PODSTAWY WIEDZY O LAPTOPACH: JAK ZROZUMIEĆ CO SKŁADA SIĘ NA PROJEKT WYDAJNEGO SYSTEMU CHŁODZENIA LAPTOPA

By Notebookcheck |
Poniższy artykuł został dostarczony przez Notebookcheck.
Chłodny jak skała. Zaprojektowanie i implementacja wydajnego systemu termicznego w laptopie wymaga znacznej ilości badań oraz właściwej selekcji każdego indywidualnego komponentu systemu, by zapewnić, że razem poziomem pracy osiągną swój pełny potencjał. W tym dotykającym podstawowych zagadnień artykule przyglądamy się temu, co składa się na każdy krok projektowania termicznego, a także temu, jak OEM testują i prototypują swoje projekty termiczne, by osiągnąć maksymalną wydajność. Za przykład ilustrujący dobrze ten proces posłuży nam GT76, flagowy laptop MSI, który może pracować bez problemu przy 5 Ghz na wszystkich procesorach.(Artykuł sponsorowany)
 
GT76
Projekt termiczny powinien pozwolić laptopowi utrzymywać najwyższą wydajność pracy przez dłuższy czas bez występowania zjawiska throttlingu.
 

Wstęp

A więc właśnie udało ci się położyć ręce na prawdziwym laptopie-bestii: smukłym, lecz potężnym, teoretycznie dającym ci każdą ilość klatek, jakiej potrzebujesz do zdominowania świata gamingu. Po ustawieniu sprzętu, odpalasz grę z radością, mając nadzieję, że to ty wyjdziesz z walki jako zwycięzca. Trzydzieści minut po starcie gry, odkrywasz, że ilość klatek spada szybko, a laptop jest gorący jak piec. Wygląda na to, że specyfikacja nie zdołała przełożyć się na wydajność w prawdziwym świecie. To, co się właśnie stało, nazywa się zjawiskiem „speed throttlingu”, występującym z powodu niewystarczającego chłodzenia.
 
Tego, jak ważne jest właściwe chłodzenie w laptopach, nie da się przecenić. Stali czytelnicy Notebookcheck będą wiedzieli o wielu artykułach, w których podkreślaliśmy potrzebę właściwej ewaluacji systemów chłodzenia laptopów używających flagowych komponentów i związanej z tym pułapce throttlingu. Niewłaściwe chłodzenie może skutkować znaczącym spadkiem wydajności, co może spowodować, że w efekcie zapłacisz więcej za laptop, który pracuje gorzej.
 
Kiedy kupujesz laptop, zrozumienie jak OEM implementują mechanizmy chłodzenia jest jednym ze sposobów ocenienia potencjału do osiągnięcia dobrej wydajności. W laptopie jest dużo mniej miejsca na systemy chłodzenia niż w komputerze stacjonarnym, więc OEM sięgnęli po innowacyjne rozwiązania, by utrzymać pracę takich komponentów jak pełny procesor klasy stacjonarnej Intel Core i9-9980HK czy karta graficzna NVIDIA GeForce RTX 2080 bez większych przeszkód.
 
W tym artykule przyjrzymy się temu, czego potrzeba do zaprojektowania wydajnego rozwiązania chłodzeniowego, włącznie z wyborem komponentów i prototypowaniem niezbędnym dla tego procesu, a także usprawnieniami, które udało się wprowadzić OEM w ostatnim okresie. Czy interesuje cię czego potrzeba, by sprawić, że laptop taki jak MSI GT76 będzie pracował na wszystkich 8 rdzeniach przy taktowaniu 5 GHz? Czytaj dalej.
 

PROJEKTOWANIE SPRAWNEGO ROZWIĄZANIA CHŁODZENIOWEGO

Projektowanie dobrego rozwiązania termicznego, które zawiera w sobie wymogi rozpraszania ciepła dla kluczowych komponentów, takich jak CPU, GPU czy VRM, to nietrywialna sprawa. Wiele czynników i testów składa się na próbę zrozumienia jak dużo ciepła generują czipy i jak dobrze mogą się dopasować do formy konkretnego laptopa.
 
Proces projektowania rozwiązań chłodzeniowych dla laptopa jest bardzo ważnym aspektem procesu badań i rozwoju, a wygląda on zwykle tak, jak przedstawiamy poniżej. Należy odnotować, że mimo iż każdy OEM będzie stosować swoje własne, własnościowe metody projektowania termiki w celu zmaksymalizowania wydajności, koncepcje związane z użytkowaniem bloków termicznych, rurek cieplnych, rozpraszaczy ciepła oraz wiatraków są stosowane przez niemal wszystkich producentów.
 

System chłodzeniowy w MSI GP75 Leopard 9SD.

