Что показывают тестирования термопаст?

на страницах сайта

www.electrosad.ru

"Жидкий металл" новый интересный и перспективный материал для термоинтерфейсов. Но часто его применение не дает желаемого эффекта при практическом применении. И даже при тестировании в лабораторных условиях специалистами.
В чем дело?
Оказывается, что на производимых в настоящее время процессорах применена порочная технология соединения теплораспредилительной крышки и чипа процессора.

 

 

Результаты тестирований

Тест 1

Тестирования термопаст и теплопроводящих составов практически всегда показывает отсутствие заметных преимуществ у теплопроводящих материалов с высокими теплопроводностями. Думаю едва ли можно назвать все эти "тестирования" корректными. Я уже пытался показать, что всякого рода тестирования требуют квалифицированного и продуманного подхода.

Иначе получаются тесты когда разницы от применения достаточно сильно отличающихся по характеристикам термоинтерфейсов нет. Например этот тест http://www.overclockers.ru/lab/39006_4/Chto_novenkogo_Testirovanie_22_aktualnyh_termointerfejsov.html (часть его результатов приведена на рис. 1)

 

Рисунок 1.

 

Ознакомившись с таким тестом, у многих не искушенных читателей, вполне обоснованно возникает вопрос "А зачем все это городить? Когда "CoolIT" обеспечивает мало отличимые характеристики." Такие тесты просто вводят в заблуждение читателей и отбивают у них охоту к поиску. Как это делают и тесты зубных паст, воды, и подсолнечного масла в качестве термоинтерфейсов.

 

Тест 2

Другое подобное тестирование, в котором тестируется только 5 термоинтерфейсов, описано в статье "Сoollaboratory Liquid Pro и Liquid MetalPad – жидкий металл в роли термопасты", Виктор Баранов, 20.03.2007 на сайте 3DNews, http://www.3dnews.ru/cooling/liquid_metalpad/ . Помещенные в виде рисунка результаты сведены в таблицу 1 и дополнены для наглядности данными по теплопроводности этих материалов.

Это представители всего ряда характерных термоинтерфейсов от минимальных теплопроводностей до максимальных.

 

Термо интерфейс Tпр
°С
 Теплопроводность
при 20С,
Вт/(м×К)
АлСил - 3 76 1 - 0,65
КПТ - 8 74 0,7 - 1
Arctic Silver 5 72 8,7
ZM - STG1 72 4
Liquid Pro 34 34-36

Таблица 1.

 

Для "разбора полетов" и поиска причин таких результатов рассмотрим последний тест, только потому что число тестируемых термоинтерфейсов в нем не слишком велико.

 

Разбор результатов тестирования

Описанный в последнем материале, тестовый стенд для проверки эффективности термопаст был собран на разогнанном до 3600 МГц процессоре Intel Core2Duo E6400,  ориентировочный TDP 85 Вт, а охлаждал его один из "лучших современных супер - кулеров" (как он представлен в статье) Zalman CNPS9700 LED, Rt 0,1 °С/Вт (принята как наиболее реальная величина, поскольку данные отсутствуют).

Следует подчеркнуть, что данное тестирование не сопровождалось методикой, измерениями (кроме измерения температуры процессора) параметров тестируемых компонентов и среды в которой проводилось тестирование. Это тоже оказывает существенное влияние на результаты тестирования.

Особенно важно соблюдение качества и правильного применения (нанесения, очистки старого) термоинтерфейсов. Поскольку от этого зависит не только теплопроводность, но толщина термоинтерфейса (особенно вязкого).

Именно поэтому более точных данных по характеристикам этих узлов нет. Но думаю взятые мной цифры достаточно близки к реальным, да и нужны они только для того чтобы понять причины полученных результатов тестов, а не поиска правильных значений.

 

Схематически тестирование показано на рисунке 2.

 

Рисунок 2.

 

Схема показывает 5 (по количеству тестируемых термоинтерфейсов) параллельных тепловых цепей, каждая из которых представляет отдельный тест. Как Вы видите это одинаковые цепи (так должно быть, чтобы тестирование можно было признать правильным) у которых отличаются только тепловыми сопротивлениями термоинтерфейсов R1-5тиИ и связанными с ними температурами процессоров t1-t5.

