голый кристалл. Титановское крепление для этого категорически не подходило, поэтому переделал винтовое крепление вышеупомянутого Tower112 (в оригинале он не предназначен для сокета AM2). Теперь всё стало отлично - процессор стал очень холодным и разогнался с 2.3 до 2.8 ГГц даже на стандартных 1,3 в. Буду гнать дальше, в комплекте с OCZ'шной памятью результаты должны быть неплохие.»

Дополнительным подтверждением проблемы является и переход AMD на более жесткую крышку в процессорах AMD Quad Core.

Чем это вызвано?

Если пластина металла нагрета с одной стороны больше чем с другой, учитывая что коэффициент линейного расширения есть функция температуры, такая пластина деформируется.

На рисунке 2 показана такая ситуация, причем t₂>t₁ , тогда возникает прогиб пластины на величину h . Величина h невелика, как невелик и перепад температуры, но при зазоре между процессором и кулером заполненном теплопроводящей пастой равном 20-40 мкм даже 1-5 мкм, это много. Как уже писал выше Detuner, за год таких термоциклов тепловой контакт кристалл - теплоотводящая пластина ухудшился настолько, что процессор стал перегреваться. Не последнюю роль при этом играют большие линейные размеры пластины.

Давно известен способ крепления теплоотводящих элементов к кристаллу - это пайка. Легкоплавкие припои имеют теплопроводность от 20 до 60 Вт/(м*К). Толщина слоя припоя соизмерима с теплопроводящими пастами, а тепловое сопротивление больше чем на порядок меньше. В структуре КРИСТАЛЛ - ПРИПОЙ - ТЕПЛОРАСТРЕДЕЛИТЕЛЬ из-за градиентов температур возникают механические напряжения. При современных размерах кристалла они не достигают величин приводящих к разрушению кристалла.

В практических конструкциях производители процессоров в любом случае должны избегать избыточных элементов в цепи теплового потока, поскольку они приводят к вредным деформациям в конструкции.

Реальные цепи по которым проходит тепловой поток много сложнее и из-за применения материалов с сильно различающимися характеристиками и сильной неоднородности этого потока, поэтому учесть их влияние очень сложно.

Ясно одно, при современных небольших размерах кристалла, мощности и неоднородности теплового потока задача отвода тепла от кристалла процессора это одна из главных задач. А саму проблему можно назвать "Тепловой барьер" и пока кардинально она не может быть решена.

Узкие места конструкции

Попробуем рассмотреть узкие места современных конструкций системы "панель - процессор - кулер" и цепь прохождения теплового потока.

Схематически конструкция показана на рис.3

Здесь: 1- Системная плата, 2- панель процессора, 3- процессор, 4- кулер, 5- механизм крепления кулера с прижимающей силой F .

Выделенный фрагмент, где показаны сочленения относящиеся к процессору, укрупнено показан на рис. 4 .

Здесь: 6- держатель кристалла процессора, 7- компаунд фиксирующий кристалл (чип) процессора, 8 - собственно чип, 9- теплопроводяший элемент между кристаллом и защитной (теплораспределительной) крышкой, 10- теплораспределительная крышки.

Все элементы конструкции имеют различные коэффициенты объемного/линейного расширения. Он лежит от 120х10 -6 град -1 для конструкционных пластмасс до 16х10 -6 град. -1 . В результате при изменении температуры существенно меняются параметры размерной цепи и как результат прижимное усилие.

Заключение

И самое главное!

Любой промежуточный элемент между кристаллом и кулером вносит дополнительное тепловое сопротивление, величина которого зависит от применяемых материалов, но всегда больше чем при непосредственным контактом с поверхностью кристалла.

Для чего нужна тeплораспределительная пластина (IHS) процессора?

Если Вы посмотрите на современный процессор, то Вы не увидите на нем кристалла. Он скрыт под металлической крышкой. Это и есть теплораспределительная крышка или как ее еще называют специалисты IHS (integrated heatsink) - интегрированная теплораспределяющая пластина. Она изготавливается из меди, на поверхность которой нанесен тонкий слой гальванического покрытия., Производители считают, что она выравнивает температуру по поверхности кристалла.

