Выбираем кулер Пельтье для процессоров ПК

В системах охлаждения процессоров ПК могут применяться кулеры с термоэлектрическими модулями, часто называемыми модулями Пельтье. Использование кулеров с модулями достаточной мощности позволяет поддерживать температуру защищаемых ими процессоров ниже температуры окружающей среды.

Вступление

Современные полупроводниковые чипы нередко эксплуатируются в тяжелых температурных условиях. Обычно умеренно низкие значения температуры окружающей среды не ограничивают работоспособность электронных компонентов, но вот высокие значения явно создают проблемы для конструкторов и пользователей сложных электронных систем. При этом решать такие проблемы тем труднее, чем сложнее внутренние микроархитектуры чипов, предусматривающих использование большого числа транзисторов. В высокопроизводительных моделях, примером которых могут служить современные центральные и графические процессоры, их количество нередко исчисляется уже миллиардами штук в чипах для мощных ноутбуков и настольных систем и десятками миллиардов — в чипах для рабочих станций и серверных изделий. И каждый из этих транзисторов в процессе своей работы потребляет электроэнергию и генерирует соответствующее тепло. Совместно они формируют значительный тепловой поток, увеличивающийся в условиях высоких вычислительных нагрузок.

Кстати, повышенное теплообразование наблюдается еще и при росте тактовых частот и соответствующем повышении напряжения питания чипов. В качестве примера можно привести кратковременную работу интеловских процессоров в режимах Intel Turbo Boost. И, конечно, нельзя не упомянуть непростую, а в ряде случаев и весьма опасную эксплуатацию чипов в условиях оверклокинга (overclocking).

Оверклокинг, обычно называемый разгоном, — это работа чипов при высоких, часто даже экстремальных тактовых частотах, превышающих штатные значения, установленные производителями этих чипов. Оверклокинг поддерживается большинством потребительских моделей материнских плат, популярен у ряда компьютерных энтузиастов. Обычно он требует соответствующего увеличения напряжения питания, что вызывает повышенные энергопотребление и теплообразование чипов. Именно поэтому чипы в режимах разгона требуют интенсивного охлаждения.

Для охлаждения сверхсложных чипов используются различные средства. Обычно они представлены объемными радиаторами, снабженными соответствующими высокопроизводительными вентиляторами. Часто в составе конструкции кулеров мощных чипов применяются еще и весьма сложные системы тепловых трубок. А в некоторых случаях используются также элементы водяного охлаждения, в число которых входят: компактная электрическая помпа, резервуар, радиаторы, вентиляторы, плата контроллера. Нередко указанный комплект снабжается также специальным программным обеспечением: оно осуществляет управление всей компьютерной системой для обеспечения оптимальных температурных режимов работы чипов с целью достижения максимальных уровней их производительности при сохранении устойчивой работы.

Несмотря на бесспорные достоинства подобных решений, еще больше повысить эффективность охлаждения чипов можно добавлением в конструкции их кулеров полупроводниковых модулей Пельтье (далее — модули Пельтье).

Некоторые теоретические детали, лежащие в основе модулей Пельтье, примеры образцов, их внутреннее устройство и основные параметры, а также рекомендации по выбору оптимальных моделей модулей были рассмотрены в предыдущих статьях. Первая из них была посвящена основам термоэлектрического охлаждения (IT-Expert, 2022 г., № 10), вторая — выбору модулей Пельтье, выполняемому на основе несложных расчетов, и особенностям последующей эксплуатации этих модулей (IT-Expert, 2023 г., № 01). Теперь же целесообразно рассмотреть примеры серийных кулеров с модулями Пельтье (далее — кулеры Пельтье), что и будет сделано в этой статье.

Примеры кулеров Пельтье

На компьютерном рынке в настоящее время присутствуют различные модули Пельтье как зарубежного, так и отечественного производства. Обычно это простые, надежные и, как правило, относительно дешевые по сравнению со стоимостью компьютерных процессоров, устройства. Обычно радиатор и охлаждающий вентилятор не входят в состав предлагаемых модулей Пельтье – их пользователи должны покупать отдельно и устанавливать собственными силами. Тем не менее данные модули позволяют не только познакомиться с перспективными средствами охлаждения, но и использовать их по прямому назначению, то есть в системах тепловой защиты компьютерных компонентов.

