آشنایی با انواع خنک‎ کننده ‎های پردازنده و مقایسه‎ی کارایی سیستم ‎های هوایی و آبی

مشکل بزرگ خنک‌کاری تراشه‌های کوچک و در عین حال قدرتمند است. این مشکل در مورد تراشه‌های وسایل همراه چندان با اهمیت نیست چرا که انرژی کمتری مصرف کرده و گرمای کمتری هم تولید می‌کنند. البته قدرت پردازشی چنین تراشه‌هایی در مقایسه با تراشه‌های قدرتمند PC کمتر است.

اما در مورد پردازنده‌های رده اول با تراشه‌ی کوچک روبرو هستیم که تراکم ترانزیستورها روی آن بسیار بالاست. فرکانس کاری و بالطبع ولتاژ کاری بالا منجر به تولید گرمای زیادی می‌شود. در این حالت برای انتقال حرارت و یا به عبارتی گرمای تولید شده توسط تراشه، سطح کوچکی در اختیار داریم که بازدهی سیستم خنک‌کاری را تحت‌الشعاع قرار می‌دهد. لذا سازندگان مختلف سعی در معرفی کردن سیستم‌های خنک‌کاری بهینه‌تر و کاراتر دارند.

خنک‌کننده‌ها در حالت کلی به دو دسته تقسیم می‌شوند. سیستم‌های خنک‌کاری هوایی یا Air Cooling و سیستم‌های خنک‌کاری آبی یا Water Cooling. البته افراد حرفه‌ای در مسابقات اورکلاک پردازنده از نیتروژن مایع و موادی مشابه آن استفاده می‌کنند تا تراشه را به شدت خنک کرده و رکوردشکنی کنند. اما بحث ما در این مقاله به خنک‌کننده‌های دائمی و نسبتاً ارزان بازار معطوف می‌شود و به مسابقات کاری نداریم.

روش کار به این صورت است که یک هیت‌سینک که ظاهری شبیه رادیاتور شوفاژ دارد روی تراشه قرار می‌گیرد. هیت‌سینک به معنی چاه حرارتی مسئولیت انتقال گرمای تولید شده توسط تراشه را بر عهده دارد، اما بدون جریان هوا، بازدهی آن پایین است. بنابراین به طور معمول 1 یا 2 فن روی آن تعبیه می‌شود و هوای داغ را به اطراف و در حالت بهینه‌‌تر به سمت خارج کیس هدایت می‌کند.

منظور از حالت معمولی و غیر بهینه این است که مثل تصویر فوق جریان هوای داغ به سمت قطعات روی مادربورد و رم است و موجب داغی این قطعات می‌شود.

اینتل و AMD به عنوان دو سازنده‌ی بزرگ پردازنده‌ی اصلی، فن و هیت‌سینک ساده‌ای برای تراشه‌های خود طراحی و عرضه می‌کنند که اصطلاحاً فن و هیت‌سینک Stock نام دارد. هیت‌سینک استاک کوچک و ساده است و در هر کیسی جا می‌شود. فن مستقیماً روی آن نشسته و هوای گرم را به اطراف پردازنده هدایت می‌کند و همان‌طور که گفته شد، موجب داغ شدن رم‌ها، رگولاتورها و سایر مدارات مادربورد می‌شود.

در کنار اینتل و ای‌ام‌دی سازندگان دیگری قرار می‌گیرند که همواره به فکر معرفی سیستم‌های خنک‌کاری حرفه‌ای‌تر و کاراتر هستند. این سازندگان یک هیت‌سینک عظیم‌الجثه طراحی می‌کنند که بخش کوچکی از آن با تراشه در تماس است و لوله‌های آلومینیومی یا مسی و گاهاً آلیاژهای خوب دیگر مسئولیت انتقال گرما به بخش پره‌پره مانند را عهده‌دار می‌شوند. به این لوله‌ها اصطلاحاً Heat Pipe یا لوله‌ی حرارتی گفته می‌شود که بعداً در مورد آن بیشتر بحث می‌کنیم.

در حالت کلی دو دسته هیت‌سینک غیراصلی توسط سازندگان تولید می‌شود. دسته‌ای از هیت‌سینک‌ها در حالت ایستاده قرار دارند و هوای داغ را مستقیماً به خارج از کیس هدایت می‌کنند. به ابعاد بزرگ این نوع هیست‌سینک‌ها در تصویر زیر توجه کنید:

برای پردازنده‌های دیگری که کمتر گرما تولید می‌کنند هم دسته‌ی دوم عرضه شده که نسبت به فن و هیت‌سینک استاک یا اصلی، کمی بهینه‌تر است. ابعاد این دسته کوچک‌تر و قیمتشان پایین‌تر است.