 

Rola bloku termicznego

Spójrz na wnętrze MSI GP75 Leopard przedstawione powyżej. To bardzo wydajny laptop do gamingu 1080p i napędza go Intel Core i7-9750H oraz NVIDIA GeForce GTX 1660 Ti. Na zdjęciu możemy zobaczyć wiele miedzianych rurek cieplnych, które wychodzą z CPU i GPU do wiatraków. Jeżeli przyjrzysz się uważniej, możesz zobaczyć, że te miedziane rurki odchodzą od miedzianego bloku, obecnego na obu procesorach. Miedziany blok, lub, profesjonalnie, blok termiczny, styka się z samym CPU/GPU poprzez pastę termiczną. Także przepływ ciepła następuje w linii CPU/GPU>pasta>blok>rurki cieplne. Stosuje się to, by przenieść ciepło z czipu jak najszybciej na blok termiczny dla wydajnego rozproszenia. Czemu jest to tak ważne?
 

Apple MacBook Pro z 2018 z procesorem Core i9-8950HK był znany ze swoich problemów z throttlingiem związanych z niewystarczającym chłodzeniem. (Źródło: Dave Lee on YouTube)
 
Bez zbytniego wchodzenia w szczegóły, każdy czip powinien rozpraszać określoną ilość ciepła pracując w oszacowanym dla niego TDP. Mimo że pośród producentów czipów nie ma konsensu na temat tego, jak dokładnie powinno być wyliczane TDP, OEM przeprowadzają swoje własne testy, by sprawdzić, jak daleko można przesunąć TDP w danym rozmiarze obudowy. Jeżeli ciepło nie odchodzi z czipu odpowiednio szybko, zwiększona powłoka ciepła wokół czipu zmusza go do pracy z niższą frekwencją, by uniknąć uszkodzenia – w ten sposób wpływając na wydajność. Dobrym przykładem jest to, jak Apple MacBook Pro z 2018 z procesorem Core i9-8950HK na początku nie mógł osiągnąć nawet szacowanego zwiększenia frekwencji z powodu złego zaprojektowania system termicznego.

W dodatku nadmiar ciepła oznacza, że czip będzie pracował z niższą frekwencją w cyklu zegara i mimo że może się wydawać, że osiąga on wymaganą frekwencje, ogólna wydajność jest zagrożona. Zdolność do podkręcenia takiego czipu jest też ogromnie ograniczona.

Zwyczajna miedź kontra miedź polerowana
w systemie obróbki CNC użyta w MSI GT76
(Zdjęcie otrzymane dzięki uprzejmości MSI)
 
Dlatego ważne jest, by ciepło odciągnąć jak najdalej od czipu z wysoką wydajnością i w najkrótszym czasie możliwym. Miedź to preferowany wybór twórców bloków termicznych z powodu jej wysokiej przewodności. Blok miedziany w większości laptopów ma chropowatą powierzchnie, co na poziomie mikroskopiczny nie pozwala na pełny kontakt ze smarem. By obejść ten problem i zapewnić nawet większą przewodność, potężniejsze laptopy gamingowe, takie jak MSI GT76, używają bloków miedzianych polerowanych w systemie obróbki CNC, by zmaksymalizować powierzchnię kontaktu, co wspomaga lepsze rozpraszanie ciepła z dala od procesora.

 

Dobra termika jest oparta na rurkach


Zasady pracy rurek cieplnych. (Źródło: Wikipedia
 
Gdy już usunęliśmy ciepło z czipu w wydajny sposób, musimy teraz przenieść je z dala od CPU/GPU poprzez rurki cieplne. Rurka cieplna składa się z sekcji parownika i sekcji skraplacza, a technicznie określa się ją jako dwufazowy system transportu ciepła. W rurce cieplnej płyn (zwykle woda) absorbuje ciepło z bloku termicznego i przemienia się w parę (sekcja parownika), która podróżuje wzdłuż wnętrza rurki do regionu niższej temperatury (sekcja skraplacza). Tam para skrapla się w płyn, który jest ponownie absorbowany przez tampon i płynie do pierwotnej pozycji dzięki zjawiskom kapilarnym, a ciepło jest rozpraszane na zewnątrz.
 

Schemat przepływu ciepła (Źródło: Calyos)

By uzyskać przykład, spójrz na załączony diagram. Widzimy, że płyn w rurce cieplnej nagrzewa się aż do postaci pary, przemieszcza się do strefy transferu ciepła, przekazuje ciepło, a potem kondensuje się z powrotem w płyn. Część oznaczona „parowanie” może być porównana do bloku cieplnego, o którym mówiliśmy powyżej, podczas gdy strefa oznaczona jako „Transfer ciepła” jest podobna do żeber rozpraszacza ciepła, którym przyjrzymy się niedługo.
 

