по дисциплине «технологии информационных автоматических систем» (стр. 1 из 4)
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО СВЯЗИ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Московский технический университет связи и информатики
Кафедра: Автоматизация, информационные технологии и сертификация в связи
Реферат
по дисциплине
«ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННЫХ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ»
Выполнил: студент 451 группы Слабоспицкий В.А
Проверил:
Москва 2006
1. Системы охлаждения процессоров персональных компьютеров
На сегодняшний день применение технологии такими фирмами как
AMD и Intel позволило производителям удержать тепловыделение процессоров на уровне 130 Вт. Эта цифра вплотную подошла к условно принятой (Intel) допустимой границе, что, в свою очередь, способствовало применению динамических режимов энергопотребления в центральных и графических процессорах(ЦП и ГП). В режиме простоя процессор отключает неиспользуемые блоки, снижает свою тактовую частоту, тем самым, снижая потребление и выделяемую тепловую мощность. Подобная функция присутствует и в графических процессорах, которые могут отключать блоки обработки 3D графики и динамически снижать тактовые частоты ядра и графической памяти при работе с двухмерной графикой.
Подобные меры призваны снизить среднее потребление электроэнергии ПК, а также понизить средний уровень выделяемой тепловой мощности ЦП и ГП. Однако, при полной вычислительной нагрузке ЦП или ГП выдадут максимальную тепловую мощность, а такие нагрузки, зачастую бывают продолжительными по времени. Здесь без производительной системы охлаждения уже не обойтись.
Какими показателями качества должна характеризоваться современная система охлаждения ЦП и ГП? Прежде всего, производительностью, т.е. способностью рассеивать определенную тепловую мощность от кристалла процессора. Кроме производительности не менее важен уровень акустического шума, возникающего при работе системы охлаждения. Для персональных компьютеров его величина ограничена 50 дБа, а для рабочих станций и серверов - 70 дБа. Чем «тише» система охлаждения, тем комфортнее работа человека за компьютером.
Приведем краткий обзор принципов действия некоторых серийно выпускаемых систем охлаждения компонентов электронных устройств:
- аэрогенные системы охлаждения (пассивное воздушное охлаждение);
- аэрогенные системы охлаждения (активное воздушное охлаждение);
- элементы Пельтье (тепловой насос);
- жидкостное охлаждение;
- криогенное охлаждение (системы с фазовым переходом);
- тепловые трубки.
1.1 Пассивные и активные аэрогенные системы охлаждения.
Это наиболее распространенный способ охлаждения ЦП и ГП. Пассивные теплообменные конструкции – радиаторы, предназначены для увеличения площади теплоотдачи в окружающую среду, благодаря «развитости» поверхности радиатора, вследствие чего улучшается теплообмен между ядром процессора и окружающей средой. Принцип действия пассивного радиатора описывается конвективным теплообменом, использующим естественное движение газа, возникающее вследствие различных плотностей горячего и холодного воздуха. Этот процесс описывается законом Ньютона и существенно зависит от давления окружающей атмосферы и направления поверхностей (верхняя, боковая или нижняя) стенок радиатора.
Одной из модельных характеристик пассивного воздушного охлаждения является термическое сопротивление – величина, позволяющая оценить эффективность системы охлаждения.
Термическое сопротивление в системе «ядро процессора–окружающий воздух» (RCA) выражается простым соотношением:
, где (1) 
– термическое сопротивление системы «процессор–окружающий воздух»; 
– температура поверхности теплораспределителя процессора; 
– температура окружающего воздуха; 
– тепловая мощность, выделяемая ядром процессора;В реальной ситуации термическое сопротивление RCA складывается из двух
термических сопротивлений:
, где (2) 
– термическое сопротивление теплопроводящей пасты, обусловленное её теплопроводностью, толщиной промежутка «кристалл – радиатор» и площадью их соприкосновения; 
– термическое сопротивление системы «радиатор–окружающий воздух»; 
Рис. 1. Схема пассивной системы охлаждения с радиатором
Чем ниже результирующее тепловое сопротивление, тем выше эффективность отвода тепла радиатором от ядра процессора. На практике термическое сопротивление конвективной составляющей RCA во многом зависит от площади оребренной поверхности радиатора, скорости потока воздуха, технологии изготовления и материалов, применяемых для изготовления радиатора.