هیت پایپ‌های برای افزایش نرخ انتقال حرارت به کار می‌روند و در عین حال وزن کمی دارند. اگر مشکل وزن مطرح نبود شاید سازندگان به جای استفاده از لوله‌های حرارتی از قطعات توپری از جنس مس و مانند آن استفاده می‌کردند گرچه هزینه‌ی استفاده از این فلزات هم پایین نیست. اما لوله‌های حرارتی هم چندان ساده و معمولی نیستند. برخی گرد و برخی تخت هستند که کاربرد متفاوت دارند.

در لوله‌های حرارتی از دو روش برای انتقال گرما استفاده می‌شود. روش اول هدایت است و روش دیگر تغییر فاز ماده.

معمولاً درون لوله‌ی حرارتی یک مایع فرار قرار دارد که به راحتی گرما را جذب کرده و تبخیر می‌شود. بخار سریعاً به سمت بخش فین‌ها که به شکل پره طراحی شده است، حرکت می‌کند و در آن بخش که خنک‌تر است دوباره به مایع تبدیل می‌شود. همین عمل ساده، ضریب انتقال حرارت موثر را به شدت افزایش می‌دهد. توجه کنید که منظور از فین، بخش‌های پره‌ای یا سوزنی‌شکلی است که برای خنک‌کاری بهتر و جریان هوای بیشتر روی هیت‌سینک تعبیه می‌شود.

گونه‌ای که مقطع دایره شکل دارد، از نظر نسبت مقدار مواد مصرفی به حجم داخل بهینه‌تر است و کاربرد بیشتری دارد. اما در مواردی که فضا محدود باشد، ناچاراً از مقطع غیر دایروی استفاده می‌شود. به عنوان مثال در لپ‌تاپ‌ها از هیت پایپ‌های بیضی‌شکل استفاده می‌شود.

گونه‌ی دیگر لوله‌های حرارتی محفظه‌ی بخار یا لوله‌ی حرارتی تخت نام دارد. در این نوع از لوله‌های حرارتی مسطح، یک سطح با تراشه در تماس است و مایع با برخورد به آن سریعاً تبخیر می‌شود.

سطح دیگر نیز گرمای بخار را گرفته و آن را مجدداً به مایع تبدیل می‌کند. این روش هم بازده بسیار بالایی دارد و معمولاً در کارت گرافیک‌های پرمصرف و قدرتمند، از آن استفاده می‌شود.

به عنوان مثال GTX 580 یک تراشه‌ی پر‌مصرف و قدرتمند است که انویدیا از این روش برای خنک‌کاری آن بهره گرفت.

شاید این مورد را عملاً آزمایش کرده باشید و تفاوت چند درجه‌ای دمای کارکرد برایتان کاملاً آشنا باشد. با توجه به روش کار هیت‌پایپ منطقی است که شیب ملایم لپ‌تاپ به حرکت بهتر بخار کمک کند. بخار چگالی کمتری دارد و درست مثل هوای گرم، به سمت بالا حرکت می‌کند. لذا در مورد اکثر لپ‌تاپ‌ها بهتر است آن را در حالت کمی شیب‌دار قرار دهیم تا حرکت بخار راحت‌تر باشد و پردازنده و کارت گرافیک و احتمالاً سایر قطعات بهتر خنک شوند.

توجه کنید شیب برعکس یعنی حالتی که صفحه نمایش لپ‌تاپ پایین‌تر قرار داشته باشد، مطلوب نیست و بازدهی سیستم خنک‌کاری آن را کمتر می‌کند.

در سیستم خنک‌کاری آبی یا جذب‌کننده‌ی حرارت روی تراشه قرار می‌گیرد و توسط لوله‌هایی به یک رادیاتور متصل می‌شود. روش کار مشابه هیت پایپ است بدین صورت که آب یا مایع درون لوله، روی تراشه داغ می‌شود و در رادیاتور خنک می‌گردد.

برای مقایسه‌ی دو سیستم خنک‌کاری که در مورد آن بحث شد، یک پردازنده‌ی پرمصرف انتخاب می‌شود. معمولاً وب‌سایت‌های تخصصی بررسی سخت‌افزار دمای محیط، دمای پردازنده در طول تست، مقدار صدا در فواصل مشخص بر حسب دسی‌بل و برخی پارامترهای دیگر را مورد بررسی قرار می‌دهند و نتایج را به صورت بنچ‌مارک سیستم‌های خنک‌کاری منتشر می‌کنند.

برای مقایسه‌ی اجمالی دو سیستم خنک‌کاری، یک پردازنده‌ی 6 هسته‌ای سری اکستریم اینتل انتخاب می‌شود که مدل دقیق آن Core i7-4960X است. بنچ‌مارک Prime95 هم روی سیستم اجرا شده و تمام 6 هسته را به طور کامل مورد استفاده قرار می‌دهد. این پردازنده در حالت 3.3 گیگاهرتزی به صورت عادی آزموده می‌شود و در مرحله‌ی بعد، تا 4.3 گیگاهرتز اورکلاک می‌گردد تا به شدت داغ شود و کارایی نهایی سیستم خنک‌کاری را نمایان کند.

