Jackalovi vodni bloki, 1. del

• Čekon Matej :: 27. avg 2004

Hlajenje osebnih računalnikov postaja iz leta v leto vedno večji problem, ki zahteva vedno več inovativnih rešitev za ustrezno ohlajanje (pre)vročih elektronskih komponent. Njih proizvajalci kar tekmujejo med sabo, kdo bo izdelal najhitrejše komponente. Tranzistorji v čipih se zmanjšujejo, njih število v posameznem čipu pa veča, megaherci se dvigajo – vse samo za večjo hitrost. Mnogokrat pa na koncu te dirke izidejo najhitrejše komponente kot energetsko zelo požrešne.

V spodnjem grafu je prikazano, kako se zvišuje oddana toplotna moč z višanjem delovne hitrosti procesorja in s prihodom novih jeder procesorjev. V levem grafu so prikazani procesorji podjetja AMD od K5 pa do najnovejših v času nastajanja tega članka. V desnem grafu pa so procesorji podjetja Intel, začenjaši od prvih Pentiumov do najsodobnejših.

Kot je razvidno iz grafov se današnji procesor že približujejo prelomni številki 100 vatov oddane toplote. Nekateri so uspeli to številko celo že preseči. Intel, ki je nekdaj veljal kot prizvajalec »hladnih« procesorjev, je s predstavitvijo prvega Pentium IV jedra situacijo malo premešal, saj je poraba teh procesorjev nenadoma precej poskočila glede na starejše (enako hitre ali celo hitrejše) modele, kar se tudi lepo vidi iz zgornjega grafa, ki prestavlja porabo intelovih pocesorjev.

Če je za prve računalnike s procesorjem Pentium in podobnimi zadostovalo že samo hladilno rebro in pretok zraka skozi ohišje, kot ga je ustvaril ventilator v napajalniku, se je do danes situacija že močno spremenila. Ne zadostuje samo, da procesorje prekrivajo gromozanska hladilna rebra ampak mora na ta rebra pihati ponavadi tudi precej velik in tudi hrupen ventilator.

Problematično postaja tudi razmerje med oddano toploto in velikostjo jedra procesorja. To razmerje se je namreč v zadnjih par letih močno povečalo in se trenutno vrti okoli številke 0.7 W/mm². Zato je tudi vedno več hladilnikov narejenih iz bakra, ki je precej boljši toplotni prevodnik od aluminija, vse več pa se uporabljajo tudi toplotne cevi (heatpipes), ki delujejo na osnovi faznih sprememb tekočine zaprte v cev z znižanim tlakom. Takšna tekočina ima zaradi zmanjšanega tlaka nižje vrelišče in se na izvoru toplote v cevi uparja in učinkovito odnaša toploto na večjo površino, kjer se spet utekočini.

Zakaj navijanje?

Skoraj vedno pa velja, da lahko še tako hiter računalnik dodatno pospešimo z navijanjem. Praviloma pa se z navijanjem računalnika iz nižjega ali srednjega cenovnega razreda hočemo približati (naj)dražjim in najzmoglivejšim osebnim računalnikom.

Zakaj se naviti čipi bolj grejejo?

Današnji procesorji so narejeni z MOS tehnologijo, kar na kratko pomeni, da so tranzistorji v mikročipih narejeni iz treh plasti; kovine, oksida in polprevodnika.

V digitalnem svetu pozna tranzistor samo dve stanji – odprto (prevaja) in zaprto (ne prevaja). V odprtem stanju je na vratih napetost, ki povzroči kopičenje naboja pod oksidom in zaradi tega se ustvari v siliciju med izvorom in ponorom prevoden kanal. V zaprtem stanju napetosti na vratih ni in tranzistor je zaprt.

Tranzistor porablja električno energijo samo med prehodom iz enega stanja v drugo. To pa zato, ker se plasti vrat in polprevodnika obnašata kot kondenzator, zato ga je treba pri preklopu izpraznit ali napolnit. Seveda pa je potrebno energijo, ki jo tranzistor poizvede, odvesti. Ta energija bi lahko bila zanemarljiva, če bi bili čipi sestavljeni samo iz nekaj takšnih tranzistorjev. A kaj, ko so današnji čipi sestavljeni iz nekaj deset milijonov tranzistorjev, grafične procesorje pa sestavlja že par sto milijonov tranzistorjev. Izgube na posameznem tranzistorju so tako res zanemarljive, ko pa vse seštejemo, je končna oddana toplotna moč kar precejšna.

