Конструируем систему охлаждения компьютера

Контролировать значения скорости вращения вентиляторов можно  при помощи BIOS Setup. Как правило, если материнская плата поддерживает изменение скорости вращения вентиляторов, здесь же в BIOS Setup можно настроить параметры алгоритма регулирования скорости. Набор параметров различен для разных материнских плат; обычно алгоритм использует показания термодатчиков, встроенных в процессор и материнскую плату. Существует ряд программ для различных ОС, которые позволяют контролировать и регулировать скорость вентиляторов, а также следить за температурой различных компонентов внутри компьютера. Производители некоторых материнских плат комплектуют свои изделия фирменными программами для Windows: Asus PC Probe, MSI CoreCenter, Abit µGuru, Gigabyte EasyTune, Foxconn SuperStep и т.д. Распространено несколько универсальных программ, среди них: Hmonitor (shareware, $20-30), MotherBoard Monitor (распространяется бесплатно, не обновляется с 2004 года). Самая популярная программа этого класса — SpeedFan:

Эти программы позволяют  следить за целым рядом температурных  датчиков, которые устанавливаются  в современные процессоры, материнские  платы, видеокарты и жёсткие диски. Также программа отслеживает  скорость вращения вентиляторов, которые  подключены к разъёмам материнской  платы с соответствующей поддержкой. Наконец, программа способна автоматически  регулировать скорость вентиляторов в  зависимости от температуры наблюдаемых  объектов (если производитель системной  платы реализовал аппаратную поддержку  этой возможности). На приведённом выше рисунке программа настроена  на управление только вентилятором процессора: при невысокой температуре ЦП (36°C) он вращается со скоростью около 1000 об/мин, - это 35% от максимальной скорости (2800 об/мин). Настройка таких программ сводится к трём шагам:

1. определению, к каким из каналов контроллера материнской платы подключены вентиляторы, и какие из них могут управляться программно;
2. указанию, какие из температур должны влиять на скорость различных вентиляторов;
3. заданию температурных порогов для каждого датчика температуры и диапазона рабочих скоростей для вентиляторов.

Возможностями по мониторингу  также обладают многие программы  для тестирования и тонкой настройки  компьютеров: SiSoft Sandra, S&M, nVidia ClockGen и т. д.

Многие современные видеокарты также позволяют регулировать обороты  вентилятора системы охлаждения в зависимости от нагрева графического процессора. При помощи специальных  программ можно даже изменять настройки  механизма охлаждения, снижая уровень  шума от видеокарты в отсутствие нагрузки. Так выглядят в программе ATI Tray Tools оптимальные настройки для видеокарты HIS X800GTO IceQ II:

Пассивное охлаждение

Пассивными системами охлаждения принято называть такие, которые не содержат вентиляторов. Пассивным охлаждением могут довольствоваться отдельные компоненты компьютера, при условии, что их радиаторы помещены в достаточный поток воздуха, создаваемый «чужими» вентиляторами: например, микросхема чипсета часто охлаждается большим радиатором, расположенным вблизи места установки процессорного кулера. Популярны также пассивные системы охлаждения видеокарт, например, Zalman ZM80D-HP:

Очевидно, чем больше радиаторов приходится продувать одному вентилятору, тем большее сопротивление потоку ему нужно преодолеть; таким образом, при увеличении количества радиаторов часто приходится увеличивать скорость вращения крыльчатки. Эффективнее использовать много тихоходных вентиляторов большого диаметра, а пассивные системы охлаждения предпочтительнее избегать. Несмотря на то, что выпускаются пассивные радиаторы для процессоров, видеокарты с пассивным охлаждением, даже блоки питания без вентиляторов (FSP Zen), попытка собрать компьютер совсем без вентиляторов из всех этих компонент наверняка приведёт к постоянным перегревам. Потому, что современный высокопроизводительный компьютер рассеивает слишком много тепла, чтобы охлаждаться только лишь пассивными системами. Из-за низкой теплопроводности воздуха, сложно организовать эффективное пассивное охлаждение для всего компьютера, разве что превратить в радиатор весь корпус компьютера, как это сделано в Zalman TNN 500A:

Сравните корпус-радиатор на фото с корпусом обычного компьютера!