Przekrój rurki cieplnej ze spiekanego metalu (Źródło: Frosty Tech)

Rurki cieplne są zazwyczaj zrobione z miedzi lub aluminium, a struktura tamponu w środku jest ryflowana, z siatki, spiekana lub z włókna. Z tych rozwiązań spiekane rury są najdroższe w produkcji, ale oferują świetne przewodzenie ciepła od tamponu do ścianki i vice-versa.
 
Struktura tamponu jest kluczowym kryterium wyboru właściwej rurki cieplnej, są jednak inne czynniki które muszą być na równi przemyślane, jeśli zależy nam na wydajności rurki cieplnej. Pierwszym z nich jest ilość – im więcej rurek, tym lepszy jest transfer ciepła z bloku termicznego na rurkę. Jednakże decyzja o ilości rurek zależy od całkowitej wytwórczości ciepła bloku oraz dostępnej powierzchni.
 
Długość i średnica rurki bezpośrednio wpływają na prędkość ruchu pary wewnątrz. Im większa średnica, tym większą objętość pary można transmitować. Rurka nie może być zbyt długa. Krótsze rurki mogą transmitować więcej ciepła niż dłuższe, a także mają wyższy limit kapilarny - prędkość, z jaką płyn wraca ze skraplacza do parownika.
 

Indywidualna dystrybucja rurek cieplnych dla CPU i GPU w MSI GT76.
 
W wielu laptopach rurki biegną zarówno po CPU, jak i GPU. Oszczędza to kosztów, ale część rurki pomiędzy CPU i GPU jest relatywnie chłodniejsza, co może zaowocować zbyt wczesną kondensacją płynu, niszczącą efektywność przepływu ciepła. Dlatego w wysokiej jakość laptopach gamingowych takich, jak MSI GT76, CPU i GPU mają swoje własne, oddzielne rurki cieplne i systemy wiatraków dla maksymalnego przepływu ciepła.
 
Jako że laptop nie posiada wystarczająco miejsca na cylindryczne rurki cieplne, muszą być one spłaszczone do użycia w systemie termicznym. To dodaje kompleksowości, ponieważ nierówne lub zbytnie spłaszczenie może zagrozić poruszaniu się płynu poprzez tampon. Zbyt mocne zgięcie rurki też działa szkodząco. Dowiedziono jednak, że dopóki kąt zgięcia jest 3x większy od średnicy rurki, jej wydajność nie jest obniżona.

 

Lepszy przepływ powietrza to chłodniejszy laptop


Schemat pokazujący wejście zimnego powietrza (niebieski) i wyjście ciepłego powietrza (czerwony) w typowym notebooku. (Źródło: Inyes.org)
 
Udane odciągniecie ciepła od procesora to dopiero połowa drogi. Kompletne usunięcie ciepła z obudowy jest równie trudnym wyzwaniem. Tu właśnie wchodzą do akcji rozpraszacze ciepła i wiatraki. Na bardzo podstawowym poziomie rozumienia, rozpraszacz ciepła zwiększa powierzchnie dla ciepła wychodzącego z rurki cieplnej, a wiatrak usuwa to ciepła wciągając zimne powietrze z zewnątrz.
 

Typowy wiatrak laptopowy z blokiem termicznym,
rurkami cieplnymi i rozpraszaczem ciepła.(Źródło: Any PC Part ze zmianami)
 
Decyzja o zastosowaniu danego rodzaju wiatraka i rozpraszacza ciepła to nie tylko wybór najlepszych części do tego zadania. Wiatrak musi posiadać balans pomiędzy ilością łopatek i przestrzenią między nimi – zbyt wiele łopatek w małej przestrzeni oznacza, że niedostateczna ilość powietrza może być wypchana na zewnątrz. Jednak wydajność spada jeśli mamy mniej łopatek z dużą odległością między nimi. Tak więc jak wybiera się odpowiednią strukturę wiatraka dla optymalnego chłodzenia?
 

Rozpraszacz ciepła MSI GT76 ma więcej powierzchni żeber oraz dodatkowe wiatraki
 
Tu przychodzi nam z pomocą oprogramowanie symulacyjne. Wielu OEM używa standardowego dla przemysłu oprogramowania symulacyjnego, zapewniającego dobre oszacowanie przepływu powietrza w danej obudowie. Idea użycia takiego oprogramowania polega na znajdowaniu wiatraka pracującego najlepiej względem wymogów chłodzenia – zamiast po prostu doczepienia najszybszego ( i zapewne najgłośniejszego) wiatraka dostępnego na rynku. Oprogramowanie symulacyjne bierze pod uwagę wiele charakterystyk, na przykład kierunek przepływu powietrza do i z obudowy, przestrzeń dostępną w obudowie, objętość powietrza generowaną przez dany projekt wiatraka (CFM), powierzchnię żeber rozpraszacza powietrza, i tym podobne. Może ono przewidzieć dystrybucję temperatury w obudowie w różnych warunkach symulacji. To pomaga OEM lepiej zrozumieć i udoskonalić ich rozwiązania chłodzące dla maksymalnej wydajności.
 
W poniższym wideo testu symulacyjnego możemy zobaczyć jak symulacja przepływu powietrza pomaga zrozumieć najprawdopodobniejszy efekty implementacji chłodzenia. Tu widzimy, że ten konkretny przykładowy projekt poskutkował wciągnięciem ciepłego powietrza z powrotem do wejścia, co tworzy wyższe temperatury.
 
 
Po odpowiednich zmianach ustawień po prawej stronie, widzimy teraz, że całe gorące powietrze jest wypychane przez wiatraki, co skutkuje dużo bardziej jednorodną dystrybucją temperatury. Także dzięki użyciu takiej symulacji można zmienić projekt chłodzenia na etapie prototypu. Pomaga to też w wykrywaniu problemów, których może nie dać się wykryć fizycznie.
 
 
Teraz zastanówmy się jak to wszystko działa na praktycznym przykładzie, takim jak MSI GT76. GT76 stworzono dla długoterminowej wydajności przy 5 GHz na wszystkich rdzeniach Core i9-9900K. Jak widać na zdjęciu, system chłodzenia GT76 zawiera nie mniej niż 11 rurek cieplnych, dwa miedziane bloki polerowane w systemie CNC, wzmocnione rozpraszacie ciepła i projekt używający czterech wiatraków. Rozpraszacze ciepła ciągną się przez całą długość laptopa, a dostępność czterech wiatraków pomaga rozpraszać ciepło przez całą tylną część obudowy, nie jeden czy dwa rogi.
 

GT76 rozprasza ciepło całą długością obudowy.
 
MSI mówi, że ekstensywne symulacje pomogły mu stworzyć projekt nowego systemu przepływu powietrza o 2,25x lepszym przepływie w porównaniu do konkurencji. Wiatraki GT76 wypychają 96 CFM powietrza w porównaniu do 42,6 CFM w innych laptopach. Większa powierzchnia żeber nowego rozpraszacza ciepła ma także rolę w zapobieganiu throttlingu 9900K. Strona CPU GT76 ma powierzchnię żeber 252,910 mm2 – około 2,3 większą od GT75 Titan (110,045 mm2).
 

Wiatraki GT76's mogą wypchnąć 125% więcej
powietrza w porównaniu do konkurencji.

Powierzchnia żeber GT76 jest 130%
większa niż GT75 z zeszłego roku.

 

W naszej recenzji GT76 stwierdziliśmy, że notebook nie ulega throttlingowi nawet poddany 60-minutowemu testowi obciążenia FurMark i Prime95, chociaż dostrzegliśmy, że komponenty są gorętsze niż zwykle. Dostrzegliśmy też, że laptop może trwale pracować przy frekwencji 4.7 GHz w pętli Cinebench R15 bez dostrzegalnego ocieplenia.
 

 

PODSUMOWANIE

Jak już pewnie zrozumieliście, projektowanie właściwego system chłodzenia, pozwalającego komponentom na pracę w pełnej wydajności, to jeden z najważniejszych celów badań i rozwoju laptopów. Różne aspekty – od wyobrażenia sobie przepływu powietrza w obudowie do wyboru właściwych materiałów i testów symulacyjnych – odgrywają kluczową rolę w zapewnieniu ci możliwości pracy lub grania bez poświęcania wydajności.
 
Mimo że zagłębiliśmy się w niektóre sprzętowe aspekty chłodzenia, potrzeba także wiele optymalizacji oprogramowania, by upewnić się, że system może wyczuć powłokę cieplną i regulować ją odpowiednio. Mamy nadzieję, że ten wstęp do projektowania rozwiązań cieplnych dla laptopów spełnił swoje zadanie w rozwoju twojej wiedzy na ten ważny, lecz często pomijany przy kupowaniu laptopów temat.
 
MSI mówi, że laptopy z lepszymi rozwiązaniami chłodzenia będą głównym tematem ich nadchodzącego programu back-to-school, więc należy się spodziewać usprawnień w tym zakresie w ich całym portfolio.
 
Śledzcie nas, by zapoznać się z nadchodzącymi materiałami z cyklu podstawa wiedzy o laptopach – włącznie z lekcją o tym, od czego zależy dokładność panelu LCD, o projektowaniu touchpadów, i wieloma innymi.
Subskrybuj naszego bloga

Bądź na bieżąco w kwestii sprzętu, wskazówek i wiadomości.

Klikając na ten przycisk, wyrażasz zgodę na warunki świadczenia usług i politykę prywatności MSI.

us