В настоящее время на рынке представлены самые разные модели модулей Пельтье. Например, миниатюрные изделия, обладающие весьма скромными возможностями хладообразования, предназначены для защиты чипов небольшого энергопотребления и небольшого теплообразования. Такие устройства способны функционировать совместно с простейшими кулерами, представленными лишь небольшими радиаторами. Но имеются в продаже и мощные варианты импортных и отечественных модулей Пельтье, требующие для своей работы соответствующих средств охлаждения. Такие средства часто, особенно в последнее время, в дополнение к термоэлектрическим модулям и радиаторам комплектуются еще и высокопроизводительными системами водяного охлаждения.

Как возможные варианты, давно известные специалистам и энтузиастам, можно привести, например, модули и кулеры компаний Supercool (рис. 1), Computernerd, DesTech Solutions, AOC Cooler, Thermodynamics и др.

Часть кулера Пельтье c водяным охлаждением

Кулеры с модулями Пельтье от указанных компаний получили распространение еще во времена Intel Pentium и Intel Pentium II. В тот период были популярны кулеры PAX56B, PA6EXB, DT-P54A, AC-P2, PAP2X3B, STEP-UP-53X2, PAP2CX3B-10 BCool PC-Peltier, PAP2CX3B-25 BCool-ER PC-Peltier, PAP2CX3B-10S, BCool-EST PC-Peltier и т. п. По мере улучшения технологий и роста популярности подобных систем охлаждения число производителей росло. Как результат, компьютерным энтузиастам предлагались все более совершенные изделия с модулями Пельтье.

Так, в 2006 году широко известная компания Titan под общим наименованием AMANDA выпустила кулеры двух моделей с буквенными наименованиями TTC-NP02TZ и TTC-NP04TZ. Между собой они отличались лишь типом крепления. Модель TTC-NP02TZ была предназначена для процессоров AMD K8 с разъемом Socket 754/939/940, а TTC-NP04TZ — для процессоров Intel с LGA 775. Конструкция основывалась на использовании технологий TEC (Thermo-Electric Cooler) и heat-pipe (тепловые трубки), благодаря чему, как утверждалось, а также применению температурного мониторинга данные модели обеспечивали оптимальный уровень охлаждения процессоров без образования конденсата. Основные характеристики кулеров TTC-NP02TZ и TTC-NP04TZ: размеры/вес — 140×95×170 мм / 1035 г; размеры, напряжение питания и ток ТЕС-чипа — 40×40 мм / 12 В / 5 А; материал — алюминий и медь; количество вентиляторов — 2, тепловых трубок — 4; скорость вращения вентилятора — 1500 об/мин; уровень шума — меньше 20 дБ; тепловое сопротивление — 0,12–0,15 °С/Вт. В состав комплекта входила PCI-карта контроллера, размеры и вес которой — 136×121×21 мм / 50 г. Энергопотребление кулеров зависело от вычислительной нагрузки процессора и составляло от 5 до 60 Вт.

Используя опыт своих многочисленных предшественников, накопленный в течение десятков лет, американская компания Phononic в 2015 году анонсировала выпуск оригинального кулера: изделие получило наименование Phononic HEX 1.0. По утверждению разработчиков, оно сопоставимо по эффективности с системами водяного охлаждения при существенно меньших габаритах и более простой конструкции. Последняя включает в себя теплоотводящее основание, двухсекционный радиатор, а также 80-мм вентилятор, расположенный между секциями. Данная система охлаждения совместима с процессорами Intel в исполнении LGA 2011, 1366, 1156, 1155 и 1150.

Вскоре, примерно через год, на основании опыта эксплуатации изделия Phononic HEX 1.0 компания разработала и выпустила на рынок модель Phononic HEX 2.0 (рис. 2). В состав этого кулера входит элемент Пельтье, а также теплоотводящее основание с тепловыми трубками, связанное с двумя секциями радиатора. Между ними, как и в предыдущей модели, располагается вентилятор (правда, диаметром уже не 80 мм, а 92 мм), скорость его вращения регулируется. Кулер совместим с процессорами Intel в исполнении LGA2011 и LGA115x, а также процессорами AMD в исполнении AM2, AM2+ и AM3+. Габариты Phononic HEX 2.0 — 125×112×95 мм, масса — 810 г. В кулере использована светодиодная подсветка, настройки которой, а также другие параметры работы охладителя доступны в комплектной утилите. Данное устройство предлагается по цене $150.

