Как создаются эффективные системы охлаждения для ноутбуков

By Notebookcheck |
Данная статья предоставлена сайтом Notebookcheck.
Проектирование и реализация эффективной системы охлаждения для ноутбука требует больших ресурсов разработчиков и тщательного отбора каждого отдельного ее элемента. Только в этом случае аппаратные компоненты устройства смогут продемонстрировать весь свой скоростной потенциал. В данной статье мы рассмотрим каждый этап данного процесса, узнаем, как производители создают прототипы и тестируют свои системы охлаждения с целью достижения максимально эффективной их работы. В качестве примера мы возьмем флагманский ноутбук от MSI, модель GT76, процессор которого может работать на частоте в 5 ГГц при задействовании всех ядер. (спонсорская статья)
 
GT76
Система охлаждения должна обеспечивать максимальную производительность ноутбука в течение длительного периода времени без троттлинга.
 

Вступление

Итак, вы заполучили настоящего монстра среди ноутбуков: в тонком корпусе, но с мощной конфигурацией, которая в теории должна обеспечить ту самую частоту кадров, которая нужна для господства в игровом мире. Настроив его, вы радостно запускаете игру в надежде остаться единственным победителем на поле боя, однако уже через полчаса видите, что скорость упала, а ноутбук стал горячим, словно раскаленная печка. Похоже, что характеристики устройства не вполне совпадают с его реальными возможностями. То, что случилось, – это результат «троттлинга», падения частоты из-за перегрева.
 
Важность надлежащего охлаждения для ноутбуков трудно переоценить. Постоянные читатели сайта Notebookcheck знают, что во многих своих статьях мы вновь и вновь подчеркиваем необходимость правильной оценки систем охлаждения мобильных компьютеров с флагманскими компонентами и, в частности, риска падения частоты из-за перегрева («троттлинга»). Плохое охлаждение может привести к значительному падению скорости, так что в результате вы заплатите больше за ноутбук, который в действительности будет работать хуже, чем более дешевые модели.
 
При покупке ноутбука одним из способов оценить его потенциал является понимание того, какую систему охлаждения реализовал в нем производитель. Охладить ноутбук – сложнее, чем стационарный компьютер, поэтому разработчики прибегают к инновационным методам, чтобы максимально снизить температуру и гарантировать беспроблемную работу полноценных компонентов десктопного класса, таких как процессор Intel Core i9-9980HK и видеокарта NVIDIA GeForce RTX 2080.
 
В данной статье мы рассмотрим, что необходимо для создания эффективной системы охлаждения, включая выбор ее элементов и тестирование прототипов, а также те улучшения, которые производители ноутбуков придумали в последнее время. Хотите узнать. каким образом ноутбук вроде MSI GT76 способен обеспечить работу восьми процессорных ядер на частоте 5 ГГц? Скоро узнаете!
 

Проектирование эффективной системы охлаждения

Проектирование хорошей системы охлаждения, которая бы удовлетворила запросы ключевых компонентов, таких как процессор, видеокарта и стабилизатор напряжения, является нетривиальной задачей. Чтобы понять, сколько тепла производят чипы и насколько хорошо они подходят для конкретного форм-фактора, необходимо оценить множество факторов и провести множество тестов.
 
Проектирование системы охлаждения ноутбука является важной частью всего процесса разработки и исследований. Обычно оно происходит так, как описано в деталях ниже. Следует учесть, что у каждого производителя будет свой собственный способ достижения максимальной производительности системы охлаждения, однако основные концепции, связанные с применением термомодулей, тепловых трубок, радиаторов и вентиляторов, будут иметь силу во всех случаях.
 

Система охлаждения ноутбука MSI GP75 Leopard 9SD.

