Справка по ноутбукам: Выясняем, как разрабатываются эффективные системы охлаждения
Вступление
Итак, давайте представим, что к вам в руки наконец попал ноутбук вашей мечты: тонкий, мощный и способный выдавать максимальную кадровую частоту во всех играх. После установки всего необходимого софта вы наконец запускаете любимую игру, искренне надеясь, что с таким зверем под рукой вы уж точно всегда и везде будете первым. Однако, через 30 минут вдруг оказывается, что счетчик кадров конкретно просел, а ноутбук стал горячим как печка. Несмотря на крутые характеристики, реальная чистая производительность на практике всегда оказывается хуже. Собственно, только что мы описали последствия классического троттлинга от перегрева.
Пожалуй, важность наличия правильной системы охлаждения в ноутбуке никто отрицать не станет. Постоянные читатели Notebookcheck в курсе, что в каждом обзоре мы по возможности делаем упор на тестирование системы охлаждения ноутбука (особенно если он игровой или представляет собой рабочую станцию) и время от времени пишем отдельные статьи о ситуации с нагревом/производительностью в современных ноутбуках. Недостаточно эффективная система охлаждения легко может привести к тому, что дорогой ноутбук окажется хуже в производительности, нежели более дешевый, но с нормальным охлаждением.
Понимание того, как устроено и насколько удачно реализовано охлаждение в ноутбуке при его покупке лучше всего поможет оценить его реальный потенциал в производительности. Условный запас по температуре у ноутбуков гораздо меньше, чем у настольных ПК, так что производителям приходится применять новаторские идеи, чтобы эффективно охлаждать такие мощные чипы, как Intel Core i9-9980HK и NVIDIA GeForce RTX 2080.
В данной статье мы рассмотрим процесс создания эффективной системы охлаждения: от выбора материалов и компонентов, до тестирования прототипов и инновационных методик, которые применяют производители в современных моделях. Интересно, каким образом MSI GT76 держит 5 ГГц по всем 8 ядрам? Давайте разбираться!
Разработка мощной системы охлаждения
Разработка хорошей системы охлаждения, способной эффективно отводить тепло от ключевых компонентов - процессора, видеокарты, дросселей питания, чипсета - задача вовсе не тривиальная. На свойства итоговой установки влияет множество факторов, включая количество тепла, которое каждый отдельный чип или компонент способен генерировать и в каком форм-факторе будет выполнена система.
По факту, это сложный исследовательский процесс, основные фазы которого мы и приводим ниже. Стоит, правда, отметить, что у каждого производителя могут быть свои наработки и методики, которые могут быть совсем нетипичными и о которых мы не можем говорить в рамках данной статьи. И тем не менее, основные узлы (радиаторы, теплотрубки, вентиляторы) присутствуют абсолютно у всех производителей.
Устраняем неровности
Давайте взглянем на внутренности MSI GP75 Leopard, приведенные на снимке справа. Данный ноутбук является достаточно производительным для обеспечения плавного игрового процесса в 1080p - здесь установлен процессор Intel Core i7-9750H и видеокарта NVIDIA GeForce GTX 1660 Ti. Как видно на снимке, целая уйма теплотрубок идут от процессорного блока и блока видеокарты к радиаторам с вентиляторами. Однако, если бы вы взглянули на внутренности вживую, то обнаружили бы, что теплотрубки не имеют прямого контакта с чипами, так как приварены к термоблокам. Блоки же, в свою очередь имеют специальные площадки, которыми прижимаются к чипам. Однако, вся штука в том, что между площадкой блока и чипом есть еще и термопаста. Выходит, что теплу приходится преодолеть такой путь: чип -> термопаста -> блок -> теплотрубка ->радиатор. Основная задача системы охлаждения в том, чтобы как можно быстрее отвести тепло от блока и рассеять через радиатор. Но почему именно этот момент особо важен?
Если не вдаваться в особые подробности, можно сказать, что у каждого чипа (будь то процессор, видеокарта или даже чипсет) есть определенный при разработке уровень тепловыделения, который обычно указывается как TDP. Между производителями чипов до сих пор нет согласия и общей стандартизированной методики замера TDP чипов, но в любом случае производители ноутбуков делают свои собственные расчеты для каждого отдельного корпуса. Теперь мы понимаем, что если система охлаждения не способна своевременно отводить тепло от чипа, повышение его температуры приведет к снижению рабочей частоты - это происходит автоматически, чтобы оборудование не повредилось из-за перегрева. Соответственно, производительность снижается. В качестве примера можно привести Apple MacBook Pro 2018 года выпуска в конфигурации с Core i9, который не мог даже в первые секунды теста выдать указанную производителем максимальную частоту. Все дело было в абсолютно неадекватной для такого процессора системе охлаждения.
Кроме того, проблема еще и в том, что при перегреве снижается даже эффективность каждого цикла (тика), из-за чего даже при достижении нужной частоты реальная производительность окажется сниженной. Возможность достижения более высоких частот при перегреве зачастую также ограничивается.
Соответственно, очень важно, чтобы тепло отводилось от процессора не только максимальной быстро, но и с максимальной эффективностью. Для изготовления термоблоков (в особенности контактных площадок) зачастую используется медь, так как у этого металла высокая теплопроводность. Тем не менее, контактная площадка термоблока у большинства систем охлаждения имеет относительно грубую поверхность, микроскопические неровности которой ухудшают тепловой контакт даже при использовании термопасты. Для обеспечения максимальной эффективности данного компонента в наиболее производительных ноутбуках, вроде MSI GT76, используются блоки с отшлифованными на ЧПУ-станке площадками. Такой подход позволяет обеспечить наилучший тепловой контакт с чипом и, соответственно, увеличивает скорость отвода тепла к теплотрубке.
Добавим "немного" теплотрубок
Теперь, когда тепло с максимальной эффективностью снято с процессора/видеокарты, его необходимо максимально быстро отвести подальше - для этого используются теплотрубки. Состоят они из испарителя и конденсатора и технически считаются двухфазными системами теплопередачи. Внутри теплотрубки находится жидкость (обычно вода) которая нагревается теплом, исходящим от термоблока и превращается в пар (испаритель), после чего тут же перемещается в более холодный противоположный участок трубки, где конденсируется (конденсатор). Пар превращается обратно в жидкость, которая посредством специального пористого материала, что проложен по центру теплотрубки, из-за капиллярного эффекта перемещается обратно к испарителю. Цикл повторяется, тепло переносится из одной части трубки к другой с большой скоростью.
Для лучшего понимания происходящего приведем в пример систему, изображенную на рисунке справа. Как видим, жидкость в трубке превращается в пар и переносится в область, где отдает тепло и осаждается обратно в жидкую форму. Та часть, которая подписана как “Испарение” в случае ноутбучной системы охлаждения прижата напрямую термоблоку процессора/видеокарты. Та часть, что подписана как “Отвод тепла” в нашем случае представляет собой радиатор с вентилятором, который рассеивает тепло продувая воздух.
Теплотрубки обычно производятся из меди или алюминия, а та самая пористая структура создается из сетчатого или волокнистого материала. Наиболее дорогими и эффективными теплотрубками являются те, где эта пористая структура состоит из запеченного при высокой температуре материала.
Помимо описанных особенностей, есть и другие факторы, влияющие на эффективность теплотрубок. Во-первых, важно их количество - чем больше трубок, тем лучше отводится тепло от термоблока. По сути, итоговое количество трубок зависит от номинального TDP, на который рассчитана проектируемая система охлаждения и размеров устройства, в которое она будет устанавливаться.
Длина и толщина (диаметр) теплотрубки напрямую влияют на объем пара, который она способна пропускать внутри. Чем больше диаметр трубки, тем больше общий объем пара, а вот длина не должна быть большой. Более короткие теплотрубки лучше справляются с отводом тепла, чем длинные, так как жидкость в них быстрее возвращается по “капиллярам” обратно в испаритель.
Еще один важный момент. У большинства ноутбуков теплотрубки общие для процессора и видеокарты. Такой подход позволяет сэкономить средства при производстве, но область трубок между процессором и видеокартой может быть холоднее, из-за чего возможна преждевременная конденсация вне другого конца, где находится радиатор. Из-за этого эффективность может снизится. По этой причине в мощных и топовых игровых ноутбуках, вроде MSI GT76, у процессора и видеокарты по сути отдельные системы охлаждения, с индивидуальными радиаторами и вентиляторами, не говоря уже о трубках.
Так как в ноутбуках недостаточно свободного места для цилиндрических теплотрубок, их делают сплюснутыми. Из-за этого процесс производства дополнительно усложняется, ведь при излишнем усилии или неравномерной формовке эффективность теплотрубок может снизиться. Слишком сильные изгибы для теплотрубок также вредны. Тем не менее, как показали исследования, пока радиус изгиба трубки не меньше трех ее диаметров, эффективность не снижается.
Оптимизируем воздушный поток
Успешный отвод тепла от процессора - это только половина дела, ведь полностью вывести тепло за пределы корпуса не менее сложно. Вот тут в работу вступает комбинация радиатора и вентилятора. По факту радиатор увеличивает площадь с которой рассеивается тепло (за счет большого количества ребер) переданное с теплотрубки, а вентилятор выбрасывает горячий воздух за пределы корпуса.
При выборе радиатора и вентилятора под конкретную систему мало просто выбрать наилучшие компоненты. Если говорить о вентиляторе, то нужен здоровый баланс между количеством лопастей, отступами между ними и размером самого вентилятора. Излишне большое количество лопастей в малом пространстве, например, ухудшит воздушный поток. Наоборот, если вентилятор большой, а лопастей мало, эффективность также будет низкой. Так как же рассчитывается оптимальная конструкция вентилятора?
Очевидно, что необходимо программное обеспечение для симуляции процессов. Большинство производителей ноутбуков использует ПО индустриального уровня, которое с большой точностью позволяет рассчитывать воздушный поток в каждом конкретном корпусе. Польза от подобных программных продуктов заключается в том, что можно заранее оценить эффективность вентиляторов различной конструкции, вместо того, чтобы просто влепить самый мощный (и шумный). Такое ПО учитывает множество факторов: где проходит воздушный поток внутри корпуса, точки его выхода и входа. Также оно позволяет рассчитать максимальный воздушный поток выбранного вентилятора и внутренний объем корпуса, суммарную площадь ребер радиатора и т.д. Кроме того, такое ПО способно предсказать уровень и распределение нагрева внутри корпуса при различной нагрузке. Именно так производители и создают наиболее эффективные системы охлаждения под каждую модель ноутбука.
Ниже на видео приведен процесс симуляции воздушного потока внутри корпуса, что поможет понять насколько тот удачен в плане нагрева. В данном случае мы видим, что горячий воздух частично забирается в расположенные рядом отверстия входа, из-за чего нагрев повышается.
После того как разработчики внесли в правую часть корпуса необходимые изменения, весь горячий воздух стал выбрасываться надлежащим образом, вследствие чего нагрев стал намного равномернее и ниже. Соответственно, с помощью такой симуляции производители могут вносить необходимые изменения в систему охлаждения/корпус ноутбука еще на стадии прототипирования. Кроме того, такое ПО позволяет обнаруживать такие проблемы, которые было бы невозможно выявить в физическом прототипе.
Теперь давайте попробуем представить как это все выглядит на конкретном примере все того же MSI GT76. Главная задумка, которую хотели реализовать разработчики данного ноутбука - это стабильная работа всех 8 ядер процессора Core i9-9900K на 5 ГГц. Как вы уже видели на снимках выше, система охлаждения GT76 содержит 11 теплотрубок, два термоблока с отполированными на ЧПУ-станке площадками, улучшенные радиаторы и вентиляторы с двойным выдувом. Радиаторы здесь расположились по всей задней стороне ноутбука, за счет чего тепло отводится по всей ширине, а не только в двух углах.
В MSI говорят, что ПО для симуляции процессов помогло им разработать такую систему охлаждения, которая более чем в два раза превышает возможности конкурирующих моделей (96 CFM против 42.6 CFM -> в метрической системе 2.72 м3/мин против 1.2 м3/мин). Чем больше суммарная площадь поверхности радиаторных ребер, тем лучше 9900K защищен от троттлинга. В данном случае, процессорный радиатор имеет площадь поверхности в 252.910 мм2, что в 2.3 раза больше, чем у GT75 Titan (110.045 мм2).
Когда GT76 был у нас на обзоре, мы обнаружили, что данная модель не страдает от троттлинга даже в 60-минутном комбинированном стресс-тесте (FurMark + Prime95), но температура компонентов при этом была выше нормы. Кроме того, мы обнаружили, что этот ноутбук абсолютно спокойно держит 4.7 ГГц в запущенном по кругу многопоточном тесте Cinebench R15.
Заключение
Как мы выяснили вместе с вами, разработка правильной системы охлаждения- такой, которая бы позволила раскрыть потенциал аппаратной начинки - это один из самых важных этапов создания любого ноутбука. Важны самые разные аспекты: начиная от симуляции воздушного потока внутри корпуса, до выбора правильных материалов при производстве системы охлаждения - все это сильно влияет на итоговую производительность системы, особенно в играх.
И хотя мы описали в основном “железную” подноготную охлаждения, нашего внимания не удостоились всяческие программные технологии, необходимые для правильной работы системы - чтобы правильно регулировать скорость вентилятора, необходимы точные данные о температуре, напряжении и т.д. В любом случае, мы поделились с вами знаниями о важнейшем аспекте, который покупатели часто упускают из виду при выборе ноутбука.
К началу школьного сезона компания MSI готовит множество новинок, при производстве которых пристальное внимание было уделено именно системе охлаждения.
Есть вопросы или предложения? Пишите в комментариях! Также, следите за обновлениями данной рубрики - совсем скоро мы будем разбирать как определяется качество дисплеев, разрабатывается дизайн тачпадов и рассчитываются акустические системы.
