Холодный расчёт: будущее систем охлаждения ПК

Обжечься о корпус компьютера — больно. Спалить дорогую видеокарту — обидно. Поэтому система охлаждения — это одна из самых недооценённых составляющих ПК. Тем более, что «железо» становится всё мощнее, потребляет всё больше энергии, а значит и вырабатывает больше тепла. К счастью, прогресс не стоит на месте. И на борьбу с перегревом уже спешат новые технологии. О них расскажем в этой статье.

Нет времени на лонгриды — читай карточки про системы охлаждения будущего в нашем Telegram-канале. А ещё там есть карточки про правильное нанесение термопасты — сохраняй себе. Пригодится.

Вот это поворот

Лазер — верный друг человека вот уже более полувека. Первую лазерную установку собрал физик Теодор Майман ещё в 1960. А теоретические основы для этого разработали и вовсе в начале ХХ века. Но всё это время лазеры использовали для нагрева. Иногда даже для прожигания и плавки вещества. Но в 2012 году учёные из Института Нильса Бора обнаружили, что технологию можно адаптировать в том числе и для охлаждения.

Правда, одних лазеров тут мало. Понадобятся ещё и пластины из сверхчистого арсенида галлия (GaAs). Если посветить на них лазерным лучом, они не нагреваются, а наоборот становятся холоднее. Так что их можно размещать в самых горячих участках чипа и точечно его охлаждать. Эту систему сейчас разрабатывает стартап Maxwell Labs совместно с учёными из Sandia National Labs и университетом Нью-Мексико.

Полупроводник на основе арсенида галлия

До игровых ПК лазерное охлаждение пока, к сожалению, не добралось. Но уже сейчас оно помогает удерживать сверхнизкие температуры в отдельных атомах квантовых компьютеров. А следующим вероятным местом обкатки технологии должны стать дата-центры. Вопрос охлаждения там стоит особенно остро. В некоторых случаях до 40% всей энергии они тратят на снижение температуры серверов. И если технология подтвердит свою эффективность, настанет праздник и на улице геймеров.

Графон и графен

Пик популярности нанотехнологий пришёлся на 00-е. Тогда приставку «нано» лепили куда попало, чем здорово подорвали авторитет настоящих разработок. Например, графена, за получение которого в 2010 году учёные из России Андрей Гейм и Константин Новосёлов получили Нобелевскую премию. А он, тем временем, продолжает менять мир. В частности, улучшать системы охлаждения компьютеров.

Речь в первую очередь про белый графен. В отличие от обычного он не проводит электричество, но очень эффективно распределяет тепло. Эти его свойства обнаружили ещё в 2015 году. Тогда же начались попытки использовать его для контроля над температурой высокотехнологичных устройств. Особенно небольших, там где наноразмерность материала особенно востребована. Графен отводит тепло от «горячих точек» и рассеивает его, предотвращая перегрев.

Медно-графеновый радиатор

Сейчас идет разработка новой технологии охлаждения на основе графена и меди. Инновационный материал отличается своей легкостью, прочностью и эффективностью. Частицы меди, покрытые графеном, сочетают преимущества обоих веществ. Пока технология ещё не на на своём пике, но кто знает, может лет через 5–10 именно она решит проблему перегрева раз и навсегда.

Наножидкости

Не графеном единым учёные пытаются бороться с высокими температурами. Нанотехнологии используют и для повышения эффективности жидкостного охлаждения. Вода и так отводит тепло значительно лучше, чем воздух. Но после добавления наночастиц (например, окиси металлов цинка и меди) она делает это до 40% лучше.

Такая система охлаждения ещё и потребляет меньше энергии. Что, во-первых, выгодно. А, во-вторых, экологично. По данным аналитической компании Gartner, уже к началу 10-х дата-центры по всему миру производили столько же углекислого газа, сколько вся мировая авиация. И с годами ситуация лишь усугубляется. Так что необходимость снижать энергопотребление, в том числе и за счёт систем охлаждения, вопрос не только про деньги.

Система охлаждения, использующая наножидкости

Сегодня наножидкости уже успешно применяют для снижения температуры «железа». Первые коммерческие решения, использующие эту технологию, появились более 10 лет назад. Но ей всё ещё только предстоит стать по-настоящему массовой. И даже тогда она будет востребована скорее у промышленных производителей, а не у простых геймеров.

Термопасты завтрашнего дня

Если компьютер или ноутбук начал аномально греться, то базовых совета обычно два: почисти его от пыли и смени термопасту. И если концептуально изменить первое сложно, то вот над вторым инженеры работают много и эффективно. Термопасты пытаются сделать лучше и даже полностью заменить на более эффективные материалы.

Одно из самых перспективных направлений — материалы с фазовым переходом (МФП). В процессе изменения фазы они могут эффективно поглощать или выделять тепло. Несмотря на эффектное название принцип работы у них прост и знаком каждому. Самый простой пример — лёд. Когда тает, он поглощает тепло, а когда снова замерзает, соответственно, выделяет.

Материал с фазовым переходом вместо обычной термопасты

Для охлаждения компьютеров, естественно, используют не воду. Наиболее популярные МФП тут бывают двух типов. Во-первых, органические. К ним относятся парафины и жирные кислоты. Во-вторых, неорганические, например, гидраты солей. Термопасты из таких материалов служат намного дольше обычных, выдерживают большие температуры и позволяют «железу» служить дольше.