Введение

Еще осенью 2002 года компания AMD выпустила обновлённую версию ядра Thoroughbred (ревизия B0). Старшая модель Athlon XP на ядре Thoroughbred ревизии B0 работала на частоте 2200 МГц. (частота процессора на ядре Thoroughbred первой версии, составляла 1800 МГц).

Вторая версия процессора с ядром Thoroughbred -B отличалась от первой введением на кристалле дополнительных фильтрующих конденсаторов и дополнительного медного слоя, который наряду с ролью обкладки конденсатора фильтра играл и роль теплопроводящего слоя выравнивающего температуру по поверхности. Это была первая попытка повысить частоту процессора за счет, в том числе, и выравнивания температуры

В 2003, разбираясь с тепловыделением различных участков чипа процессора было обнаружено, что их нагрев существенно отличается.

Исследовательской лабораторией корпорации Intel под руководством Ram Krishnamurthy проводились исследования, с целью определить, какие конкретно участки микропроцессора выделяют больше тепла, а какие - меньше. Для этого они использовали широко известную технологию "тепловидения". Исследователи ядра процессора обнаружили, что совсем небольшой его участок – а точнее, место сосредоточия модулей логических и арифметических операций – ALU (Arithmetic and Logic Unit) – нагревается до 127 °C, в то время как область кеш-памяти – существует при вполне приемлемой температуре 65 °C, а остальные и того меньше.

На рис.1 показана термограмма сопровождающая обсуждения исследования Ram a Krishnamurthy.

Данная термограмма также подтверждает приводимое мной ранее данные, что эффективная теплопроводность IHS обеспечивается на расстоянии равном 5-7 ее толщин.

Результатом работы Ram Krishnamurthy было изменение конструкции ALU с целью снижения его тепловыделения (температуры).

Правда зная подход Intel и историю развития процессоров можно с уверенностью утверждать, что в результате работ температура ALU снизилась незначительно , поскольку после этого была максимально увеличена загрузка ALU процессора.

Такой же характер носит распределение температур по поверхности кристалла CPU и GPU других моделей и производителей.

И даже у Intel после переделки организации и структуры ALU которые были выполнены по результатам описанный работы Ram Krishnamurthy проблема не пропала, потому что Intel сразу же дополнительно нагрузил ALU с целью повысить общую производительность процессора.

Назначение IHS

Если вам в руки попадет современный процессор, то с одной его стороны Вы увидите ряды контактных ножек, а с другой примерно то что изображено на рис.1 (хотя конструкция может меняться даже у одного производителя)

Это и есть IHS (integrated heatsink) - интегрированная теплораспределяющая пластина.

IHS выполняет множество задач.

Главная, (для чего она и создавалась) это выравнивание (распределение) температуры по поверхности кристалла.

Как мы видим из термограммы процессора показанной на рис.1, на поверхности кристалла имеются области с температурой:

более 120°С - ALU
около 65°С - область кеш-памяти,
менее 60°С - остальные области.

Этот перепад температур создает на поверхности кристалла, в областях максимальных градиентов температур, механические напряжения. Для снижения градиентов температур и применяется теплораспределительная пластина - крышка.

некоторое увеличение контактной (кристалл-радиатор) поверхности - до 20-30%.

зашита кристалла от механического воздействия охлаждающих конструкций,

Принцип работы

Теплораспределяющая пластина выполненная из металла с высокой теплопроводностью (меди - Cu , λ _Cu =389 Вт/м град ). За чет этого тепловой поток распространяется как перпендикулярно IHS пластине, так и вдоль ее поверхности.

Тепловой поток от кристалла распространяется через крышку к кулеру "растекаясь" за счет высокой теплопроводности вдоль поверхности крышки. Это "растекание" составляет около 3-7 h .

