Охлаждение видеокарты с помощью паровой камеры, нисходящей тяги и воздуходувки — объяснение

За последние несколько лет мы наблюдали экспоненциальный рост производительности видеокарт как в игровых, так и в профессиональных приложениях. Благодаря усовершенствованию архитектуры и внутренних компонентов, видеокарты стали быстрее, чем когда-либо, и способны справляться даже с самыми сложными задачами, которые можно поставить перед ними с помощью современных технологий. Все эти усовершенствования позволили современным видеокартам справляться с чрезвычайно требовательными задачами, такими как игры в 8K и 4K с высокой частотой обновления.

Однако эти улучшения не обошлись без недостатков. Одним из основных является экспоненциальное увеличение потребляемой мощности, которое мы наблюдали в течение последних нескольких лет. Потребляемая мощность игровых видеокарт медленно, но неуклонно росла в течение последнего десятилетия, что привело к появлению современных видеокарт с показателем TDP более 300 Вт (совсем не соответствует рекламируемым рейтингам TBP). На самом деле, среднее энергопотребление видеокарт за последнее десятилетие показывает интересную закономерность. В начале десятилетия энергопотребление видеокарт было высоким из-за неэффективной архитектуры, но затем большинство видеокарт стали работать гораздо эффективнее. В настоящее время мы наблюдаем очередной рост средней потребляемой мощности видеокарт.

Конечно, современные карты намного эффективнее, чем пять лет назад, но они по-прежнему требуют от стены в среднем больше энергии, чем старые карты. Вся эта мощность, идущая на ядро, конечно, увеличивает производительность карты, но она также увеличивает рабочую температуру GPU, что, безусловно, необходимо контролировать. За последние несколько лет для борьбы с этой проблемой нам пришлось устанавливать на видеокарты все более и более крупные кулеры.

Улучшения в охлаждении

С увеличением потребляемой мощности и, соответственно, увеличением тепловыделения, производителям видеокарт пришлось импровизировать, чтобы решить эту проблему. Ушли в прошлое маленькие, изящные видеокарты, которые могли пассивно охлаждаться с помощью одного маленького радиатора. В прошлом даже высококлассные видеокарты имели один вентилятор над небольшим радиатором, и этого было достаточно для эффективного отвода тепла от карты. В настоящее время невозможно даже представить себе видеокарту среднего или достаточно высокого класса, охлаждаемую с помощью конфигурации с одним вентилятором.

Современные видеокарты имеют массивные 3-слотовые радиаторы с огромными кожухами вентиляторов, в которых чаще всего размещаются 3 вентилятора. Хотя модели с двумя вентиляторами также довольно распространены на рынке, они с трудом удерживают температуру в узде для любой карты, которая достаточно требовательна к питанию. Большинство высококлассных вариантов современных видеокарт также имеют семь или восемь никелированных медных тепловых трубок, которые отводят тепло от теплогенерирующих компонентов и равномерно распределяют его по радиатору. Технологии вентиляторов также прошли долгий путь: современные вентиляторы оснащены множеством датчиков, которые изменяют их поведение в зависимости от температуры GPU.

Поэтому довольно интересно сравнить решения охлаждения, использовавшиеся в видеокартах прошлого, с теми, которые используются сегодня.

Различные методы охлаждения

В целом, существует 3 основных метода охлаждения, используемых в современных видеокартах: охлаждение с помощью вентилятора, охлаждение открытым воздухом и охлаждение в паровой камере. Ниже приведены плюсы и минусы каждого из них.

Кулер с вентилятором

Кулер с вентилятором — это самый простой и самый «голый» способ охлаждения, который используется в современных видеокартах. Это также самый дешевый в производстве кулер, и поэтому он обеспечивает наихудшие тепловые характеристики из всех различных методов охлаждения видеокарты. Долгое время Nvidia и AMD использовали в своих видеокартах эталонного дизайна кулеры с вентилятором, однако в последнем поколении видеокарт оба производителя отказались от кулеров с вентилятором в пользу более эффективных кулеров с нисходящим потоком воздуха. Предположительно, срок службы кулеров с вентилятором подошел к концу, хотя некоторые образцы все еще производятся для использования в готовых системах и системах SI.