نرم‌افزار Everest Ultimate Edition مسئولیت قرائت دمای پردازنده را بر عهده می‌گیرد. مادربورد و باقی قطعات سخت‌افزار یکسان هستند و البته در تمام آزمون‌ها مادربورد در حالت بهینه قرار دارد. منظور از حالت بهینه این است که در مورد هیت‌سینک‌های دارای هیت‌پایپ، جهت مادربورد به گونه‌ای است که هیت‌پایپ در حالت عمودی قرار بگیرد. طبیعی است که در این حالت جریان بخار درون لوله‌های حرارتی بهتر از حالت ایستاده است.

به طور خلاصه سخت‌افزار و سیستم عامل زیر برای آزمون انتخاب شده است:

• Cooler Master HAF XB
• Intel Core i7-4960X (3.6GHz)
• Asrock X79 Extreme11
• 16GB DDR3 RAM
• GeForce GTX 780 Ti
• Samsung SSD 840 Pro 512GB
• OCZ Mk III Silencer 750w
• Windows 8.1 64-bit

در نهایت قابل ذکر است که قابلیت‌های بهینه‌سازی مصرف انرژی و سایر مواردی که ممکن است روی نتایج اثر بگذارند، نافعال شده‌اند. از جمله موارد یاد شده می‌توان به حالات توانی C3 و C6، توقف بهینه شده‌ی پردازنده یا C1E، نظارت دمایی پردازنده، توربو بوست و EIST اشاره کرد.

اولین مورد سیستم خنک‌کاری آبی Tundra TD02 all-in-one Liquid cooler نام دارد که محصول Silverstone است. طول این کولر 278 میلی‌متر است و دو فن دارد. ضخامت آن نیز 70 میلی‌متر است که 25 میلی‌متر آن به دو فن بزرگ اختصاص دارد. شاید این ابعاد بزرگ در بستن سیستم خنک‌کاری مشکل ایجاد کند، بنابراین هنگام خرید این کولینگ حرفه‌ای و همچنین هر کولینگ دیگری، به فضای کیس خود توجه کنید.

این کولر هم مثل بسیاری از کولینگ‌های خوب بازار، روی مادربوردها و پردازنده‌های مختلف اینتل قابل استفاده است. قیمت این کولینگ 120 دلار است که نسبت به رقبا بسیار گران به نظر می‌رسد.

دومین سیستم خنک‌کاری آبی Hydro H75 Liquid CPU Cooler محصولی از Corsair است. کُورسیر با عرضه‌ی کولینگ‌های حرفه‌ای بین متخصصین و علاقه‌مندان سخت‌افزار، طرفداران زیادی دارد. Hydro 75 هم یکی دیگر از کولینگ‌های آبی این کمپانی است که نسبتاً کوچک طراحی شده و قیمت مناسبی دارد. در حقیقت با پرداخت 85 دلار می‌توان یک سیستم خنک‌کاری آبی برای کیس‌های کوچک و فضاهای کم تهیه کرد که بازدهی نسبتاً بالایی دارد و کم‌ سروصداست.

در این مدل هم مثل بسیاری مدل‌های دیگر از مس در ساخت بخش روی تراشه استفاده شده تا گرما به شکل بهتری منتقل شود. معمولاً سایر بخش‌ها از آلومینیوم که یک هادی خوب و سبک است، ساخته می‌شود. حجم هوادهی دو فن 120 میلی‌متری رادیاتور، در حالتی که با سرعت 2000 دور بر دقیقه دوران می‌کنند، 54 فوت مکعب بر دقیقه است.

خنک‌کننده‌ی هوایی NH-U14S که جانشین مدل NH-D14 شده، یکی از بهترین سیستم‌های خنک‌کاری هوایی است که توسط Nocuta ساخته شده است. این کولینگ حرفه‌ای از نظر صدا هم بسیار عالی است و تنها 44 دسی‌بل صدا تولید می‌کند. قیمت آن نیز نسبت به رقبای آبی خود کمتر است و تنها 75 دلار هزینه دارد.

تصویر زیر دمای کاری پردازنده در حالت بی‌کار و در حالت بار پردازشی سنگین را نمایش می‌دهد:

عملکرد کولینگ هوایی NH-U14S مثل همیشه بسیار عالی است و پردازنده‌ی قدرتمند و پرمصرف اینتل را در دمایی زیر 46 درجه سانتیگراد نگه می‌دارد. البته توجه کنید که دمای محیط در تمام تست‌ها 21 درجه سانتیگراد است.