 

Элементы системы охлаждения

Взгляните на «внутренности» ноутбука MSI GP75 Leopard, показанные на иллюстрации. Это весьма мощная модель, предназначенная для игры в разрешении 1080p. В ее конфигурацию входят процессор Intel Core i7-9750H и видеокарта NVIDIA GeForce GTX 1660 Ti. На картинке мы видим несколько медных тепловых трубок, которые отходят от центрального и графического процессоров к вентиляторам. При ближайшем рассмотрении можно заметить, что эти трубки выходят из медных блоков, присутствующих на обоих процессорах. Этот медный блок (или «термомодуль») контактирует с чипом посредством термопасты. Таким образом, передача тепла осуществляется по цепочке процессор/видеокарта > термопаста > термомодуль > тепловые трубки. Цель – обеспечить максимально быстрый перенос тепла от чипа до термомодуля. Почему это так важно?
 

Ноутбук Apple MacBook Pro 2018-го года с процессором Core i9-8950HK заслужил дурную славу из-за проблем с перегревом, вызванных недостаточным охлаждением. (Источник: Дейв Ли на YouTube)
 
Вкратце, каждый чип рассеивает определенное количество тепла при работе в рамках установленного для него термопакета. Между производителями электронных чипов нет единого мнения о том, как именно следует рассчитывать термопакет, поэтому разработчики ноутбуков проводят свои собственные тесты, чтобы понять, как именно будет вести себя конкретный чип в корпусе определенного размера. Если тепло не отводится от чипа достаточно быстро, то тот, чтобы избежать повреждения от перегрева, сбрасывает свою частоту, чтобы выделять меньше тепла, а это сказывается на производительности. Примером является модель Apple MacBook Pro 2018-го года. Из-за плохого охлаждения ее процессор Core i9 не мог поначалу достичь даже Boost-частоты, указанной в его же спецификациях.

Избыток тепла означает, что чип будет работать менее эффективно. Его производительность будет скомпрометирована, даже если кажется, что он достиг требуемой частоты. Возможность разгона будет сильно ограничена.

A generic vs. a CNC-polished
copper block used in the MSI GT76.
(Image courtesy: MSI)
 
Таким образом, очень важно отводить от чипа тепло максимально быстро и эффективно. Для изготовления термомодулей предпочитают использовать медь, поскольку она обладает высокой теплопроводностью. В большинстве ноутбуков медная поверхность термоблока является шершавой, что на микроскопическом уровне препятствует контакту с термопастой. Поэтому, чтобы увеличить теплопроводность еще больше, в наиболее мощных игровых ноутбуках, таких как MSI GT76, термомодуль шлифуется для получения идеально ровной поверхности в месте его соприкосновения с процессором.

 

Хорошее охлаждение невозможно без тепловых трубок


Принцип работы тепловой трубки (источник: Wikipedia)
 
Отведенное от чипа тепло необходимо направить подальше от центрального и графического процессоров с помощью тепловых трубок. Такая трубка состоит из испарительной и конденсирующей секций и с технической точки зрения представляет собой двухфазную систему переноса тепла. Внутри нее находится жидкость, обычно – вода, которая поглощает тепло от термомодуля и превращается в пар (испарительная секция). Пар переходит по полости трубки в область с более низкой температурой (конденсирующая секция), где конденсируется в жидкость. Та впитывается фитилем и возвращается в начальное положение под действием капиллярности. А тепло рассеивается снаружи.
 

Схема переноса тепла (источник: Calyos)

В качестве примера давайте рассмотрим приведенную выше схему. Мы видим, что жидкость в тепловой трубке нагревается до состояния пара, переходит в область переноса тепла, отдает тепло и конденсируется обратно в жидкую форму. Область, отмеченная как «Испарение», аналогична термомодулю, который мы рассматривали выше, а область «Перенос тепла» – ребрам радиатора, о которых мы расскажем чуть позже. Именно таким образом тепло от термомодуля передается на ребра радиатора, откуда рассеивается с помощью вентиляторов.
 