Мы должны знать, что теплопроводность пластины кремния (материал процессора) более чем в два раза ниже, λ_Si =149 Вт/м град. Теплопроводность слоистой структуры процессора еще меньше. Поэтому применение медного основания Si кристалла должно улучшать его тепловой поток.

Поскольку тепловое сопротивление пропорционально пути пройденному тепловым потоком (δ) :

где: λ - коэффициент теплопроводности, δ - толщина стенки, S - площадь теплопроводящей поверхности.

То вдоль IHS пластины тепловое сопротивление растет и эффективное ослабление теплового потока начинает сказываться уже на расстоянии примерно 3 h ( h -толщина IHS пластины), а на расстоянии (5-7 )h тепловой поток вдоль пластины можно считать существенно меньшим его перпендикулярной составляющей.

С точки зрения распространения теплового потока в направлении от источника тепла к кулеру (перпендикулярно IHS пластине) любая прослойка должна иметь как можно меньшую толщину. Это касается и материалов с высокой теплопроводностью.

А с точки зрения ее основной функции (выравнивания температуры на контактной поверхности кристалла) ее толщина ( h ) должна быть максимальна.

Функцию теплораспределительной пластины несет только ее плоская часть, которая одной стороной контактирует с кристаллом процессора, а другой с подошвой кулера. Все контактирующие поверхности должны быть плоскими для обеспечения контакта по всей поверхности.

Она так же должна быть больше, чтобы исключить тепловые градиенты на ТР пластине и соответственно деформации IHS пластины.

Причины термической деформации.

Все материалы при нагреве расширяются. Медь это материал который наравне с высокой теплопроводностью (389 Вт/м град) имеет и высокий коэффициент линейного расширения ( α =16,7х10 6 1/град ) поэтому при нагреве медной пластины, медь расширяется и удлиняется больше в наиболее нагретых областях.

Что дает применение IHS

Что ни говори, а хоть как-то но теплораспределительная пластина выполняет свою задачу. Она распределяет температуру точечных источников тепла на 3-4 мм от его центра. Но самое главное она защищает кристалл от механического воздействия.

Недостатки

Практика показывает, что при принятых толщинах IHS ее тепло выравнивающая эффективность низка и она служит в основном для механической защиты кристалла процессора.

Термоинтерфейс кристалл - пластина

Как это ни странно большинство процессоров имеющих теплорапределительную пластину используют в качестве термоинтерфейса между пластиной и кристаллом теплопроводящую пасту, а не пайку. От этого не только растет тепловое сопротивление, но и снижается срок службы процессора при больших его производительностях. Это происходит из-за циклической деформации теплораспределительной пластины, что "жует" термоинтерфейс, засасывает в него воздух. В результате со временем термоинтерфейс превращается в пористую губку и теряет свои теплопроводящие свойства.

Применение припоев в качестве термоинтерфейса снижает температуру кристалла процессора на 4-7°С, уменьшает неравномерность нагрева поверхности кристалла процессора,

Выводы

Для нормального выполнения своей функции (с точки зрения физики) IHS (integrated heatsink) - интегрированная теплораспределяющая пластина должна иметь толщину 1/2 -:- 1/3 минимального линейного размера кристалла. В этом случае она обеспечит равномерное распределение температуры по поверхности кристалла и исключит механические деформации IHS .

Процессоры, в первую очередь работающие при больших нагрузках, должны иметь металлический термоинтерфейс между кристаллом и IHS . Особенно это относится к процессорам для разгона, которые работают в режиме термоциклирования (чередования максимально допустимых - минимальных температур). Это позволит снизить примерно на 5°С температуру процессора, повысить его ресурс.

Изгиб крышки и текстолита на примере i5 12400. Проверяем на практике

Сегодня попробуем проверить, есть ли изгиб теплораспределительной крышки на Intel Core i5 12400 и стоит ли бить тревогу из-за этого, судорожно заказывая новую защёлку сокета с Алиэкспресс.