Z navijanjem na nek določen način prisilimo tranzistorje v čipu, da preklapljajo hitreje med stanjema, kot je to določil proizvajalec. Zaradi večjega števila preklopov v določenem času so tudi izgube posameznega tranzistorja večje, kar se posledično pozna na povečani moči celotnega mikročipa.

Siljenje v višje frekvence je mogoče zaradi toleranc pri izdelavi mikročipov. Le-ti so namreč izdelani na okrogli silicijevi rezini. Zaradi tehnoloških postopkov izdelave pa vsi čipi na eni rezini ne morejo biti enake kvalitete. Kvaliteta čipov na sredini rezine je namreč večja kot ob robovih. Predvsem zato, ker je nemogoče nanesti plast oksida, ki deluje kot izolator med kovino in silicijem, enakomerno debelo po celotni silicijevi rezini. Pri postopku nanašanja oksida se namreč poznajo tudi najmanjši tresljaji, svoje pa naredi tudi gravitacija. Zaradi tega so deli tovarn, ki izdelujejo mikročipe narejeni na posebnih vzmeteh z dušilci, da čim bolj izničijo tresljaje iz okolice. Nekateri celo razmišljajo o selitvi prozivodnje v breztežnost. Poleg nanašanja oksida, se silicijeva rezina večkrat dopira s primesmi, ki spreminjajo polprevodnik iz n-tipa v p-tip in obratno in tudi tu je vnašanje primesi učinkovitejše na sredini kot na robovih.

Zaradi ekonomije podjetij, ki izdelujejo mikročipe, tiste čipe iz zunanjih robov raje označijo kot manj zmogljive, kot tiste iz notranjosti rezine. Za podjetja je namreč bolje prodati nek manj zmogljiv čip po nižji ceni, kot ga zavreči. Vsi mikročipi morajo potem prestati še vrsto testov. Tiste, ki ne ustrezajo tem pogojem, potem testirajo pri vse nižjih frekvencah, dokler pri nazivni napetosti ne prestanejo vseh testov.

Lahko pa se zgodi, da so mikročipi s sredine silicijeve rezine zelo dragi in si jih lahko redko kdo privošči, tistih iz zunanjih robov pa zaradi nizke cene, velikega povpraševanja in dobrega razmerja med zmogljivostjo in ceno, začne primankovati. Tako je proizvajalec prisiljen tudi čipe, ki sicer lahko delujejo tudi hitreje, označiti z nižjo frekvenco in tako izpolniti zahteve tržišča. Spet je namreč v igri ekonomija. Bolje je prodati veliko mikroprocesorjev po nižji ceni kot imeti polna skladišča samih najboljših različic.

Na začetku vsakega proizvodnega procesa prihaja skoraj vedno do težav. V takšnih primerih so mikroprocesorji z robov rezin pogosto samo še za v odpadke. S časom pa se proizvodni proces izboljšuje in kvaliteta čipov v povprečju narašča. Tako so mikroprocesorji neke poznejše serije, ki so označeni z nekoliko nižjimi delovnimi frekvencami praviloma vedno boljši. Tu pridejo v igro tako imenovani »steppingi«, ki povedo marsikaj o procesorju, kar na prvi pogled ni razvidno. Nič čudnega, da so zato med ekstremnimi navijalci izredno iskani procesorji s prav določenimi »steppingi«, ki slovijo po tem, da se dobro navijajo.

Nekoliko se torej frekvenca mikročipov lahko poveča nad privzet. Vendar se to veselje relativno hitro konča, saj se logični signal kaj hitro izgubi v vsem ostalem električnem šumu, ki ga je v računalnikih ogromno. Tako za doseganje še višjih frekvenc pomaga dvig napajalne napetosti mikroprocesorja, s čimer postane logični signal spet dobro definiran. Seveda tudi po tem lahko dvignemo frekvenco le do neke mere. Seveda pa s tem, ko mikroprocesorju dvignemo napajalno napetost, ne storimo zanj nič dobrega. Revež se bo namreč še veliko bolj grel kot pri privzeti frekvenci. Tako je nujno poskrbeti za dobro hlajenje. Če so zračni hladilniki še kos nekoliko navitim mikroprocesorjem, ki delujejo na privzeti napetosti, pri povišani napetosti, razen parih svetlih izjem, odpovedo.