Кулер Phononic HEX 2

А сравнительно недавно компания EKWB в рамках совместного с Intel проекта представила термоэлектрическую систему охлаждения EK-QuantumX Delta TEC. Изделие специально разработано для отвода тепла от процессоров Intel Core 10-го поколения, известных по кодовому имени Comet Lake. В составе EK-QuantumX Delta TEC используется полупроводниковый модуль Пельтье: его холодная сторона контактирует с крышкой процессора, а вот образующееся тепло процессора и, конечно, самого модуля отводится средствами водоблока. Данная система, использующая технологию Intel CryoCooling, позволяет достичь уровня охлаждения ниже температуры окружающей среды. Для исключения появления конденсата на холодных поверхностях при значениях температуры ниже точки росы в устройстве предусмотрены изолирующий кожух и специальные аппаратно-программные средства, разработанные компанией Intel. Эти средства непрерывно контролируют и корректируют параметры работы системы. Устройство совместимо с разъемом LGA 1200 и для своей работы требует отдельного мощного источника электропитания.

Читайте также

Как экосистемы меняют здравоохранение

Как сегодня медицина может использовать экосистемы, какие задачи решать с их помощью и на что опираться при их создании — рассказывает IT-World.

Указанная разработка открыла целую серию аналогичных устройств. В частности, на основе накопленного опыта было создано в сотрудничестве с Intel изделие EK-QuantumX Delta TEC EVO E2 (рис. 3). Как утверждает производитель, это эволюция второго поколения криоохлаждающих водоблоков. Данное устройство по сравнению со своим предшественником имеет более мощную пластину TEC, обеспечивающую более чем на 50 Вт бóльшую мощность охлаждения, а также улучшенную электронику второго поколения Delta TEC. На сайте производителя изделие EK-QuantumX Delta TEC EVO E2 предлагается по цене €355,38.

 Кулер EK-QuantumX Delta TEC EVO E2

От сектора термоэлектрических устройств охлаждения не осталась в стороне и хорошо известная компания Cooler Master. Она предложила пользователям компьютеров необслуживаемую систему жидкостного охлаждения, температура жидкости в которой ниже комнатной. Конечно, без модуля Пельтье не обошлось и в этом случае. Система охлаждения, предлагаемая для процессоров Intel с разъемом LGA 1200, получила обозначение MasterLiquid ML360 Sub-Zero (рис. 4).

Кулер MasterLiquid ML360 Sub-Zero

В корпусе главного блока, устанавливаемого на центральный процессор, предусмотрен восьмиконтактный разъем питания. Разработчики Cooler Master для изделия MasterLiquid ML360 Sub-Zero рекомендуют использовать блок питания мощностью не менее 750 Вт – это обеспечит работу и центрального процессора, и термоэлектрической системы его охлаждения. Система рассчитана на работу с процессорами, имеющими в разгоне TDP не более 250 Вт. Помпа, рассчитанная на номинальный ток 1 A и потребляющая до 13,8 Вт, конструктивно вынесена в отдельный корпус размером 57,3×57,3×92,2 мм. В главном блоке (рис. 5), размеры которого составляют 89×79×86,7 мм, расположены:

• плата управления с датчиками и водоблоком (A);

• модуль Пельтье (B);

• переходная медная пластина (C);

• резиновый уплотнитель (D).

Герметичное ограждение с резиновым уплотнением по краям предназначено для точной установки с процессором и поддержания стабильной среды. В состав системы охлаждения входит также резервуар с охлаждающей жидкостью, конструктивно объединенный с радиатором теплообменника и блоком из трех вентиляторов типоразмера 120×120×25 мм. На сайте «Амазона» данную модель предлагают за €258.

Главный блок MasterLiquid ML360 Sub-Zero

Оценивая приведенные примеры кулеров с модулями Пельтье, необходимо отметить, что число производителей и вариантов систем термоэлектрического охлаждения существенно больше перечисленного. Следует также добавить, что область применения подобных средств в действительности гораздо шире указанного компьютерного сектора: они используются и в технике, и в научных приборах, и как компоненты сверхкомпактных холодильников.

Понятно, что конструкции термоэлектрических кулеров, используемых в самых разных областях науки и техники, постоянно совершенствуются. В результате исследований, выполняемых в многочисленных научных лабораториях, появляются новые идеи и открытия, патенты, изобретения. Всё это способствует рождению новейших технологий охлаждения.

В статье были использованы материалы книг:

1. “PC: Overclocking, Optimization, & Tuning, Second Edition”. — USA: A-LIST.

2. “PC: Hardware Tuning & Acceleration”. — USA: A-LIST.