После нескольких комментариев в предыдущих темах (андервольт 12400 и RTX 3050) решено было проверить последствия нового инженерного решения от Intel. Тем более данный вопрос не на шутку заставил гореть людей на Reddit, Derbauer, Igor’s Lab и тд. Кроме того появилось несколько тестов и статей (к примеру tomshardware ), которые показывали, что изгиб крышки появляется спустя уже первые 10 часов использования процессора, установленного в сокет LGA1700 на материнской плате.

Во избежание лишних вопросов, сразу отмечу, что процессор в моей системе установлен почти месяц, подвергался всяким издевательствам, раз 5 вытаскивался из сокета и ставился обратно. Всё это добро работает под народным кульком ID-Cooling SE-224-XT, к которому при апгрейде был докуплен комплект креплений ID-Cooling KIT-XT-LGA1217.

Основание практически идеально ровное, прижимаю всегда до упора, термопаста Arctic MX4.

Нет цели преследовать погоню за каждым градусом, чтобы ставить рекорды, процессор не гонится по шине на данной плате, важно проверить только деформацию комплектующих.

Примеры изгибов от других пользователей:

Тестовая система:

- Процессор Intel Core i5-12400 (не F версия)

- Кулер ID-Cooling SE-224-XT (плюс отдельно купленные крепления для LGA1700)

- Материнская плата ASRock B660M Pro RS mAtx

- Оперативная память Crucial Ballistix 2x8GB DDR4 PC4-28800 BL8G36C16U4W

- SSD Kingston NV1 1TB SNVS/1000G m2

- Видеокарта Palit GeForce RTX 3050 StormX 8G NE63050019P1-190AF

- Блок питания ASUS ROG-STRIX-550G

- Корпус SilentiumPC Krux Naos TG KRX0089 (он же Sama im01 и тд. Имеет много названий, шасси одно и то же)

- Охлаждение: 2xbe quiet! Shadow Wings 2 120mm BL084 снизу, 1xNoctua NA-FK1 redux сзади, 1xNoctua NA-FK1 redux сверху, 1xNoctua NF-P12 Redux-1300 PWM на кулере, заменен вместо штатного 224XT.

Замеры:

Первым делом, не снимая систему охлаждения, замеряю с обратной стороны материнской платы изгиб текстолита.

Хм, что-то не сходится. Кулер с бекплейтом прикручены очень туго, но деформация текстолита типичная для любой среднестатистической платы, 1-2 мм максимум.(Сравниваю с платами, которые уже побывали у меня на руках с этим же кулером и с процессорами 10/11 поколений. Учитываем, что в 11 поколении крышка уже была немного шире с одной из сторон). Замеры в норме. Приступим к демонтажу системы охлаждения и проверим отпечаток термопасты на подошве радиатора и крышке процессора:

Как видите, ничего криминального. Термопаста была нанесена в небольшом количестве и размазана по поверхности равномерным слоем. Стоит учитывать, что при каждой установке и снятии вы никогда не получите одинаковый отпечаток, который можно сразу охарактеризовать как правильный или неправильный. Всё зависит от того, как вы распределили пасту, равномерно ли затянули крепление, как снимали, чтобы не повредить отпечаток и тд. Здесь мы можем уйти в бесконечные и бессмысленные споры со шлифованием пяток, неправильных крышках CPU и подошвах радиатора.

Ещё свежи в памяти споры с выпуклыми пятками на Noctua D15 и термалрайтами уже не вспомню каких моделей. Вы покупаете железо, чтобы собрать и пользоваться. Температурный режим отличный, изгибов как нас пугают - нет. Теперь приступим к самому интересному! Проверим, не превратился ли в банан наш процессор и стоит ли бить тревогу после месяца использования. Ведь нам пророчили изгиб через 10 часов работы.

Тут нас ждет сюрприз - нет ни малейших намеков на изгибы как текстолита процессора, так и теплораспределительной крышки. Я уже было хотел заказать Thermalright LGA17XX-BCF, но теперь понимаю, что это бесполезно.

