Chłodzenie procesorów PC - ebook

Chłodzenie procesorów PC bez tajemnic

Komputery osobiste, stacje robocze i serwery zużywają w czasie pracy dużo energii elektrycznej, emitując przy tym sporo ciepła. Znaczna jego część jest wydzielana przez procesory, które są coraz szybciej taktowane i wyposażane w coraz większą liczbę rdzeni. Zbyt wysoka temperatura wewnątrz jednostek centralnych powoduje zmniejszenie stabilności pracy i szybsze zużycie podzespołów, a w konsekwencji pogorszenie wydajności i zwiększenie awaryjności. Dlatego tak istotne jest wprowadzanie technik efektywnego chłodzenia elementów elektronicznych i ciągłe poszukiwanie nowych rozwiązań w ramach badań w tym zakresie.

Książka jest przeznaczona dla osób zainteresowanych zgłębieniem aktualnej wiedzy na temat dostępnych technik chłodzenia procesorów komputerowych. Autor przedstawia teoretyczne podstawy zjawisk związanych z wymianą ciepła w elementach elektronicznych - prezentuje stosowane w tym zakresie modele i metody, szczegółowo opisuje badania nad chłodzeniem wykorzystującym powietrze, wodę i nanopłyny, a także omawia możliwości zwiększenia wydajności wymiany ciepła przy użyciu innych technik. To obowiązkowa pozycja dla każdego, kto zawodowo zajmuje się tą tematyką.

• Modele i metody używane w badaniach nad chłodzeniem procesorów
• Badania nad chłodzeniem procesorów przy użyciu powietrza
• Badania nad chłodzeniem z wykorzystaniem cieczy, w tym nanopłynów
• Historia i nowe techniki chłodzenia procesorów komputerowych

Wstęp 7

Rozdział 1. Historia a współczesność 9

Rozdział 2. Podstawy teoretyczne 19

• 2.1. Model oporu konwekcyjnego 19
• 2.2. Model dwóch oporów: opór konwekcyjny i płynu 21
• 2.3. Metoda LMTD 23
• 2.4. Metoda efektywność-NTU 24
• 2.5. Porównanie modeli efektywności wymiennika ciepła,oporu konwekcyjnego, dwóch oporów (dla stałego strumieniaciepła) i oporu całkowitego 26
• 2.6. Inne zalety stosowania metodologii wymienników ciepła 28
  
  • 2.6.1. Efekt wypychania 28
  • 2.6.2. Określenie wpływu omijania (bypass) 29
• 2.7. Spadek ciśnienia i wymiana ciepła w radiatorach o wlocie powietrza prostopadłym od góry 38

Rozdział 3. Badania odbioru ciepła wydzielanego przez procesor komputera PC za pomocą radiatora chłodzonego powietrzem 47

• 3.1. Opis instalacji i badania wstępne 47
• 3.2. Wpływ temperatury radiatora na pracę wentylatora 51
• 3.3. Współczynnik wnikania ciepła 51

Rozdział 4. Badania chłodzenia wodnego 61

• 4.1. Budowa bloku wodnego Zalman ZM-WB3 Gold 61
• 4.2. Opis stanowiska laboratoryjnego 64
  
  • 4.2.1. Obliczanie bloku chłodzącego 65
• 4.3. Obliczenia dla danych eksperymentalnych 66
  
  • 4.3.1. Przykład obliczeniowy 67
• 4.4. Wyniki obliczeń 68
• 4.5. Podsumowanie 75

Rozdział 5. Nanopłyny 77

• 5.1. Synteza nanopłynów 78
• 5.2. Gęstość nanopłynów 78
• 5.3. Dynamiczny współczynnik lepkości 80
• 5.4. Współczynnik przewodzenia ciepła 80
  
  • 5.4.1. Pomiar współczynnika przewodzenia ciepła nanopłynu z zastosowaniem metody Transient Hot Wire (THW) 85
  • 5.4.2. Budowa i zasada działania urządzenia pomiarowego 86
  • 5.4.3. Pomiar i opracowanie wyników 88

Rozdział 6. Chłodzenie nanocieczą procesora komputera osobistego 95

• 6.1. Pomiary 95
• 6.2. Numeryczna mechanika płynów (CFD) 97
  
  • 6.2.1. Preprocesor 99
  • 6.2.2. Solwer 99
  • 6.2.3. Postprocesor 100
• 6.3. Opis bloku chłodzącego i modelowania za pomocą preprocesora Gambit 100
  
  • 6.3.2. Tworzenie siatki 102
• 6.4. Modelowanie CFD we Fluencie 103
  
  • 6.4.1. Woda jako medium chłodzące 103
  • 6.4.2. Symulacje chłodzenia nanopłynem woda - CuO 108
  • 6.4.3. Podsumowanie 112
• 6.5. Rozważania i obliczenia Korpysia 112
  
  • 6.5.1. Model CFD 114
  • 6.5.2. Wyniki 116
  • 6.5.3. Podsumowanie 130

Rozdział 7. Postępy w chłodzeniu procesorów 133

• 7.1. Przewodzenie 133
• 7.2. Chłodzenie powietrzem 135
  
  • 7.2.1. Wentylatory 138
  • 7.2.2. Osady na powierzchni wymiany ciepła 138
  • 7.2.3. Innowacje 140
  • 7.2.4. Podsumowanie 151
• 7.3. Alternatywne metody chłodzenia procesorów PC 153
  
  • 7.3.1. Piezowentylatory 153
  • 7.3.2. Syntetyczne strumienie chłodzące 153
  • 7.3.3. Nanobłyskawice 154
  • 7.3.4. Chłodzenie cieczą 154
  • 7.3.5. Ciepłowody 156
  • 7.3.6. Zimne płytki 157
  • 7.3.7. Mikrokanały i minikanały 157
  • 7.3.8. Chłodzenie elektrohydrodynamiczne i elektrozwilżanie 161
  • 7.3.9. Chłodzenie ciekłym metalem 162
  • 7.3.10. Chłodzenie przez zanurzenie 164
  • 7.3.11. Uderzenie strumienia cieczy 170
  • 7.3.12. Chłodzenie aerozolem 171
  • 7.3.13. Chłodzenie w ciele stałym 173
  • 7.3.14. Chłodzenie w supersieci i heterostrukturze 177
  • 7.3.15. Chłodzenie termojonowe i termotunelowe 178
  • 7.3.16. Materiały bazujące na przemianie fazowej i akumulatory ciepła 179
• 7.4. Chłodzenie ekstremalne 181
• 7.5. Wnioski dotyczące rozwoju chłodzenia procesorów 186
  
  • 7.5.1. Podejście fenomenologiczne 186
  • 7.5.2. Architektura systemu oparta na technikach zarządzania ciepłem 186
  • 7.5.3. Monitorowanie obciążenia cieplnego 187
  • 7.5.4. Zrównoważony rozwój 187
  • 7.5.5. Potrzeba standaryzacji charakteryzacji opisu wydajności cieplnej hardware'u 187
• 7.6. Podsumowanie 188

Spis oznaczeń 203

Skorowidz 205