Для интенсификации конвективного теплообмена применяют искусственное охлаждение, конструктивно реализуемое в виде системы «радиатор-вентилятор – окружающее пространство». Главным компонентом таких систем активного воздушного охлаждения является вентилятор. На практике применяются осевые (аксиальные) вентиляторы, формирующие воздушный поток в направлении, параллельном оси вращения крыльчатки, а также вентиляторы турбинного типа (бловеры), которые формируют боковой воздушный поток.
1.2 Элементы Пельтье
В первой половине 19-го века французским ученым Пельтье был открыт эффект заключающийся в том, что напряжение, поданное на два противоположных друг другу по проводимости материала вызывает разницу температур. В зоне поглощения тепла (охлаждаемый объект) электроны переходят в более высокое энергетическое состояние, поглощая тепловую энергию. Перетекая в зону с низким энергетическим состоянием, электроны отдают тепло (радиатор). Типовой термоэлектрический модуль, таким образом, состоит из нескольких десятков (сотен), так называемых термопар, образованных полупроводниками различной проводимости p и n.
Рис. 2. Схема системы охлаждения на основе эффекта Пельтье
Все термопары герметично запаяны в две керамические пластины. При подаче напряжения одна из сторон охлаждается, вторая нагревается. По сути, элемент Пельтье является тепловым насосом, который увеличивает интенсивность теплообмена между ядром процессора и кулером. Элемент способен поддерживать разность температур до 40¸70 ºС в случае использования одного слоя термопар. Радиатор кулера при этом нагревается более равномерно, чем в случае простого кулера, при этом существенно снижается тепловое сопротивление охлаждающей системы, что повышает ее производительность. Однако в системе с элементом Пельтье существуют три серьезные проблемы:
· Первая – это конденсация влаги на компонентах охлаждающей системы ЦП и ГП до температур близких к 0оС или ниже. При попадании на незащищенные электрические проводники это может вывести из строя всё устройство.
· Если на элемент Пельтье установлен массивный радиатор, то при выключении системы, он может «испечь» процессор, на который установлен.
· Элемент Пельтье необходимо подбирать по мощности процессора, т.к. для заметного эффекта теплового насоса мощность элемента должна превосходить мощность процессора в 1,5¸2 раза (с учетом КПД модуля). Так мощность элемента на процессор Pentium 4 3.2 ГГц должна быть не ниже 120-180 Вт (чем мощнее элемент, тем ниже температура ядра процессора).
1.3 Жидкостное охлаждение.
Жидкостные системы охлаждения изначально применялась для охлаждения особо теплонагруженных деталей, например мощные лампы выходных каскадов передатчиков. Главным преимуществом жидкостной, по сравнению с аэрогенной системой охлаждения, является существенно большая производительность и низкий уровень производимого шума. Высокая производительность жидкостной системы охлаждения объясняется тем, что теплопроводность жидкости, в пять - семь раз выше, чем у воздуха, соответственно меньше её тепловое сопротивление, а тепловой поток выше. Еще одной особенностью жидкостной системы охлаждения является то, что температура охлаждаемого объекта изменяется сравнительно медленно, за счёт тепловой инерции жидкости.
В общем случае водяная система охлаждения состоит из насоса (помпы), ватерблока (теплообменника), радиатора, резервуара с жидкостью.
Жидкостные системы охлаждения на рынке представлены достаточно широко. Модельный ряд покрывает все необходимые комплектующие, которым требуется активное охлаждение – процессоры, северные мосты, графические карты.
1.4 Криогенное охлаждение (системы с фазовым переходом)
По сути, криогенная система охлаждения превращает компьютер в натуральный холодильник. Хладагентом здесь является фреон или другой подходящий хладагент. Система обеспечивает заморозку ЦП, чипсета и ГП до -50 °С. Хотя по материальным затратам - это самая дорогая система охлаждения для персональных компьютеров на сегодняшний день. Однако, в отличие от аэрогенных кулеров и систем жидкостного охлаждения, криогенные системы обеспечивают нормальный температурный режим при низком уровне шума для самых последних процессоров при их экстремальном разгоне (повышение тактовой частоты более чем на 30%).