Наносим небольшое количество термопасты, размазываем моим любимым инструментом: обезжиренным указательным пальцем (или другим, если вы неопытный токарь или фрезеровщик) и наслаждаемся использованием своей системы, попутно изгоняя мысли свидетелей секты охлаждения жидким азотом и покорителей бенчмарков.

Вы, среднестатистический пользователь, должны спать спокойно. Но есть рекомендации, о них в итогах.

Итоги:

Как Вы смогли увидеть, проблем с деформацией комплектующих нет, они в пределах нормы.

НО, усугубиться эта деформация может при использовании системы охлаждения на клипсах или с пластиковым тонким бекплейтом. Решение этого вопроса банальное и простое.

а) При сборке PC на большинстве каналов мейнстрим блогеров изначально устанавливают все комплектующие и систему охлаждения на плату. Вы можете поступить иначе: сначала установить плату в корпус и надежно её прикрутить к стойкам. Если проходили сопромат или термех, то поймете, что в этом случае деформация будет меньше, когда система охлаждения и процессор устанавливаются в конце.

б) Разница в цене между боксовыми кулерами, отстойными кулерами и теми же , ID-Cooling SE-214-XT, ID-Cooling SE-224-XT Basic, очень мала. Как правило, боксовая версия процессора стоит дороже OEM версии. На эту разницу докидываете сущие копейки и покупаете нормальную систему охлаждения, которая может и потом пригодиться. Это же не процессор с али за 2 косаря, нужно ценить то, на что потратил свои кровные.

Что же до тестов известных блогеров и гуру технофорумов? Анализируя информацию мы можем заметить, что кто-то использовал сжо от 1366 сокета, кто-то пытался пихать от 1200 сокета и тд. Сплошные вопросы. Возможно на некоторых материнских платах используются разные защёлки с разным моментом прижима, что сомнительно. Сейчас есть достаточное количество решений, которые уже спроектированы под LGA1700. Если вы не хотите менять старый охлад (как в моем случае), просто докупаете крепления.

Всем добра и не забивайте голову информацией. Аудиофилы тоже покупают толстые провода, технику за тысячи миллионов и пытаются найти тёмные басы, которые способны выбить скупую мужскую слезу от кристально чистого звучания. Это не про большинство)

Подпишитесь на наш канал в Яндекс.Дзен или telegram-канал @overclockers_news - это удобные способы следить за новыми материалами на сайте. С картинками, расширенными описаниями и без рекламы.

Жидкий металл для охлаждения ноутбуков — польза или вред?

Я всегда с болью в душе наблюдал за температурами центрального процессора в игровых ноутбуках, которые достигали 100 градусов по Цельсию, а повышенный нагрев в итоге приводил к снижению тактовой частоты (некоторые до сих пор называют это троттлингом, хотя на самом деле это понятие умерло вместе с выходом архитектуры Core у Intel и появлением интеллектуальных систем управления частотой процессора Turbo Boost).

Тренд на компактность в игровых ноутах ведет к уменьшению габаритов системы охлаждения.

Все игровые ноуты горячие? Да!

Почему же производители игровых ноутбуков позволяют нагреваться процессорам практически до 100 градусов по Цельсию?

Во-первых, продукт разрабатывается в несколько этапов и даже несколькими командами. Эти команды взаимодействуют друг с другом, но работая только лишь над определенной частью единого целого, всегда велик риск не увидеть фундаментальные проблемы. Для команды, занимающейся созданием системы охлаждения, задача звучит так - как отвести N-ое количество Ватт тепла от процессора в N-габаритах корпуса, не допустив перегрева (в нашем случае значения в 100+ градусов по Цельсию). Если на выходе система охлаждения сможет держать температуру процессора до 95 градусов по Цельсию, то будет ли задача считаться выполненной? Скорее всего, да. Но удовлетворит ли это пользователя? Скорее всего, нет.