У нас есть свой Т-1000 дома

В знаменитом фильме Джеймса Кэмерона «Терминатор 2: Судный день» (1991) робот из жидкого металла не просто так бегал за подростком и его железным другом. На самом деле он пытался спасти от уничтожения суперкомпьютер «Скайнет». Как любое великое произведение, этот фильм предсказал будущее. Жидкий металл сегодня действительно защищает компьютеры. Правда, не от воинственных повстанцев, а от перегрева. Но какая в общем-то разница.

Нанесение жидкого металла

Жидкий металл в этом случае подразумевает под собой сплав индия, галлия и олова. Звучит сложно и стоит недёшево. Процесс нанесения пока тоже не самый простой. Зато результат себя оправдывает. По разным оценкам теплопроводность такого материала выше чем у обычной термопасты до 10 раз. Конечно, в обычный игровой ПК не всегда уместно ставить такую штучку. Но со временем технология может стать более совершенной и массовой.

Полное погружение

Свой вариант есть и для любителей решать проблему радикально. Речь про иммерсионное охлаждение. Вместо того, чтобы бороться с перегревом отдельных элементов системы, здесь её целиком погружают в инертную жидкость, которая не проводит электричество. Состав у разных производителей отличается, но в некоторых случаях такая жидкость может отводить тепло до тысячи раз лучше, чем воздух.

Жак-Ив Кусто, скорее всего, выбрал бы иммерсионное охлаждение

Несмотря на то, что технология достаточно новая, у неё уже есть два варианта. Первый, относительно простой, однофазная иммерсия. Здесь жидкость просто циркулирует между рабочей зоной и охлаждающим радиатором. А вот во втором, двухфазной иммерсии, отвод тепла происходит за счёт испарения жидкости. Эффективность охлаждения так значительно повышается, но и система становится значительно более сложной.

Сегодня иммерсионное охлаждение уже активно применяют, правда в основном для майнинга криптовалют и мощных графических рендер-ферм. Когда что-то подобное получит распространение среди обычных пользователей ПК, не ясно. Но идея перспективная. Главное, не перепутать и не опустить свою «машину» в обычную воду. Так она, конечно, тоже перестанет греться. Правда, уже раз и навсегда.

Больше да меньше

Противоположностью иммерсионного охлаждения является охлаждение микроканальное. Оно действует настолько точечно, что буквально встроено в чипы. Крошечные каналы диаметром в несколько сотен микрометров прогоняют теплоотводящую жидкость у самого очага нагрева. Это позволяет повысить эффективность и уменьшить размер системы. Благодаря этому технологию можно использовать даже в небольших устройствах.

Маленькие каналы против больших температур

Микроканальное охлаждение чипов сегодня используют, например, в космических аппаратах и лазерных установках. С одной стороны это говорит о значительной эффективности и надёжности технологии. С другой — ненавязчиво намекает на её высокую стоимость. Но всё же надежда получить такую систему для домашнего ПК есть. Тем более, что размер позволяет встроить её туда совершенно безболезненно.

Sub Zero wins

Не дать «железу» нагреться, это, конечно, хорошо. Но что насчёт того, чтобы пойти дальше и опустить его температуру значительно ниже нуля? И это не просто способ перестраховаться от перегрева. Так устройство можно разогнать до экстремальных мощностей.

Наиболее популярное решение в такой ситуации — жидкий азот. Он настолько холодный, что закипает уже при температуре -196 градусов цельсия. Это всего на 77 градусов выше абсолютного нуля. Так что проблем с перегревом, конечно, не будет. А вот с образующимся конденсатом, который может навредить «железу», трудности могут возникнуть запросто. И ещё одна неприятность — азот быстро заканчивается. И для продолжительной работы его нужно много. Впрочем, настоящих фанатов «разгона» это не останавливает.

«Разгон» компьютера с помощью жидкого азота

Более технологичный вариант — криогенные камеры. Сейчас их используют для квантовых компьютеров. Но у технологии куда более широкие перспективы применения. Основная проблема в высокой цене. Жидким азотом тут не отделаешься, нужно что-то типа гелия-3 и гелия-4. И пока реализовать это на уровне ширпотреба нереально. Но кто знает, может быть в XXII веке так будут охлаждать даже смартфоны.

С искусственным умом

Чтобы бороться с перегревом, изобретать новые материалы и инженерные решения вовсе не обязательно. Можно просто выжать максимум из уже имеющихся технологий. И здесь на помощь приходит одна из самых модных тенденций последнего десятилетия — искусственный интеллект.

Самое простое, что могут нейросети, это анализировать нагрузку и в соответствии с этим регулировать скорость вращения вентиляторов. Так и «железо» не перегреется, и кулеры не будут просто шуметь впустую, зря расходуя энергию. Кроме того, ИИ может заранее предсказывать проблемы с тепловыделением и решать их ещё до того, как они возникнут.

Технология, которой ещё рано на покой

А если говорить о более сложных системах охлаждения, например, том же лазере, искусственный интеллект может стать просто незаменимым инструментом. Оптимизация сложных систем, возможно, станет настоящей киллер-фичей, которая раз и навсегда изменит рынок систем охлаждения ПК.

Холодная голова

Придёт время и какая-то из вышеописанных технологий наверняка станет индустриальным стандартом. А пока в мире игровых компьютеров всё ещё царят традиционные системы охлаждения. И если проблема перегрева для тебя актуальна прямо сейчас, придётся иметь дело с башенными кулерами, традиционными вентиляторами и системами жидкостного охлаждения.

Ну а чтобы сделать всё быстро, качественно и красиво — приходи в DigitalRazor. Мы делаем кастомные СЖО (подробнее о них читай в этом материале), которые радуют не только процессоры, но и внутреннее чувство прекрасного.