Mikroprocesorji niso edini

Seveda pa glavni procesor ni edini izvor toplote v računalniku. Zadnje čase velike količine toplote prispevjo tudi vezna čipovja na matičnih ploščah, ki skrbijo za komunikacijo med glavnim procesorjem in ostalimi napravami ter vodili (RAM, IDE, PCI, AGP...). Če je pred nekaj leti veljalo še, da so oddala le malo toplote in jih ni bilo potrebno posebaj hladiti, danes temu ni več tako. Novejša vezna čipovja za pravilno delovanje potrebujejo vsaj pasivno, če že ne kar aktivno, hlajenje.

Še veliko več toplote oddajo grafične kartice. Zadnja generacija kartic (Radeon 9800 NP/Pro/XT, GeForce FX 5900) je že tako požrešna, da ima kar na sami kartici dodaten molex priključek za napajanje, saj vodilo AGP ne more več zagotavljati dovolj toka. Po nekaterih podatkih o oddani toplotni moči, grafične kartice dandanes že lovijo glavne procesorje, navite kartice pa jih lahko celo prekašajo.

Poleg teh treh glavnih izvorov toplote so tu še ostale komponente kot so trdi diski, napajalniki in podobno ki prav tako oddajajo energijo v obliki toplote, kar nikakor ne pomeni nič dobrega za temperaturo zraka v ohišju.

Hlajenje z vodo.

Veliko večino hladilnikov za hlajenje vseh teh vročih komponent še vedno predstavljajo različna hladilna rebra z bolj ali manj hrumečimi ventilatorji. Prav zaradi hrupa, ki ga ti zganjajo, vse več uporabnikov posega po boljših načinih hlajenja. En od teh načinov je tudi vodno hlajenje.

Hlajenje z vodo prinaša kar nekaj prednosti pred zračnim. Celoten sistem je zmožen odvajati veliko več toplote, računalnik je tišji, omogoča veliko boljše navijanje, poleg tega pri morebitni zamenjavi procesorja ni potrebno menjati še hladilnika, kar se pri zračnih hladilnikih rado zgodi.

Na tržišču obstaja že mnogo kompletov za vodno hlajenje, vendar tisti poceni niso nič boljši od navadnih zračnih hladilnikov, za kaj več pa je potrebno kar pošteno razpreti denarnico. Zato sem se odločil za plitkemu študentskemu žepu mnogo bolj prijazno možnost. Enostavno sem sam naredil vse komponente po svojih željah in si s tem zagotovil tudi veliko boljše hlajenje. A za kaj takega pa je potrebnega precej orodja, spretnosti in volje.

Obisk avtoodpada

Ker se po forumu veliko govori o avtomobilskih radiatorjih kot hladilnikih za vodo (še posebaj Ladini radiatorji slovijo kot dobra izbira), sem se tudi sam podal na lokalni avtoodpad, kjer se mi je nasmehnila precej umazana sreča. Naletel sem namreč na Lado.

Težava je bil le v tem, da je bil radiator še v avtomobilu. Da sem lahko prišel do njega je bilo tako treba razdret skoraj celotno armaturno ploščo.

Po obisku avtoodpada je sledilo čiščenje zunanjosti radiatorja z žično krtačo, za noranjost pa sem uporabil Cilit (Če ne veste, kaj to je, vprašajte mamo). Po nekajkratnem spiranju s Cilitom in vodo, iz radiatorja ni več tekla umazana voda, na podlagi česar sem sklepal, da je notranjost kar dobro očiščena. Z dvokomponentnim lepilom sem prilepil priključke za cev. Čisto na koncu, ko je bilo lepilo že suho, sem hladilna rebra radiatorja zaščitil s časopisnim papirjem, izpostavljene dele radiatorja pa pobarval s kovinsko-srebrnim sprejem.

Slike Radiatorja si boste lahko ogledali v drugem delu članka.

Toliko za prvič. V nadaljevanju bom predstavil še celoten postopek izdelave vodnih blokov, vgradnjo vodnega hlajenja v računalnik in povedal nekaj malenkosti o navijanju celotnega sistema.

Do prihodnjič...