Во-вторых, есть "негласное" соревнование между производителями за звание самого быстрого. При прочих равных ноутбук с процессором, работающим на более высокой частоте, сможет продемонстрировать лучшую производительность. И чаще всего в таком сравнении никто не обратит внимание на то, что эти дополнительные 100-200 МГц частоты прибавили к нагреву процессора дополнительные 5-10 градусов по Цельсию. Получается, что за скорость надо платить повышенным тепловыделением? И да, и нет.

Чем больше тепловых трубок, тем эффективнее отвод тепла

Именно этот вопрос нас беспокоил последние несколько лет в российском представительстве ASUS. Я практически уверен на 100 процентов, что в России и русскоговорящих странах находятся самые требовательные пользователи и в то же время самые технически грамотные. Мы на постсоветском пространстве прекрасно понимаем, что у любого продукта есть ресурс, и чем дольше он работает на пределе, тем выше вероятность его выхода из строя. А для остального мира, это всего лишь будет RMA процедура (где не надо никому доказывать, что ты не сам его сломал) с последующей заменой или возвратом денег и дальнейшим переходом на новое устройство, ведь эта-то "игрушка" уже морально устарела (для сравнения цикл жизни персонального компьютера в России - 7 лет, а в Европе - 4 года).

Как же можно снизить температуры процессора, улучшив эффективность системы охлаждения в ноутбуке?

зафиксировать тепловыделение процессора на пороговом значении, т.е. искусственно ограничить производительность CPU

увеличить габариты корпуса, уместив внутри радиатор большей площади, вернувшись обратно к тяжелым ноутбукам весом от 4-5 кг

использовать жидкостное охлаждение

использовать другой форм-фактор для увеличения эффективности воздушных потоков

использовать более эффективные, чем медь, материалы для радиатора

использовать более эффективный термоинтерфейс для отвода тепла от кристалла процессора к радиатору системы охлаждения

Вариантов для улучшения не так много, но они есть. Давайте поговорим подробнее о каждом. Первые два варианта, однозначно, не подходят. Ни о каком снижении производительности речи быть не может. Ни о каком увеличении габаритов - тоже. Это уже пройденный этап, к которому производители ноутбуков не будут возвращаться.

Эволюция систем охлаждения в ноутбуках ROG

Вариант с системой жидкостного охлаждения инженеры ROG обкатывали, начиная с 2015 года, на двух моделях: GX700 и его преемнике GX800. Использование подключаемой жидкостной системы охлаждения сделало ноутбук самым быстрым на рынке, но абсолютно непригодным для переноски. Полный комплект умещался только лишь в чемодане. Но надо отдать должное: с точки зрения эффективности системы охлаждения и температур не было никаких вопросов. Только такие инновации были слишком дорогими: цена на ноутбук была на уровне полумиллиона рублей.

ROG GX700 с водяным охлаждением

Эксперименты с альтернативными форм-факторами привели инженеров Republic of Gamers в 2019 году к созданию ROG Mothership - гибридное решение, сочетающее в себе элементы ноутбука, моноблока и планшета. По мне, это ближе всего к моноблоку, но до конца определиться с форм-фактором я так и не смог. Преимуществом такой конструкции стало то, что материнская плата и вся элементная база была перенесена в вертикальную плоскость, сделав воздушные потоки более эффективными, а само устройство опять стало самым производительным в игровом сегменте портативных компьютеров. Ценник, естественно, опять добирался до полумиллиона рублей.

ROG Mothership

Еще одним вариантом развития событий мог стать переход от медных радиаторов к серебряным, что могло бы дать какую-то позитивную динамику в снижении температур центрального процессора, но думаю, что стоимость ноутбука с серебряной системой охлаждения возросла бы непропорционально выгоде, которую могли бы получить пользователи.