Тепловая трубка со спеченной металлической крошкой в разрезе. (источник: Frosty Tech)

Тепловые трубки обычно изготавливаются из меди или алюминия, а внутренняя фитильная структура представляет собой желобки, проволочную сетку, спеченный порошок или волокно. Самые дорогие в производстве – трубки со спеченным фитилем, однако именно они обеспечивают великолепную передачу тепла от фитиля до стенок и обратно.
 
Фитильная структура – ключевой параметр при выборе правильной тепловой трубки, однако имеются и другие, которые также влияют на ее эффективность. Первым из них является количество – чем больше трубок, тем лучше передается тепло от термоблока. Конкретное число будет зависеть от объема тепла, поступающего от термоблока, и доступного пространства внутри корпуса.
 
Длина и диаметр трубки непосредственно влияют на скорость движения пара внутри ее полости. Чем больше диаметр, тем быстрее перемещается пар. Трубка не должна быть слишком длинной. Короткие трубки могут переносить больше тепла, чем длинные, а также обладают большим капиллярным пределом – жидкость быстрее возвращается по ним из конденсирующей в испарительную секцию.
 

Отдельные тепловые трубки для центрального и графического процессоров в ноутбуке MSI GT76.
 
Во многих ноутбуках тепловые трубки обслуживают и центральный, и графический процессоры одновременно. Такое решение дешевле, но менее эффективно. Часть трубки между процессорами будет относительно холоднее, что может привести к преждевременной конденсации жидкости. Вот почему во флагманских игровых ноутбуках, таких как MSI GT76, процессоры обслуживаются отдельными тепловыми трубками и вентиляторами.
 
Поскольку в ноутбуке недостаточно места для укладки цилиндрических тепловых трубок, их делают сплющенными. При этом трубка должна оставаться ровной и не быть чересчур плоской, потому что иначе жидкость будет с трудом перемещаться по фитилю. Также следует избегать слишком резких изгибов. Впрочем, как показывает практика, работа трубки не ухудшится, если радиус изгиба остается в три раза больше, чем диаметр самой рубки.

 

Хорошая вентиляция способствует хорошему охлаждению


На иллюстрации показано, как в обычный ноутбук входит холодный воздух (синие стрелки) и как затем из него выходит горячий (красные стрелки). (Источник: Inyes.org)
 
Успешный отвод тепла от процессора – лишь половина дела. Полный вывод тепла из корпуса ноутбука – тоже непростая задача. Тут в работу вступают радиаторы и вентиляторы. Если говорить упрощенно, то радиатор увеличивает площадь поверхности для тепла, поступающего с тепловой трубки, а вентилятор прогоняет это тепло прочь, забирая холодный воздух снаружи корпуса.
 

Типичная система охлаждения ноутбука с термоблоком,
тепловыми трубками и радиатором. (Источник: Any PC Part с редактированием)
 
Выбор вентиляторов и радиаторов не сводится к отбору лучших из доступных компонентов. Дело в том, что в вентиляторе должен быть баланс между числом лопастей и пространством между ними. Если поместить слишком много лопастей в малое пространство, то между них будет проходить мало воздуха. В то же время, если лопастей мало и расположены они редко, то эффективность вентилятора упадет. Так какой же вариант будет оптимальным?
 

Радиаторы в ноутбуке MSI GT76 обладают большим числом ребер и снабжены дополнительными вентиляторами.
 
Здесь приходит на помощь моделирование. Многие производители используют специальное программное обеспечение для оценки вентиляции внутри того или иного корпуса. Суть моделирования – выяснить, какая конфигурация вентиляторов будет оптимальной для конкретной задачи, вместо того, чтобы просто взять самый быстрый (и, вероятно, самый громкий) вентилятор из имеющихся. Программное обеспечение учитывает множество факторов, в том числе то, как именно воздух входит в ноутбук и выходит из него, какое пространство имеется внутри корпуса, какой объем воздуха прокачивают вентиляторы, площадь радиаторов и т.д. В результате мы получаем прогноз распределения температур внутри ноутбука под различными вариантами нагрузки. Эта информация помогает инженерам оптимизировать систему охлаждения для достижения максимальной эффективности.
 
В видеоролике модельных испытаний, представленном ниже, можно увидеть, как моделирование воздушных потоков помогает понять тот или иной результат реализации системы охлаждения. В данном конкретном случае горячий воздух всасывался обратно внутрь корпуса, что приводило к повышению температуры.
 
 
Произведя необходимые поправки в правой части, мы видим, что горячий воздух теперь выводится вентиляторами и распределение температуры стало более единообразным. Таким образом, подобное моделирование позволяет вносить изменения в конструкцию системы охлаждения еще на стадии прототипа. Оно также помогает выявить проблемы, которые было бы невозможно обнаружить при тестировании физического образца.
 
 
Давайте теперь рассмотрим, как это все работает на практике, взяв ноутбук MSI GT76. Данная модель стремится обеспечить долговременную работу всех ядер процессора Core i9-9900K на частоте 5 ГГц. Как видно на картинке, система охлаждения GT76 насчитывает не менее 11 тепловых трубок, пару медных термоблоков, отшлифованных на фрезерном станке, оптимизированные радиаторы и четыре вентилятора. Радиаторы расположены по всей длине корпуса устройства, а наличие четырех вентиляторов позволяет рассеивать тепло на протяжении всей задней панели, а не только лишь по углам.
 

В ноутбуке GT76 тепло рассеивается по всей длине корпуса.
 
По заявлению компании MSI, многочисленные модельные испытания помогли создать новую систему охлаждения, которая обеспечивает в 2,25 раза более сильный воздушный поток по сравнению с конкурирующими решениями: вентиляторы ноутбука GT76 обладают мощностью в 96 кубических футов, а обычные – 42,6. Большая площадь оребренного радиатора также способствует защите процессора 9900K от троттлинга. Общая площадь ребер радиатора, обслуживающего процессор в GT76, составляет 252 910 мм2, что в 2,3 раза больше, чем у модели GT75 Titan (110 045 мм2).
 

Вентиляторы GT76 перекачивают на 125% больше воздуха,
чем в конкурирующих системах охлаждения.

Площадь поверхности ребер радиатора в GT76 на 130% больше,
чем у прошлогодней модели GT75.

 

В нашем обзоре ноутбука GT76 мы выяснили, что тот вообще не использует троттлинг даже при запуске 60-минутного стресс-теста FurMark и Prime95, пусть даже температура его компонентов была выше нормы. Ноутбук также смог без проблем поддерживать постоянную частоту процессора в 4,7 ГГц в закольцованном тесте Cinebench R15.
 

 

Заключение

Как вы уже могли понять к данному моменту, проектирование хорошей системы охлаждения, которая бы позволила компонентам ноутбука проявить весь свой потенциал, представляет собой одну из важнейших инженерных задач. При этом приходится оценивать множество факторов, начиная от конфигурации воздушных потоков внутри корпуса и заканчивая выбором правильных материалов. И все это – чтобы вы могли работать и играть на ноутбуке без компромиссов с точки зрения производительности.
 
В данной статье мы рассмотрели некоторые аппаратные аспекты охлаждения, однако их дополняют программные, ведь нужно, чтобы ноутбук мог реагировать на изменения в температуре компонентов. Надеемся, что мы смогли расширить ваши знания о том, как проектируются системы охлаждения, которые представляют собой весьма важный, но зачастую упускаемый из виду фактор, влияющий на выбор той или иной модели ноутбука.
 
Представители MSI сообщили нам, что именно улучшенное охлаждение станет основным приоритетом в моделях, которые готовятся к новому школьному году, поэтому мы ожидаем увидеть новые решения во всей продуктовой линейке компании.
 
Подпишитесь на наш Блог

Будьте в курсе последних новинок продукции, статей блога и новостей

Кликнув на кнопку, вы соглашаетесь с Политикой конфиденциальности компании MSI

ru