 

На рис. 2. :

Р - TDP процессора при тестировании 85 Вт;

t0 - температура наружного воздуха равная 22°С;

RК-К - тепловое сопротивление кристалл крышка процессора;

RТРК - тепловое сопротивление крышки процессора;

Rпр = RК-К + RТРК - тепловое сопротивление процессора;

Rпр = RК-К + RТРК - тепловое сопротивление процессора;

R1-5тиИ - Тепловое сопротивление исследуемого термоинтерфейса;

RКУЛ - тепловое сопротивление кулера 0,1 °С/Вт;

Rtи - тепловое сопротивление интерфейса;

Rt = RК-К + RТРК + R1-5тиИ + RКУЛ - суммарное тепловое сопротивление цепи;

t1-t5 - температура кристалла по результатам каждого (с 1 по 5) тестирования.

В данной схеме P, t0,  RК-К,  RТРК,  RКУЛ - одинаковы для всех тестов (с 1 по 5-ый), а R1-5тиИ - это 5 значений тепловых сопротивлений интерфейсов, каждый из которых относится к одному из тестируемых термоинтерфейсов и имеет свою температуру процессора t1-t5.

Исходя из принятых значений  постоянных получено суммарное тепловое сопротивление цепи, которое помещено в столбец 4 таб.1.

 

Термо интерфейс Tпр
°С
 Теплопроводность
при 20С,
Вт/(м×К)
Rt
при tнв=22°С
°C/
Вт
Rtи
°C/
Вт
1 2 3 4 5
АлСил - 3 76 0,7 0,63 0,106
КПТ - 8 74 0,7 0,61 0,106
Arctic Silver 5 72 8,7 0,58 0,0086
ZM - STG1 72 4 0,58 0,00932
Liquid Pro 67 34 0,529 0,0011

Таблица 2.

 

Попробуем разобраться, где "тонкое звено" данной тепловой цепи?

Оно ограничивает эффективность теплоотвода в результате чего растет температура охлаждаемого объекта - процессора.

 

Для поиска участка тепловой цепи с высоким тепловым сопротивлением, в цепи где применялся термоинтерфейс Liquid Pro, рассчитаем его тепловое сопротивление. Эта цепь выбрана потому что при высокой теплопроводности жидкого металла, даже если погрешность вычислений будет большая ее тепловое сопротивление окажет минимальное влияние на остальные элементы тепловой цепи. для остальных термоинтерфейсов повторим эти вычисления для сравнения.

Тепловое сопротивление термоинтерфейса рассчитаем его по известной формуле:

 

Rtи = h/λ S  [ф.1]

 

Результаты вычислений поместим в столбец 5 табл.2

Приняв для первых 3х термоинтерфейсов большой вязкости h=50х10-6 м, а для Liquid Pro h=25х10-6 м.

 

На примере Liquid Pro попробуем оценить параметры тепловой цепи.

Для этого в качестве исходных данных имеем:

Rt - суммарное сопротивление тепловой цепи равное 0,529 °С/Вт;

RКУЛ - тепловое сопротивление кулера 0,1 °С/Вт;

Рассчитав тепловое сопротивление интерфейса по [ф.1], где величины приняты

h = 25*10-6 м - как наиболее вероятную для характеристик вязкости жидкого металла,

S = 6,7*10-4 м2 - работающая площадь тепло распределительной крышки процессора,

λ = 34 Вт/(м*К) - см. таб. 2, "Жидкий металл" как термоинтерфейс

 

получаем величину Rtи = 0,0011 °C/Вт.

 

Исходя из теплового сопротивления интерфейса и кулера получаем тепловое сопротивление процессора равное:

 

Rпр = Rt - RКУЛ - Rtи =0,529 - 0,1 - 0,0011 = 0,428 °C/Вт

 

Эта величина в 380 раз превышает величину теплового сопротивления термоинтерфейса!

 

Что такое Rпр = 0,428 °C/Вт и как оно влияет на температуру процессора?