Система охлаждения ROG Mothership

Сразу вспоминается собственный опыт: эксперименты по замене термоинтерфейса между крышкой теплораспределителя и кристаллом процессора пришли в бытность процессоров Intel Core i7-3770K, а с приходом Intel Core i7-7700K оверклокеры пошли еще далее и начали эксперименты над самими теплораспределительными крышками. Российские оверклокеры также активно участвовали в погоне за рекордами, и мы даже заказывали теплораспределительную крышку из серебра. Она нам обошлась примерно в 15 000 рублей (чуть дешевле стоимости самого процессора), но ничего дельного с ней у нас так и не получилось. Хотя рекорд разгона Core i7-7700K по частоте до сих пор принадлежит России:

Рекорд разгона Intel Core i7-7700K

Получается, что самым разумным и эффективным с точки зрения финансовой целесообразности является использование более эффективных термоинтерфейсов. Для человека, который на собственном опыте проделал путь от КПТ-8, Arctic Silver Ceramique, Gelid GC-Extreme до Thermal Grizzly Kryonaut и k|ngp|n cooling KPX, было очевидно, что термопасты бывают разными и могут оказывать очень сильное влияние на температурные показатели.

Как мы "докатились" до жидкого металла?

Локальные эксперименты в российском офисе ASUS показывали, что замена термопасты с заводской на Thermal Grizzly Kryonaut дает снижение температуры центрального процессора в диапазоне 7-10 градусов по Цельсию. Лично для меня жидкий металл в качестве термоинтерфейса всегда стоял в стороне, поскольку при отрицательных температурах использовать его достаточно сложно. Из-за частых заморозок-разморозок образуется ледяной нарост, который начинает отжимать стакан для жидкого азота от крышки процессора, и в какой-то момент жидкий металл "отклеивается" от основания азотного стакана и перестает передавать ему тепло с теплораспределительной крышки. Если вовремя не обратить внимание на характерный звук и выросшую дельту температур на основании стакана (там будут отрицательные температуры) и ядрах процессора (там будут положительные температуры), то все закончится очень печально. В лучшем случае "умрет" только процессор, а в худшем случае утащит за собой что-то еще. В случае же использования термоинтерфейса жидкого металла в домашнем компьютере или ноутбуке на каждый день тоже есть определенные риски и сложности, с которыми инженерам ROG пришлось бороться под натиском локальных офисов.

Объединившись с другими странами, мы смогли убедить штаб-квартиру начать тестирование жидкого металла в качестве термоинтерфейса в системах охлаждения ноутбуков еще в 2018 году. Правда, нам пришлось столкнуться с рядом бюрократических трудностей. Одним из самых курьезных моментов стал ответ инженеров, что они не могут купить жидкий металл в Тайване. Но я-то прекрасно знал, что у коллег из департамента материнских плат жидкий металл есть в наличии, поэтому мы продолжили воевать "с системой".

Решив проблему "нежелания", мы столкнулись с другой проблемой. Ведь наносить жидкий металл на поверхность кристалла не так уж и просто, а в рамках массового производства это практически невозможно. В итоге жидкий металл дебютировал в 2019 году в ROG Mothership, в выпущенном ограниченным тиражом в 1000 экземпляров.

Если собрать все трудности с жидким металлом вместе, то я бы выделил следующие:

жидкий металл проводит ток

коррозия металлов, контактирующих с термоинтерфейсом

стоит дороже термопасты

На протяжении следующего года инженеры ROG решали вышеперечисленные проблемы.

Жидкий металл наносится специальным станком при помощи силиконовой кисти.

Для нанесения жидкого металла в масштабах массового производства был создан специальный станок, который позволял решить, пожалуй, самую главную и сложную задачу - равномерное нанесение термоинтерфейса по поверхности кристалла процессора. В нашем случае используется жидкий металл от Thermal Grizzly, отличающийся от других производителей на рынке пониженной концентрацией олова в составе, что делает его более эффективным. На начальных этапах процесс тестирования жидкого металла был настолько засекречен, что первые партии термоинтерфейса Thermal Grizzly покупались на рынке у нескольких продавцов, а не напрямую у производителя, чтобы не допустить утечек информации.