صدای تولید شده هم نشان از برتری کولینگ‌های آبی دارد:

اما به هر حال دو سیستم کولینگ آبی رکورد کولینگ هوایی را شکسته‌اند. بنابراین پردازنده را اورکلاک می‌کنیم که توان خنک‌کاری این سه کولر به شکل بهتری مشخص شود:

جالب است که با اورکلاک پردازنده 6 هسته‌ای تا 4.3 گیگاهرتز، باز هم دما زیر 53 درجه‌ی سانتیگراد باقی می‌ماند. در این آزمون کولینگ 120 دلاری، با برخورداری از رادیاتور بزرگ خود، بهترین رکورد را ثبت کرده است.

در تست‌های انجام شده توسط وب‌سایت‌های مختلف، برتری سیستم‌های خنک‌کاری آبی اثبات شده است ولیکن بسته به بودجه و پردازنده‌ای که انتخاب می‌کنیم، باید مدلی که مناسب کار ما باشد را انتخاب کنیم.

برای یک پردازنده‌ی 2 هسته‌ای اینتل، استفاده از فن اصلی کافی است. برای یک پردازنده‌ی 4 هسته‌ای که اورکلاک نشده و سرعت کلاک نسبتاً بالایی دارد، نهایتاً یک فن و هیت‌سینک 60 هزار تومانی مناسب‌تر است و برای یک پردازنده‌ی 4 یا 6 هسته‌ای اینتل که اورکلاک شده و سرعت بالایی دارد، استفاده از کولینگ هوایی توصیه می‌شود. در نهایت اگر به فکر اورکلاک کردن شدید پردازنده هستید، یک کولینگ آبی مناسب‌ترین گزینه است.

توجه کنید که پردازنده‌های AMD، سرعت کلاک بالاتری دارند و به دلایل مختلف بیشتر اورکلاک می‌شوند. در مورد این تراشه‌ها، سطح خنک‌کاری بیشتر است و علی‌رغم مصرف بالاتر و تولید گرمای بیشتر، خنک‌کاری آن ساده‌تر است. به عنوان مثال برای اورکلاک کردن یک پردازنده‌ی 8 هسته‌ای تا 5 گیگاهرتز، استفاده از خنک‌کاری هوایی هم جوابگوی نیاز سخت‌افزار است. در حالی که اگر بخواهیم Core i7 4770K را تا 4.8 گیگاهرتز اورکلاک کنیم، دمای تراشه به شدت بالا می‌رود و ناپایداری قابل توجهی رخ می‌دهد. در این حالت یک سیستم خنک‌کاری عالی نیاز است.

وزن: وزن بیشتر نشان از طراحی هیت‌سینک بزرگ‌تر دارد که معمولاً به معنای خنک‌کاری بهتر است. کولینگ‌های هوایی معمولاً وزنی بین 500 تا 1000 گرم دارند.

حجم هوادهی: حجم هوادهی را بر حسب فوت مکعب بر دقیقه یا CFM بیان می‌کنند. کولینگ‌های خوب حجم هوادهی بین 50 تا 100 فوت مکعب بر دقیقه دارند. برخی مدل‌ها را می‌توان به 2 یا 3 فن تجهیز کرد که بازدهی به سادگی افزایش می‌یابد.

شکل پره‌ها، تعداد هیت‌پایپ‌ها: شکل پره‌ها هم در جریان بهتر هوا موثر است. هر چه تعداد هیت‌پایپ‌ها بیشتر باشد هم خنک‌کاری بهتر و بهینه‌تر صورت می‌گیرد.

ابعاد را چک کنید: برخی از کولینگ‌های رده اول بسیار بزرگ هستند به طوری که در تمام کیس‌ها جا نمی‌شوند. معمولاً روی بسته‌بندی کولینگ‌ها، ابعاد مونتاژی به تصویر کشیده می‌شود. بنابراین به بسته‌بندی توجه کنید و آن را با فضای روی مادربورد تا دیواره‌ی کیس، مقایسه نمائید. ارتفاع بیش از 15 سانتی‌متر در بستن کولینگ مشکل‌ساز است، لذا در خرید کولینگ‌هایی با ارتفاع بیش از 15 سانتی‌متر بیشتر دقت کنید.

کولینگ و سوکت مادربورد: هر کولینگ به همراهی تعداد بست و پیچ اضافی برای اتصال روی مادربوردهایی با سوکت‌های مختلف، عرضه می‌شود. به بسته‌بندی کولینگ توجه کنید که با مادربورد و پردازنده‌ی روی آن هماهنگ باشد.

اتصالات محکم: وزن بالای کولینگ توسط مادربورد تحمل می‌شود. بنابراین اتصالات را به خوبی محکم کنید و حتی در صورت نیاز، هیت‌سینک را به گونه‌ای به کیس متصل کنید که تمام وزن آن توسط مادربورد تحمل نشود.