 

Оно определяет температуру процессора в данной тепловой цепи и при данных параметрах на уровне 58,4 °С (для TDP=85Вт), даже при нулевом тепловом сопротивлении теплоотвода!

Такое тепловое сопротивление процессора приводит к (нивелированию - выравниванию) минимальному выигрышу при применении термоинтерфейсов с тепловым сопротивлением термоинтерфейсов менее 0,1  °С/Вт, или если приводить теплопроводность термоинтерфейсов, то при ее величине более 3-4 Вт/(м×К).

 

Зависимость tпр = f(Rти) (температуры процессора от теплового сопротивления термоинтерфейса), для TDP=85 Вт рассматриваемого случая, сведено в таблицу 3.

 

Rти °С/Вт 0,001 0,01 0,1 1
tпр1(Rпр1 =0,428) 66,965 67,74 75,38 151,88

Таблица 3

 

Зависимость tпр = f(Rти) приведена на рисунке 3.

 

Рисунок 3.

 

Все сказанное выше наглядно видно на графике рис.3.

 

Уточняя вывод можно повторить:

 

"для данного процессора имеющего высокое собственное тепловое сопротивление (0,428 °C/Вт), применение термоинтерфейсов с теплопроводностью выше 3-4 Вт/(м×К) не дает заметного снижения температуры процессора"

 

Теперь попробуем оценить влияние теплового сопротивления процессора Rпр на его (процессора) температуру при P=85 Вт; Rти=0,01; Rкул=0,1. Эти данные сведены в таблицу 4.

 

tпр 67,74 56,85 48,35 39,85 32,2
Rпр 0,428 0,3 0,2 0,1 0,01

Таблица 4

 

График функции tпр = f(Rпр) для принятых выше параметрах тепловой цепи приведен на рисунке 4.

 

Рисунок 4

 

График Рис. 4, наглядно показывает необходимость снижения теплового сопротивления процессоров, что особенно важно при разгоне процессоров или на процессорах с большим TDP (более 100 Вт).

Все процессоры с тепловым сопротивлением более 0,1 °C/Вт просто нельзя разгонять без последствий для них.

 

Приведенный на рис. 4 график есть вертикальное сечение для значения Rти=0,01°C/Вт, TDP=85 Вт

Rти °С/Вт 0,001 0,01 0,1 1
tпр1(Rпр1 =0,428) 66,965 67,74 75,38 151,88
tпр2(Rпр2=0,3) 56,085 56,85 64,5 141
tпр3(Rпр3=0,2) 47,585 48,35 56 132,5
tпр4(Rпр4=0,1) 39,085 39,85 47,5 124

Таблица 5

Рисунок 5

 

 

Выводы:

 - о стендах для тестирования

Для оценки характеристик термоинтерфейсов при их тестировании должны обеспечиваться:

 - измерения параметров стенда,

  • TDP (тепловыделение) процессора для каждого измерения, которое приближается к потребляемой им мощности;
  • температуру процессора;
  • температуру окружающего воздуха в корпусе ПК.

 - качественный термоинтерфейс (для обеспечения заданной толщины, его вязкость должна соответствовать заданной производителем),

 - монтаж процессора с калиброванным прижимным усилием.

Стенд для тестирования должен иметь:

- суммарное тепловое сопротивление цепи менее (или по крайней мере равное) теплового сопротивления исследуемого термоинтерфейса. Тестирование материалов (термоинтерфейсов) с меньшим тепловым сопротивлением не покажет его существенных отличий. И поэтому их тестирование просто нецелесообразно.

 - процессоры с минимальным тепловым сопротивлением. С паянными теплораспределительными крышками, а другие только новые (поскольку другие имеют склонность к деградации - росту теплового сопротивления в процессе эксплуатации в предельных режимах).

Поскольку все примеры тестирований не удовлетворяют этим требованиям их нельзя назвать корректными.

 

- для обычных пользователей

Рассмотренные выше результаты наглядно показывают, что для получения минимальных температур выпускаемых сейчас процессоров применение супер термоинтерфейсы с теплопроводностью более 10 Вт/(м×К) не дает заметного выигрыша в температуре процессора. Их применение эффективно только для процессоров не имеющих теплораспределительных крышек (с открытым кристаллом) и кулеров с тепловым сопротивлением меньше 0,1 °C/Вт.

Но применение термоинтерфейсов с теплопроводностью менее 3-4 Вт/(м×К) тоже нельзя признать правильным.

 

 - для профи и оверклокеров

Давно не является секретом, что производители процессоров последние годы выпускают процессоры с теплораспределительной крышкой, где в качестве термоинтерфейса между ней и чипом используются теплопроводящие пасты. Это подтверждается при снятии теплораспределительной крышки отдельных экземпляров описанных в Internet и результатами данных тестов и расчетов.

В то же время есть информация о применении паянного соединения крышки. Но к сожалению производители не включают в описание процессора данные о типе термоинтерфейса "чип - крышка".

Сейчас мы установили, что в данном экземпляре процессора Intel Core2Duo E6400 применен термоинтерфейс с низкой теплопроводностью [менее 1-2 Вт/(м×К)] и это существенно ограничивает применение эффективных термоинтерфейсов и кулеров с тепловым сопротивлением менее 0,1°С/Вт. Возможно высокое тепловое сопротивление процессора, есть результат его ускоренной деградации из-за тяжелых тепловых режимов в процессе тестирования.

 

Применение суперкулеров с тепловым сопротивлением менее 0,1°C/Вт и термоинтерфейсов с теплопроводностью более 10 Вт/(м×К) не приводит к существенному выигрышу в температуре существующих процессора при их применении.

 

Для разгона можно рекомендовать только процессоры с паянной теплораспределительной крышкой!

 

- процессоры

Применение в качестве термоинтерфейсов процессоров (чип - теплораспределительная крышка) теплопроводящих паст, показало непродуманность этого решения для высоко нагруженных процессоров.

 

В первую очередь из-за режима работы процессора.

Который характеризуется цикличными, многократно повторяющимися изменениями теплового режима и как результат упругие механические деформации, которые со временем вызывают его деградацию и рост теплового сопротивления термоинтерфейса.

 

Во вторых применяемые в процессорах термоинтерфейсы, по непонятным причинам имеют не самые лучшие характеристики.

Вообще применение термоинтерфейсов это похоже вынужденное решение производителя, и пока эта проблема не имеет проработанного решения.

Процессоры, теплораспределительные крышки которых, паяются на кристалл имели более стабильные характеристики и тепловое сопротивление таких процессоров приближается к процессорам с открытым кристаллом.

Но по не совсем понятным причинам производители отказались от этого решения (хотелось бы верить что не все).

 

Единственное предположение которое у меня есть:

- это сделано сознательно, для ограничения срока службы процессоров.

P.S.

В качестве резюме хочу повторить:

  1. Если тепловая цепь имеет высокое сопротивление, то повышение теплопроводности (снижение теплового сопротивления) одного любого элемента этой цепи не дает существенного эффекта,
  2. Если в тепловой цепи есть хотя бы один элемент с высоким тепловым сопротивлением, то снижение этого параметра для любого другого элемента не дает существенного эффекта,
  3. Применение высокоэффективных термоинтерфейсов оправдано только при процессорах с паянной теплораспределительной крышкой (или без оной), эффективным кулером (с тепловым сопротивлением менее 0,1 °C/Вт). В этом случае будет получен существенный эффект,
  4. Для нормальной работы процессора (без сокращения его ресурса) при разгоне можно рекомендовать только схему по п.3,
  5. Перегрузка ноутбука не предназначенными для него тяжелыми приложениями сокращает его ресурс.

апрель 2011 года.

Сорокин А.Д.

Яндекс.Метрика

<<назад>> <<в начало>> <<на главную>>

Попасть прямо в разделы сайта можно здесь:

При полном или частичном использовании материалов ссылка на "www.electrosad.ru" обязательна.
Ваши замечания, предложения, вопросы можно отправить автору через гостевую книгу или
почтой.

Copyright © Sorokin A.D.©

2002 - 2013