Видеокарты с вентилятором расширяют пластиковый кожух по всему периметру радиатора и не оставляют зазоров между печатной платой и кожухом по бокам, а также сверху и снизу карты. Единственный путь для воздуха — прямо через печатную плату к задней части видеокарты, где есть стратегически расположенные вентиляционные отверстия на кронштейне ввода/вывода. Один небольшой вентилятор засасывает окружающий воздух и с высокой скоростью прогоняет его через карту, который выводится прямо из задней части карты. Воздух проходит над встроенным радиатором и компонентами печатной платы, проходя через карту, тем самым охлаждая компоненты, с которыми он соприкасается.

Основным преимуществом охлаждения с вентилятором является то, что оно довольно дешево в производстве и поэтому используется во многих вариантах видеокарт начального уровня, включая большинство эталонных дизайнов, которые AMD и Nvidia выпускали в течение многих лет. Еще одним преимуществом кулеров с вентилятором является то, что они отводят все тепло непосредственно из корпуса, а не выпускают его внутрь корпуса, тем самым нагревая другие компоненты, например, процессор. Это может быть особенно полезно в корпусах малого форм-фактора и ПК с неправильно настроенными системами воздушного потока.

Недостатки кулеров на выдув, однако, несколько. Кулеры нагнетательного типа работают громко и горячо, и они довольно неэффективны в своей работе. В среднем, при тестировании в одинаковых условиях вариант видеокарты с вентилятором будет давать гораздо более высокую температуру, чем аналогичные варианты с нисходящим потоком воздуха. Чтобы компенсировать недостаток мощности охлаждения, вентиляторы нагнетателей должны работать на очень высоких скоростях. Это приводит к невероятно высокому уровню шума, который заядлые энтузиасты ПК определяют как «реактивный двигатель, готовящийся к взлету». С уверенностью можно сказать, что вы не купите карту с вентилятором, если хотите играть незаметно.

Кулер с открытой вентиляцией

Нисходящий или «открытый» стиль охлаждения, безусловно, является самым распространенным и наиболее часто используемым решением охлаждения в современных видеокартах. Кулеры с нисходящей вентиляцией обычно обеспечивают лучшую тепловую и акустическую производительность, чем карты с вентилятором, но есть некоторые моменты, которые необходимо учитывать при использовании кулера с открытым воздухом.

Кулеры с нисходящей тягой или открытым воздухом используют свои вентиляторы для забора воздуха изнутри корпуса ПК и затем прогоняют его прямо вниз через большой металлический радиатор, чтобы рассеять тепло от компонентов. Кулеры открытого типа называются так из-за относительно открытого кожуха вентилятора, который открыт с боков и сзади, позволяя воздуху свободно проходить от карты к внутреннему пространству корпуса, а также к внешнему пространству корпуса через вентиляционные отверстия. Основная концепция нисходящих кулеров такая же, как и у кулеров с вентиляторами: Воздух всасывается вентиляторами и нагнетается на радиатор, который соприкасается с компонентами, выделяющими тепло. Эффективность, с которой открытые или нисходящие кулеры выполняют эту задачу, часто намного выше, чем аналогичные кулеры с вентилятором.

Самым большим преимуществом открытого дизайна является его улучшенная производительность по сравнению с картами с вентиляторами на вдув. Эти кулеры нагнетают большой объем воздуха над своими радиаторами и поэтому максимально эффективно отводят тепло от внутренних компонентов карты. Кроме того, сам радиатор часто имеет гораздо больший размер из-за 2.7- или даже 3-слотовая конфигурация, которой оснащаются современные карты. Варианты видеокарт среднего ценового диапазона часто оснащаются двумя вентиляторами, а премиум-варианты почти всегда имеют три вентилятора, чтобы облегчить отвод тепла. Кроме того, вентиляторы с нисходящим потоком воздуха намного тише и надежнее, чем вентиляторы с вдувом.