Возможно, полностью пассивного охлаждения будет достаточно для  маломощных специализированных компьютеров (для доступа в интернет, для  прослушивания музыки и просмотра  видео, и т.п.)

Охлаждение экономией

В старые времена, когда энергопотребление  процессоров не достигло ещё критических  величин — для их охлаждения хватало  небольшого радиатора — вопрос «что будет делать компьютер, когда делать ничего не нужно?» решался просто: пока не надо выполнять команды пользователя или запущенные программы, ОС даёт процессору команду NOP (No OPeration, нет операции). Эта команда заставляет процессор выполнить бессмысленную безрезультатную операцию, результат которой игнорируется. На это тратится не только время, но и электроэнергия, которая, в свою очередь, преобразуется в тепло. Типичный домашний или офисный компьютер в отсутствие ресурсоёмких задач загружен, как правило, всего на 10% — любой может удостовериться в этом, запустив Диспетчер задач Windows и понаблюдав за Хронологией загрузки ЦП (Центрального Процессора). Таким образом, при старом подходе около 90% процессорного времени улетало на ветер: ЦП занимался выполнением никому не нужных команд. Более новые ОС (Windows 2000 и далее) в аналогичной ситуации поступают разумнее: при помощи команды HLT (Halt, останов) процессор полностью останавливается на короткое время — это, очевидно, позволяет снизить потребление энергии и температуру процессора при отсутствии ресурсоёмких задач.

Компьютерщики со стажем могут  припомнить целый ряд программ для  «программного охлаждения процессора»: будучи запущенными под управлением  Windows 95/98/ME они останавливали процессор с помощью HLT, вместо повторения бессмысленных NOP, чем снижали температуру процессора в отсутствие вычислительных задач. Соответственно, использование таких программ под управлением Windows 2000 и более новых ОС лишено всякого смысла.

Современные процессоры потребляют настолько много энергии (а это  значит: рассеивают её в виде тепла, то есть греются), что разработчики создали дополнительные технические  по борьбе с возможным перегревом, а также средства, повышающие эффективность  механизмов экономии при простое  компьютера.

Тепловая защита процессора

Для защиты процессора от перегрева  и выхода из строя, применяется так  называемый thermal throttling (обычно не переводят: троттлинг). Суть этого механизма проста: если температура процессора превышает допустимую, процессор принудительно останавливается командой HLT, чтобы кристалл имел возможность остыть. В ранних реализациях этого механизма через BIOS Setup можно было настраивать, какую долю времени процессор будет простаивать (параметр CPU Throttling Duty Cycle: xx%); новые реализации «тормозят» процессор автоматически до тех пор, пока температура кристалла не опустится до допустимого уровня. Безусловно, пользователь заинтересован в том, чтобы процессор не прохлаждался (буквально!), а выполнял полезную работу — для этого нужно использовать достаточно эффективную систему охлаждения. Проверить, не включается ли механизм тепловой защиты процессора (троттлинга) можно при помощи специальных утилит, например ThrottleWatch:

В данном случае процессор  охлаждается неудовлетворительно: как только загрузка процессора возрастает, срабатывает механизм троттлинга

Минимизация потребления  энергии

Практически все современные  процессоры поддерживают специальные  технологии для снижения потребления  энергии (и, соответственно, нагрева). Разные производители называют такие технологии по-разному, например: Enhanced Intel SpeedStep Technology (EIST), AMD Cool’n’Quiet (CnQ, C&Q) — но работают они, по сути, одинаково. Когда компьютер простаивает, и процессор не загружен вычислительными задачами, уменьшается тактовая частота и напряжение питания процессора. И то, и другое уменьшает потребление процессором электроэнергии, что, в свою очередь, сокращает тепловыделение. Как только загрузка процессора увеличивается, автоматически восстанавливается полная скорость процессора: работа такой схемы энергосбережения полностью прозрачна для пользователя и запускаемых программ. Для включения такой системы нужно:

1. включить использование поддерживаемой технологии в BIOS Setup;
2. установить в используемой ОС соответствующие драйверы (обычно это драйвер процессора);
3. в Панели управления Windows (Control Panel), в разделе Электропитание (Power Management), на закладке Схемы управления питанием (Power Schemes) выбрать в списке схему Диспетчер энергосбережения (Minimal Power Management).

Например, для материнской  платы Asus A8N-E с процессором AMD Athlon 64 нужно (подробные инструкции приведены в Руководстве пользователя):

1. в BIOS Setup в разделе Advanced > CPU Configuration > AMD CPU Cool & Quiet Configuration параметр Cool N'Quiet переключить в Enabled; а в разделе Power параметр ACPI 2.0 Support переключить в Yes;
2. установить драйвер AMD Cool'n'Quiet;
3. см. выше.

Проверить, что частота  процессора изменяется, можно при  помощи любой программы, отображающей тактовую частоту процессора: от специализированных типа CPU-Z, вплоть до Панели управления Windows (Control Panel), раздел Система (System):

AMD Cool'n'Quiet в действии: текущая частота процессора (994 МГц) меньше номинальной (1,8 ГГц)

Часто производители материнских  плат дополнительно комплектуют  свои изделия наглядными программами, наглядно демонстрирующими работу механизма  изменения частоты и напряжения процессора, например, Asus Cool&Quiet:

Частота процессора изменяется от максимальной (при наличии вычислительной нагрузки), до некоторой минимальной (при отсутствии загрузки ЦП).

Утилита RMClock

Во время разработки набора программ для комплексного тестирования процессоров CPU RightMark, была создана утилита RMClock (RightMark CPU Clock/Power Utility): она предназначена для наблюдения, настройки и управления энергосберегающими возможностями современных процессоров. Утилита поддерживает все современные процессоры и самые разные системы управления потреблением энергии (частотой, напряжением…) Программа позволяет наблюдать за возникновением троттлинга, за изменением частоты и напряжения питания процессора. Используя RMClock, можно настраивать и использовать всё, что позволяют стандартные средства: BIOS Setup, управление энергопотреблением со стороны ОС при помощи драйвера процессора. Но возможности этой утилиты гораздо шире: с её помощью можно настраивать целый ряд параметров, которые не доступны для настройки стандартным образом. Особенно это важно при использовании разогнанных систем, когда процессор работает быстрее штатной частоты.

Авторазгон видеокарты

Подобный метод используют и разработчики видеокарт: полная мощность графического процессора нужна только в 3D-режиме, а с рабочим столом в 2D-режиме современный графический чип справится и при пониженной частоте. Многие современные видеокарты настроены так, чтобы графический чип обслуживал рабочий стол (2D-режим) с пониженной частотой, энергопотреблением и тепловыделением; соответственно, вентилятор охлаждения крутится медленнее и шумит меньше. Видеокарта начинает работать на полную мощность только при запуске 3D-приложений, например, компьютерных игр. Аналогичную логику можно реализовать программно, при помощи различных утилит по тонкой настройке и разгону видеокарт. Для примера, так выглядят настройки автоматического разгона в программе ATI Tray Tools для видеокарты HIS X800GTO IceQ II:

Тихий компьютер: миф или реальность?

С точки зрения пользователя, достаточно тихим будет считаться  такой компьютер, шум которого не превышает окружающего шумового фона. Днём, с учётом шума улицы за окном, а также шума в офисе  или на производстве, компьютеру позволительно  шуметь чуть больше. Домашний компьютер, который планируется использовать круглосуточно, ночью должен вести  себя потише. Как показала практика, практически любой современный мощный компьютер можно заставить работать достаточно тихо. Опишу несколько примеров из моей практики.

Пример 1: платформа  Intel Pentium 4

В моём офисе используется 10 компьютеров Intel Pentium 4 3,0 ГГц со стандартными процессорными кулерами. Все машины собраны в недорогих корпусах Fortex ценой до $30, установлены блоки питания Chieftec 310-102 (310 Вт, 1 вентилятор 80?80?25 мм). В каждом из корпусов на задней стенке был установлен вентилятор 80?80?25 мм Titan TFD-8025H12B (3000 об/мин, шум 33 дБА) — они были заменены вентиляторами с такой же производительностью 120?120?25 мм GlacialTech SilentBlade GT12252BDL-1 (950 об/мин, шум 19  дБА). В файловом сервере локальной сети для дополнительного охлаждения жёстких дисков на передней стенке установлены 2 вентилятора 80?80?25 мм Titan TFD-8025H12B, подключённые последовательно (скорость 1500 об/мин, шум 20 дБА). В большинстве компьютеров использована материнская плата Asus P4P800 SE, которая способна регулировать обороты кулера процессора. В двух компьютерах установлены более дешёвые платы Asus P4P800-X, где обороты кулера не регулируются; чтобы снизить шум от этих машин, кулеры процессоров были заменены GlacialTech Turbine 4500 (1900 об/мин, шум 20 дБА). 
Результат: компьютеры шумят тише, чем кондиционеры; их практически не слышно.

Пример 2: платформа  Intel Core 2 Duo

Домашний компьютер на новом процессоре Intel Core 2 Duo E6400 (2,13 ГГц) со стандартным процессорным кулером был собран в недорогом корпусе aigo ценой $25, установлен блок питания Chieftec 360-102DF (360 Вт, 2 вентилятора 80×80×25 мм). В передней и задней стенках корпуса установлены 2 вентилятора 80×80×25 мм Titan TFD-8025H12B, подключённые последовательно (скорость регулируется, от 750 до 1500 об/мин, шум до 20 дБА). Использована материнская плата Asus P5B, которая способна регулировать обороты кулера процессора и вентиляторов корпуса. Установлена видеокарта PowerColor X550 Bravo Edition с пассивной системой охлаждения. 
Результат: компьютер шумит так, что днём его не слышно за обычным шумом в квартире (разговоры, шаги, улица за окном и т. п.).

Пример 3: платформа AMD Athlon 64

Мой домашний компьютер на процессоре AMD Athlon 64 3000+ (1,8 ГГц) собран в недорогом корпусе Delux ценой до $30, сначала содержал блок питания CoolerMaster RS-380 (380 Вт, 1 вентилятор 80?80?25 мм) и видеокарту Asus EAX550GE (охлаждается вентилятором 40?40?10 мм). Из-за шума блок питания был заменён Chieftec HPC-360-202DF (360 Вт, 2 вентилятора 80?80?25 мм), а видеокарта - PowerColor X550 Bravo Edition с пассивной системой охлаждения. В передней и задней стенках корпуса были установлены 2 вентилятора 80?80?25 мм Titan TFD-8025H12B (3200 об/мин, шум 33 дБА), чтобы снизить уровень шума они были подключены последовательно (1800 об/мин, 22 дБА). Позднее они были заменены тремя вентиляторами 80?80?25 мм GlacialTech SilentBlade GT80252BDL-1, подключенными к +5 В (около 850 об/мин, шум меньше 17 дБА). Используется материнская плата Asus A8N-E, которая способна регулировать обороты кулера процессора GlacialTech Igloo 7200 (до 2800 об/мин, шум до 26 дБА, в режиме простоя кулер вращается около 1000 об/мин и шумит меньше 18 дБА). Проблема этой материнской платы: охлаждение микросхемы чипсета nVidia nForce 4, Asus устанавливает небольшой вентилятор 40?40?10 мм со скоростью вращения 5800 об/мин, который достаточно громко и неприятно свистит (кроме того, вентилятор оборудован подшипником скольжения, имеющим очень небольшой ресурс). Для охлаждения чипсета был установлен кулер для видеокарт с медным радиатором Titan CUV2 (4500 об/мин, 23 дБА), а позже и он был заменён радиатором Zalman ZM-NB47J: