Chlazení moderních počítačů

Chlazení moderních počítačů – OBSAH

1. Počítač jako jeden velký rezistor
2. Musíme se tepla zbavit. Ale jak?
3. Chlazení jako chlazení, aneb vedení tepla od zdroje do chladiče

Počítač jako jeden velký rezistor

Jak jsme si vysvětlili v předchozích dílech naší série, v počítačích vzniká při provozu teplo – a to se nedá úplně odstranit. Hodně pomáhají nové technologie, kdy procesory dokážou analyzovat svou vlastní zátěž, snižovat hodinový kmitočet u nepoužívaných částí čipu a také snižovat jejich napájení, což zamezuje „běhu naprázdno“ a čisté proměně elektrické energie na teplo.

V okamžiku, kdy začnete počítač využívat, se ale neobejdeme bez proměny energie na teplo. Samotná proměna elektrické energie na práci s bity navíc není jediná věc, která spotřebovává energii. Aktivní laptop spotřebovává energii zhruba v tomto poměru: Pětina je procesor (CPU, SoC), pětina je obrazovka (OLED nebo podsvícení displeje), pětina připadá bezdrátové komunikaci (WiFi, Bluetooth) a další dvě pětiny připadají na zbytek systému (napájení, základní deska, chlazení, tepelné ztráty). Veškerá tato aktivita má omezenou účinnost – a energie, která se nepromění na účinnou práci v podobě přenášených dat anebo světla vysvíceného v podsvícení obrazovky, se promění na teplo.

Teplo je problém, protože existuje teplotní závislost mezi vodivostí polovodičů a teplotou. Obecně se odpor polovodičů s teplotou snižuje, což vysvětluje, proč nakonec přehřáté čipy selžou, jejich odpor prudce poklesne – a protože propouštějí více stále proudu, nakonec shoří. V roce 2001 server Toms Hardware publikoval video, které ukazovalo, co se stane s procesorem AMD Athlon, pokud nebude mít chlazení: Procesor během několika desítek sekund bez aktivního chlazení shořel. To byl okamžik, který vyzvedl technologii zvanou thermal throttling, kdy čip obsahuje zabudované měření teploty – a pokud dosáhne kritickou mez, začne snižovat svůj takt, aby se ochladil.

Technologie thermal throttling se nezaměřuje na zvýšení efektivity počítačů, je to spíš něco jako záchranná brzda v případě, že selhává a nebo nedostačuje chlazení – čistě proto, aby nedošlo k poškození čipu a okolní elektroniky. Vyhoření procesoru anebo grafického procesoru by totiž zničilo nejen samotný čip, ale také vše v okolí, což by znamenalo, že podobné selhání by znehodnotilo celý počítač.

Musíme se tepla zbavit. Ale jak?

V současnosti se používají hlavně tři typy chlazení: pasivní, vzduchové a vodní. Pasivní a vzduchové představují dvě formy téhož, kdy čip má kontakt na teplovodný prvek, který má za úkol odvádět teplo pryč. Typicky jde o měď, jejíž tepelná vodivost je téměř na úrovni stříbra nebo zlata, ale je mnohem levnější, dokáže teplo odvádět rychle a efektivně. Přečerpáním tepla z pouzdra čipu to ale nekončí, musíme ho dostat z počítače pryč!

Klasické vzduchové chlazení využívá teplovody, což jsou někdy měděné trubice (heatpipes), v některých případech duté a vyplněné kapalinou s nízkým bodem varu. Při vhodné konstrukci dochází k tomu, že se nad procesorem kapalina vaří, mění se v páru (dochází k fázové přeměně) – a to je mnohem efektivnější výměna tepla než při běžném vedení materiálem. Pára se dostává k části chladiče, kde jsou lišty, je to tak zvaný výparník, přes který obvykle ventilátory foukají vzduch, to je místo, kde je chladící systém nejstudenější. Zde se pára kondenzuje, mění se v kapalinu – a tím uvolňuje teplo, které přechází do chladících lišt – a odtamtud ho odfukuje vzduch.

Pasivní systém chlazení funguje prakticky stejně, jenom s tím rozdílem, že teplo, které se vyměňuje, je tak zanedbatelné, že není třeba startovat ventilátory, ty mohou jet buď na úplném minimu svých otáček, nebo kompletně stát.

Chlazení jako chlazení, aneb vedení tepla od zdroje do chladiče

Vodní chlazení je vlastně vzduchové chlazení, které přidává do systému ještě kapalinu, která odvádí teplo. Existují dvě formy vodního chlazení, to vzácnější zahrnuje fázovou změnu, kdy se chladí čipy tak horké, že se voda nebo jiné kapalné chladící médium proměňuje v páru, ale ve většině případů stačí jenom vodu protlačit bludištěm výměníku nad procesorem, horkou vodu odvést do tělesa chladiče, který opět obsahuje mnoho chladících lišt a také větráky, které dokážou teplo z kapaliny, které se promění v teplo lišt vytlačit z počítače ven, tím vodu ochladit a poslat ji zpět k horkým komponentám.

Tyto metody chlazení se vlastně moc neliší od klasického chlazení motorů u automobilů, kde se také používalo vzduchové chlazení, nebo chladící kapalina. Podobně jako u nich je hlavním úkolem odvést přebytečné teplo, které už nevykonává žádnou užitečnou práci – a jenom ohrožuje samotný stroj.

Bez dobrého chlazení by dnešní počítače jednoduše nemohly fungovat spolehlivě. I když se výrobci procesorů a dalších součástek snaží snižovat spotřebu energie a zvyšovat efektivitu, teplo se bude generovat pořád. Proto je tak důležité mít účinný systém chlazení – ať už pasivní, vzduchový nebo vodní. Každý z těchto způsobů má své výhody a je na uživateli, aby si vybral ten správný podle potřeb svého počítače.

Michal Rybka

Michal Rybka je publicista a nadšenec s 20 lety zkušeností v IT a gamingu. Je kurátorem AlzaMuzea a YouTube kanálu AlzaTech. Napsal několik fantasy a sci-fi povídek, které vyšly v knižní podobě, a pravidelně pokrývá páteční obsah na internetovém magazínu PCTuning.