У этой конструкции есть и несколько недостатков. Во-первых, многие кулеры с открытым воздушным потоком стоят дороже, чем базовые варианты с вентилятором, если речь идет о конкретной линейке видеокарт. Еще одна существенная проблема такой конструкции заключается в том, что весь горячий воздух от GPU выбрасывается прямо в корпус, что может привести к повышению температуры других компонентов. Поэтому рекомендуется обеспечить отличный воздушный поток внутри корпуса с правильно настроенными вентиляторами, если вы хотите использовать кулер с нисходящим потоком. Лучше избегать использования этих кулеров в корпусах малого форм-фактора или относительно компактных корпусах. Если вы хотите получить некоторые рекомендации по лучшие корпуса с высоким потоком воздуха в 2021 году, Вы можете приобрести их прямо здесь.

Охладитель с паровой камерой

Кулеры с паровой камерой гораздо реже встречаются в современных видеокартах из-за их относительной сложности, но все равно являются интересным решением для охлаждения. Паровая камера — это тонкая, относительно плоская пластина, которая используется для распределения тепла по широкой поверхности. Обычно стек ребер наносится непосредственно на поверхность паровой камеры для увеличения площади поверхности и улучшения теплоотвода. Сама паровая камера представляет собой полую медную пластину с вакуумным уплотнением. Паровая камера находится в непосредственном контакте с источником тепла, таким как GPU, который в данной конфигурации называется испарителем.

Когда испаритель нагревается, жидкость в фитиле испаряется в газ. Горячий газ расширяется, заполняя внутреннюю часть камеры, и достигает поверхности охладителя. При контакте с охлаждающей поверхностью газ снова конденсируется, поэтому охлаждающая поверхность называется конденсатором. Конденсированная жидкость затем возвращается в испаритель через фитиль для продолжения цикла.

Хотя такие металлы, как медь и алюминий, хорошо проводят тепло, они часто не являются самым эффективным методом для этого. Фазовый переход — это переход от одной формы материи к другой, например, от жидкости к газу и наоборот, а тип охлаждения, использующий эту технику, известен как фазообменное охлаждение. Паровые камеры могут передавать большое количество тепловой энергии, проходя через фазовый переход.

В качестве альтернативы можно было бы просто использовать цельный медный блок для выполнения аналогичной задачи, но такая конструкция будет намного тяжелее и дороже в производстве, чем полая паровая камера. Кроме того, он будет работать медленнее, чем паровая камера. Снижение скорости теплопередачи также повлияет на производительность графического процессора, поскольку он будет сохранять больше тепла. Тепловые трубки являются другой альтернативой охлаждению с помощью паровой камеры, и они широко используются в кулерах типа downdraft open-air, о которых говорилось выше.

Какой кулер выбрать?

Хотя у всех трех кулеров есть свои плюсы и минусы, выбор очевиден, когда речь идет о современных решениях для охлаждения видеокарт. Большинству обычных потребителей лучше приобрести приличный кулер с нисходящей вентиляцией открытого типа, поскольку он обеспечивает наилучшую тепловую производительность и при этом относительно доступен по цене. Различные партнеры AIB выпускают несколько различных моделей для одного GPU, и даже Nvidia и AMD отказались от кулеров с вентилятором в пользу гораздо более эффективных кулеров с открытым воздухом для последнего поколения видеокарт.

Паровые камеры — интересное и уникальное применение, однако их фактическое использование в современных решениях для охлаждения видеокарт в настоящее время довольно редко. Они использовались в эталонных видеокартах AMD довольно долгое время в сочетании с кулером с вентилятором, но так и не стали основным решением для охлаждения. Кулеры с обдувом также подходят к концу, поскольку все больше партнеров AIB выпускают доступные варианты видеокарт с открытым воздухом с отличными охлаждающими и акустическими характеристиками по доступной цене.

Однако есть одна область, где охладители типа воздуходувки все еще преобладают. Крупные системные интеграторы или SI, такие как Dell, HP и Lenovo, используют этот тип охлаждения для своих видеокарт, поскольку это относительно дешевое устройство, которое можно приобрести, и оно отводит все тепло непосредственно за пределы корпуса, поэтому внутренняя часть корпуса не нагревается постепенно при использовании видеокарты. Покупатели готовых корпусов часто не слишком заботятся о температуре и акустике своей видеокарты, поэтому это приложение идеально подходит для экосистемы готовых корпусов. Что касается сборщиков ПК DIY в 2021 году, то им следует придерживаться кулеров открытого типа, поскольку они имеют множество преимуществ и с каждым днем становятся все дешевле и лучше.