Важно помнить, что жидкий металл проводит ток, поэтому меры предосторожности очень важны. На первом этапе на заводе используется специальная пластина, которая закрывает собой все вокруг кристалла процессора и принимает на себя излишки жидкого металла. С помощью специальной силиконовой кисти жидкий металл будет распределяться по всей поверхности кристалла. Надо отметить, что даже подбор материала для этой кисти был не таким простым, было испробовано около 30 различных материалов и выбор остановился на силиконе, который не деформирует нанесенный слой.

Добавляем еще немного ЖМ для создания безупречного контакта между кристаллом и радиатором СО

На следующем этапе пластина убирается и с помощью своего рода "шприца" на поверхность кристалла добавляется несколько капель жидкого металла, которые должны будут занять все свободное пространство между кристаллом и радиатором системы охлаждения для эффективного теплообмена. После этого устанавливается система охлаждения. В коротком видео можно посмотреть подробности процесса:

Жидкий металл нужно менять через год? Неправда!

Энтузиасты, кто хоть раз сталкивался с жидким металлом, знают о главном недостатке - "его на долго не хватает". Спустя год - максимум полтора, у всех людей, кто заменил термоинтерфейс на жидкий металл в своих десктопах или ноутбуках, начинается одна и та же проблема. Температуры процессора возвращаются к прежним значениям "до перемазки", а на форумах бытует понятие, что жидкий металл "высыхает". На самом деле все не совсем так. В современных системах охлаждения крышка теплораспределителя сделана из меди, которая подвергается коррозии при контакте с жидким металлом. Процесс этот не моментальный, поэтому пользователи замечают это примерно спустя год с момента нанесения. Из-за нарушения герметичности контакта происходит постепенный рост температуры процессора.

Успех "долголетия" жидкого металла заключается в использовании никелированного основания радиатора

В рамках массового производства и сервисного обслуживания замена термоинтерфейса каждый год просто непозволительная роскошь для производителя, поэтому радиаторы систем охлаждения под ноутбуки с жидким металлом пришлось доработать. Медное основание радиатора заменили на никелированное, и оно коррозии не поддается. При констультации с инженерами Thermal Grizzly инженеры ROG пришли к выводу, что подобное инженерное решение будет иметь "срок годности" более 5 лет.

По итогам внутреннего тестирования инженеры ROG департамента R&D установили:

снижение температур процессора на 13-15 градусов по Цельсию в сбалансированном режиме работы системы охлаждения и незначительный рост частот процессора в Turbo Boost

снижение температур процессора в диапазоне от 7 до 22 грудусов по Цельсию и рост частот процессора на 300-400 МГц в зависимости от приложения

увеличение производительности ноутбука до 10% в режиме Turbo работы системы охлаждения

А что дальше?

На данный момент все игровые ноутбуки Republic of Gamers с процессорами Intel Core 10-го поколения получили "с завода" жидкий металл. Будет ли жидкий металл в ноутбуках с процессорами AMD или на графических чипах NVIDIA? Пока сложно сказать. Штаб-квартира ASUS объясняет свой выбор в пользу Intel тем, что кристалл процессора маленький, а тепло от него распределяется по поверхности равномерно, делая процессоры Intel идеальными кандидатами на операцию "жидкий металл", в которой можно по максимуму раскрыть все прелести от использования подобного термоинтерфейса. Забегая вперед, скажу, что в Intel настолько вдохновились идеей использования жидкого металла в качестве термоинтерфейса, что они стали советовать перейти на жидкий металл и другим производителям игровых ноутбуков. Попытки использовать жидкий металл на платформе AMD также предпринимались инженерами ROG в модели Zephyrus G14, но в итоге в массовое производство это решение не пошло из-за большого количества элементов, расположенных вокруг кристалла, и, как следствие, рисков, связанных с коротким замыканием. Поэтому пока от внедрения жидкого металла в продуктах на базе AMD решили воздержаться, но поиск оптимального решения уже ведется.

Станет ли такое решение нормой для игровых ноутбуков или останется лишь в премиальных моделях ROG, покажет лишь время.

Читайте также: