Введение

Лютые морозы заканчиваются, и вместе с потеплением растет температура в квартирах и компьютерах. Для систем охлаждения последних наступает момент истины, ведь в условиях пониженной температуры окружающей среды работа для них существенно упрощается.

Если вы всю зиму пользовались традиционной воздушной системой охлаждения, и она вас устраивала по уровню шума и производительности, то с наступлением весны кулеры вынуждены поднимать обороты, чтобы справиться со своей работой, что приводит к повышению уровня издаваемого шума, который может превысить комфортный уровень и перестать вас устраивать.

Основная характеристика охлаждающей подсистемы — эффективность. Ее формулой является соотношение производительности и уровня шума. Другими словами, чем выше производительность системы и ниже уровень шума, тем выше ее эффективность. С потребительской точки зрения существует еще один параметр — это ценовая привлекательность. Измерить ее можно, разделив эффективность на цену. Итак, лучшей системой охлаждения является та, которая обладает высокой производительностью, низким уровнем шума и низкой ценой. Перефразируя старую шутку, можно сказать, что экономическая реальность такова, что выпускают системы охлаждения производительные, тихие и недорогие. Потребителю можно выбрать только любые 2 пункта. Причём эта формула действительна как для воздушных, так и жидкостных кулеров. Системы, основанные на принципах фазового перехода, имеют отличную от бытовой направленность. Как правило, такие системы сверхэффективные, сверхдорогие и заметно шумные.

Нас же интересуют жидкостные системы охлаждения, поскольку они хоть и заметно дороже воздушных, но имеют перед ними одно очень важное преимущество. А именно, разнесение в пространстве поглощающего и рассеивающего тепло элементов. Вы, наверняка, видели последние модели воздушных суперкулеров. Они имеют весьма существенные размеры и вес. Охлаждаются они вентиляторами, размеры которых в диаметре не менее 80-90, а зачастую и 120 мм! Порой таких вентиляторов используется 2 штуки. Столь внушительная конструкция позволяет добиться увеличения эффективности охладителя — увеличение производительности при сохранении или уменьшении уровня шума относительно кулеров для процессоров предыдущих поколений, правда и их цена в разы выросла. Но кроме процессора, в системе есть и много других сильногреющихся элементов, как графический процессор, системная логика материнской платы, память, силовые элементы энергоснабжения материнской платы и видеокарты. Процессорный кулер не только обдувает их горячим воздухом, но и вносит сильную турбулентность во внутрикорпустные воздушные потоки, что снижает эффективность работы корпусных вентиляторов и ухудшает качество охлаждения. Кроме того, еще одним компонентом, требующим интенсивного охлаждения, является блок питания. В подавляющем большинстве корпусов БП размещен в верхней части корпуса, т.е. в самой горячей его части. Элементы БП охлаждаются воздухом, который уже существенно нагрел процессорный кулер. Поэтому БП должен прогонять через себя существенно больше воздуха, что приводит к увеличению оборотов вентиляторов внутри, а это в свою очередь приводит к увеличению шума. Вторым преимуществом СВО является то, что в систему можно поставить несколько теплосъемников. Обычно ватерблоки ставят на такие компоненты, как центральный и графический процессоры, а также чипсет. Но есть и более экзотические ватерблоки, такие как для жесткого диска или модулей памяти. Энтузиасты иногда делают теплосъемники даже для мосфетов и блоков питания. При этом для всей системы обычно достаточно одной помпы и одного радиатора, в то время, как для каждого воздушного кулера в компьютере нужен свой радиатор и вентилятор.

Теплосъемники жидкостных систем охлаждения обычно очень компактны. Нагретая в них вода по трубкам подается в радиатор, который может быть размещен в любом месте, которое может быть как внутри корпуса, так и за его пределами. При желании совсем нетрудно вывесить радиатор даже за окно. При этом размеры радиаторов практически не ограничены — можно создавать их весьма крупных размеров, что позволит охлаждать воду более эффективно. Некоторые системы в нашем тесте обладают радиаторами очень внушительных размеров и даже лишены вентиляторов вообще. Такие системы принято называть пассивными, что не до конца верно, т.к. все они снабжены активным элементом — водяной помпой.

Компактность отводящего тепло элемента зачастую имеет решающее значение в очень компактных, но мощных компьютерных системах, куда огромный воздушный кулер даже не влезет, а эффективность компактного будет неудовлетворительной.

Итак, сейчас на рынке появляется все больше компаний, которые заинтересовались рынком СВО. Поэтому с каждым месяцем ассортимент пополняется все новыми представителями. Если несколько лет назад количество систем, производящихся массово в заводских условиях, можно было пересчитать на пальцах одной руки и цена их зачастую была намного выше, чем уровень эффективности, то теперь их количество идет на десятки. Нам удалось собрать 16 систем, хотя это далеко не полный спектр подобной продукции, и установить качественную и ценовую ситуацию на этом рынке.
Итак, каждая система характеризуется ценой, производительностью и уровнем шума. Поскольку цена системы известна, нам нужно определить остальные 2 показателя.

Список протестированных систем

Asetek WaterChill KT03-L20 Entry
Asetek Waterchill KT03A-12VX
Aucma Coolriver 3
CoolerMaster Aquagate mini R120
Gigabyte 3DGalaxy GH-WIU01
Promodz Cooled Silence Extreme Package
Thermaltake Tribe
Thermaltake Bigwater SE
Thermaltake Symphony
Thermaltake Rocket
Titan TWC-A05 (Bianca)
Titan TWC-A04 v2.0 (Nikita)
Zalman Reserator 1
Zalman Reserator 1+
3RSystem Poseidon WCL-02-120.cu
3RSystem Poseidon WCL-03-120.cu
Итоги тестирования

Методика тестирования

Для выяснения уровня производительности в настоящее время для тестирования систем охлаждения ПК применяют тестовые стенды. Обычно в качестве таковых используют ПК высокого уровня. Эти тестовые стенды дают довольно стабильные результаты измерений, и что немаловажно используются не имитирующие элементы, а реальные компоненты с их размерами и тепловыделением.
Но эти стенды имеют свои недостатки:

1. Дорогая комплектация стенда, многократная установка и переустановка компонентов уменьшают срок службы материнской платы — сложного микроэлектронного устройства. При работе на стенде в целом требуется максимальная аккуратность во избежание случайного попадания на материнскую плату и остальные компоненты чужеродных элементов, воды, металлических деталей и пр.
2. Стенд на основе ПК не приспособлен для точного тестового сравнения, так как реальное тепловыделение процессора известно лишь гипотетически и зависит от режима работы процессора.
3. Стенд на основе ПК не приспособлен к экстремальным режимам тестирования или для проведения специальных опытов, где вероятность отказа компонентов многократно возрастает.
4. Максимальная мощность стенда ограничена мощностью доступного процессора, стенд же позволяет смоделировать ситуацию с охлаждением процессора с большей тепловой мощностью.
5. Работа стенда прекращается при сбое в операционной системе или при других непредсказуемых и случайных сбоях в оборудовании.
6. Для решения подобной проблемы мы поставили перед собой цель создать универсальный тестовый стенд, предназначенный для тестирования систем воздушного и жидкостного охлаждения ПК.

При проведении первых опытов с эмуляторами процессора возник ряд проблем.
Первые образцы стендов, собранные 3 года назад, были построены на основе лабораторного трансформатора и проволочного резистора в металлическом кожухе. Недостаток стенда заключался в резисторе, который сгорал при высокой плотности генерируемой тепловой энергии.
Использовать же мощный резистор было невозможно, ввиду габаритов многократно превосходящих габариты процессоров.
Разработка нагревателя на нихроме или на элементах пельтье не проводилась, ввиду определенных трудностей, связанных с работой этих устройств.

Основополагающим шагом стало использование в качестве нагревателя мощного полупроводникового прибора. Выбор был сделан не случайно, а по аналогии с процессором. Кристалл процессора и кристалл мощного транзистора основаны на общей исходной технологии изготовления, мощный транзистор, как и процессор, может обладать высокой плотностью тепловыделения при незначительных массогабаритных показателях.

Первый простой и не дорогой эмулятор тепловыделения процессора был сделан нами на биполярном транзисторе японской фирмы Toshiba марки 2SC-5200, предназначен он для низкочастотной техники (усилители мощности, выходные и драйверные каскады мощных приводов).
Параметры транзистора нам уже хорошо известны, а длительные тесты в линейном режиме развеяли сомнения о возможной его ненадежности на пиках критического тепловыделения.

Транзистором можно и не ограничиваться. Возможно применение различных микросхем, усилителей или микросборок транзисторов, специальных полупроводников, работающих в линейном режиме на значительных мощностях. При выборе полупроводника для нашего режима работы главными факторами являются: небольшие габариты, значительная рабочая мощность и мощность рассеивания, легкость реализации управления.

Первым вариантом стенда был JudgeMARK-300.
В основе стенда использовалась распаянная материнская плата, на которой были расположены все необходимые элементы — силовая часть и измерительные приборы.
Тестируемые образцы устанавливались прямо на корпус транзистора 2SC 5200, служащего нагревателем. Датчик мы внедряли прямо в корпус транзистора.

Характеристики стенда

1. Генерация тепла в диапазоне от 10 до 300 (350) ватт.
2. Контроль затрачиваемой мощности по цифровым приборам.
3. Контроль температуры ядра нагревателя по&nbвался для различных опытов и тестирований.

Вскоре нами же были выявлены существенные недостатки: хлипкость конструкции, неудобство крепления и прочие недоработки. Некоторые результаты опытов были признанны нами как те, что не соответствуют действительности и несовпадают при перепроверке результатов. Стенд был разобран, а ошибки и недочеты конструкции были учтены при постройке следующего стенда.

На основе схемотехники предыдущей версии был построен образец стенда, получивший название Mark Evolution. Данный стенд в первую очередь предназначен для проведения опытов с нагревателем и измерительными приборами. Стенд универсален.

Основные отличия Evo-1 от Mark 300:

1. Возросшая с 300 до 600 ватт мощность.
2. Широкий диапазон регулирования мощности, эффективная программируемая схема защиты от перегрева, светодиодная индикация температуры на большом табло.
3. Цифровая последовательная линия связи с датчиком.
4. Точность термометра 0,5 градуса, дискретность измерений 0,1.
5. Переработанная конструкция нагревательного элемента на двух транзисторах, улучшение характеристик управляемости и надежности работы в целом.
6. Введена схема электронной защиты транзисторов нагревателя от аварийных режимов работы (недопустимый ток в цепи базы, недопустимое напряжение на базе, пробой базы, статические потенциалы, обрыв регулирующих элементов, фильтрация случайных импульсных помех).
7. Большая жесткость крепления узлов конструкции.
8. Геометрические размеры подошвы нагревателя 35×35 мм.
9. Станочная шлифовка и полировка подошвы нагревателя.
10. Центральное расположение датчика температуры в глубине подошвы.
11. Универсальность и простота крепления образцов на столе.
12. Стенд имеет собственный источник питания кулеров и помп на стандартные напряжения 5 и 12 вольт с возможностью их оперативного переключения.
13. Измерительные приборы имеют собственные стабилизированные источники питания и не нуждаются в замене батареек.
14. Установлены недорогие, но проверенные измерительные приборы фирмы UNI-T.
15. Заказной тороидальный трансформатор ТОРНАДО обеспечивает большую плотность тока и больший запас по мощности, к тому же, не греется на пиковых режимах работы.
16. В целом стенд имеет броский дизайн в стиле каннибализм, шокирующий публику при ближайшем рассмотрении устройства.

Что касается уровня шума, генерируемого системами, то он определялся на слух. За шкалу мы брали такие уровни шумности, как бесшумная, малошумная, среднешумная, очень шумная. Нужно признать, что фактически все системы, жидкостного охлаждения имеют движущие элементы, как минимум двигатель помпы, поэтому шум будет присутствовать обязательно, но если шум от системы на расстоянии полуметра не слышим, то мы оценивали уровень шумности как бесшумный.

Процедура тестирования

Тестирование проводилось в отапливаемом помещении, на время тестирования стенд было установлено на стол. Температура в комнате поддерживалась на уровне +23°С.

Перед установкой теплосъемника подошва нагревателя покрывалась тонким слоем термопасты КТП-8. Данный тип термопасты выбран не случайно, она хорошо известна пользователям ПК, широко используется в промышленности, обладает хорошими теплопроводящими свойствами, доступностью и низкой ценой. К тому же является стандартом де-факто отечественного термоинтерфейса.

Сам нагреватель представляет собой медную пластину, в верхней части которой находится квадрат размером 35×35 мм, с которого осуществляется теплосъем тестовыми образцами. Поверхность квадрата тонко отшлифована на станке и отполирована. Нагреватель установлен на 10-миллиметровой гетинаксовой пластине, в которой высверлены отверстия под все основные стандарты крепления — 939, 775, 478, 462 и т.д. Образцы фиксируются винтами и специальными скобами.

Непосредственным источником тепла является пара транзисторов 2SC 5200, особым образом впаянных с нижней стороны пластины. Своими корпусами транзисторы располагаются максимально близко друг к другу. Формируемое ими тепловое поле имеет форму двух пересекающихся круглых пятен с максимальной горячей точкой в центре пересечения. В точке пересечения находится датчик температуры. Два транзистора обеспечивают большую суммарную мощность тепловыделения, при гарантированно высокой степени надежности нагревателя и неизменности его параметров.

Расположение термодатчика и принцип действия нагревателя

На стыке корпусов 2SC 5200 в центре и на линии расположения кристаллов определенным образом выфрезеровывается отверстие через корпуса самих транзисторов. Оно уходит в глубь медной подошвы на 4,5 мм, в это отверстие вводится термодатчик с теплопроводной пастой. После проверки работоспособности датчик фиксируется, а отверстие заполняется термоклеем.
Такая конструкция нагревателя лишь приближенно эмулирует тепловыделение процессора, поэтому полученные температуры и мощности нельзя непосредственно переносить и сравнивать с конкретным процессором. Поскольку термодачик расположен не непосредственно в ядре нагревающего элемента, в отличии от такового в процессоре, то и температура будет показана несколько ниже. Это следует учитывать при анализе результатов замера производительности. Также не следует удивляться, что некоторые из тестируемых СВО смогли рассеять 300-400 ватт тепловой мощности на нашем стенде. Нет, это не ошибка и не опечатка, данные мощности действительно имеют место в тесте, так как выделяемая тепловая энергия не сконцентрирована в определенной точке, а выделяется на большей площади, ограниченной размерами квадрата 35×35мм.

Сам же нагреватель на данном этапе обеспечивает все базовые характеристики для проведения качественного сравнительного тестирования различных систем охлаждения. После проведения тестов и написания статьи нагреватель будет существенно дорабатываться и приблизится по своим параметрам к модели процессора.

После нанесения термопасты и надежной фиксации ватерблока делается тестовый замер. Задается мощность, равная 100 ваттам, после чего проводится мониторинг температуры ядра. После установления температуры значение записывается, стенд отключается, а образец перефиксируется, и вновь делается контрольный замер. Если температуры в установившемся режиме совпадают, то образец готов к тесту. Если температуры отличаются более чем на 1 градус, то делается еще несколько контрольных переустановок образца до тех пор, пока мы не установим реальное значение температуры при мощности 100 ватт. Обычно хватает трех переустановок с четкими совпадениями температур.

Далее проводится сам тест. По измерительным приборам мы точно знаем, какое количество энергии мы выделяем в виде тепла, произведение тока и напряжения дает результирующую мощность. Напряжение и ток находятся под постоянным контролем, а приборы подключены таким образом, чтобы измерение в цепи было достоверно точным. Любые разъемные соединения исключаются, силовые и измерительные кабели припаиваются непосредственно к измерительным схемам приборов. Все силовые кабели имеют трехкратный запас по рабочему току.
Измеритель температуры был собран нашей тестовой лабораторией. Он представляет собой блок дешифрации данных (поступающих в виде кода из термометра фирмы Dallas Semiconductor), их обработки и выдачи в понятном для нас виде на табло, также устройство осуществляет выдачу команды на сброс реле аварийной защиты, установленного в цепи питания высоковольтной части. Предварительно порог срабатывания защиты устанавливается с клавиатуры и сохраняется в памяти прибора. За значение срабатывания защиты мы приняли температуру 85°С. При таком значении температуры современные процессоры (не военного или специального назначения) уже не в состоянии стабильно функционировать.

Каким бы совершенным ни был тестовый стенд, результаты будут отличаться от тестирования на реальных процессорах. Поэтому мы ввели в тестирование один из современнейших и дорогих воздушных кулеров — Zalman CNPS 9500LED, стоимость которого составляет 65 долларов. Кулер оснащен 80-миллиметровым вентилятором, имеет хорошую производительность при среднем уровне шума на максимальных оборотах.

Производительность каждой системы мы сравнивали с производительностью этого кулера. Для того что бы было удобно сравнивать, график каждой системы мы дополнили графиком производительности эталонного кулера.