Проект 5 ГГц: охлаждение процессора с помощью жидкого азота – THG.RU

Рекордная попытка: проект 5 ГГц

За несколько недель до Нового года команда THG консолидировала свои усилия, чтобы дать нашим читателям, а особенно харкорным геймерам, что-то действительно особое. Мы быстро пришли к общему мнению – это должен быть новый проект экстремального “разгона”. Так мы начинали наш новый сложный проект, потребовавший немало усилий по координации и планированию. Рабочее название нашего проекта пришло сразу: проект 5 ГГц.

Так выглядела наша 5-ГГц установка: компрессор охлаждает чипсет, а жидкий азот охлаждает процессор.

Только жидкий азот может дать идеальное охлаждение процессора – в нашем случае из 25-литрового контейнера для транспортировки.

Опыт, полученный в предыдущих проектах, показывает, что подобные тактовые частоты могут быть получены только на платформе P4. В любом случае, как и бывает при начале какого-либо теста, мы не имели представления, какие тактовые частоты мы можем достичь с выбранными компонентами. Наш последний рекорд по скорости был поставлен в точности год назад. Тогда мы смогли добиться стабильной работы Intel Pentium 4/3,06 на частоте 4,1 ГГц. Через несколько дней мы показали, как AMD Athlon XP может работать на 2,8 ГГц. Основой для теста послужила мощная компрессорная система охлаждения от Chip-cop с небольшими модификациями. Через десять месяцев на той же базовой конфигурации мы смогли “разогнать” первый 64-битный процессор для настольного рынка – AMD Athlon64 FX. Мы достигли 2,8 ГГц. Если вас интересует экстремальный “разгон”, мы рекомендуем ознакомиться со следующими статьями:

• Tom’s Hardware Speed Project: Pentium 4, Over 3 GHz!
• Hot Contraband: P4 With 3.6 GHz
• Костер для снегурочки: P4 на 4,1 ГГц
• Prometeia: лучшая система охлаждения процессора
• Экстремальный “разгон” Athlon 64 FX-51: частота 2,8 ГГц и температура ниже нуля

Фотография фазы подготовки: мы ещё не знали, какой тактовой частоты сможем достичь.

Экстремальное тепловыделение: 1600 кВт на квадратный метр!

Ничего не выделяет столь много тепла на квадратный метр, как современный процессор. Действительно, вряд ли в нашей повседневной жизни встречается что-то, выделяющее больше тепла. В случае с Intel Pentium 4 (3,2-ГГц версии в нашем примере), чья поверхность кристалла имеет площадь 112 квадратных миллиметров, тепловыделение при максимальной нагрузке достигает 84 ватт. Ещё раз повторим: 84 ватта на поверхности 112 квадратных миллиметров – площадь кончика пальца! Если экстраполировать до квадратного метра, то мы получим 840 000 ватт или 840 кВт. Для сравнения: хороший бытовой утюг имеет максимальное тепловыделение 2 000 ватт и распределяет его на площадь, примерно, 200 квадратных сантиметров. В результате мы получаем до 10 ватт на квадратный сантиметр. Наш обычный 3,2-ГГц процессор P4 выделяет более чем в восемь раз больше тепла.

При “разгоне” выделяемое тепло увеличивается в экспоненциальной зависимости. Раньше мы фиксировали тепловыделение, примерно, в 135 Вт с помощью компрессора Chip-con и процессора на 4,1 ГГц. При охлаждении жидким азотом мы смогли преодолеть барьер в 5 ГГц, когда тепловыделение выросло до 180 Вт с кристалла площадью 1,12 квадратных сантиметра. Таким образом, тепловыделение оказалось 1 600 000 ватт, 1 600 кВт или 1,6 МВт на квадратный метр. Теперь вам должно быть понятно, насколько важно хорошо охлаждать процессор. Но простыми средствами этого не достичь. По сравнению с нашими прошлыми экстремальными тестами по “разгону”, требования процессора к охлаждению существенно возросли.

Скачайте видео 11: 5,25 ГГц на P4

Новое видео THG номер 11: охлаждаем Pentium 4 жидким азотом и получаем частоту 5,25 ГГц.

Наше новое видео, номер 11, больше описывает теорию. Оно показывает, как можно путём операций с FSB увеличить тактовую частоту Pentium 4 до рекордной отметки 5 255 МГц. Однако всё время работы система должна охлаждаться жидким азотом.

Если первое видео THG демонстрировало проблемы перегрева процессоров AMD Athlon XP/MP, вызвав шумиху в индустрии, то второе видео было коротким и просто разъясняло, как “разогнать” процессоры Athlon XP/MP. Третье видео было посвящено установке мощной системы на водяном охлаждении в корпус ПК. При этом мы использовали только первоклассные компоненты, которые проработают не один год. Видео номер четыре было снято с Intel IDF 2002, а пятое видео посвящено технологии P4 Hyper-Threading. В нём мы сравнили P4 на 3,6 ГГц (без HT) с P4 3,06 ГГц с HT.

Шестое видео познакомило наших читателей с системой 4,1 ГГц и показало её потенциал. В то время это была одна из самых быстрых систем в мире. Видео 7 демонстрирует все ключевые моменты IDF 2003. Видео 8 показывает сборку и установку компрессорной системы охлаждения для экстремального “разгона”. При этом можно достичь охлаждения ядра процессора до температуры -52°C. Ещё один фильм (номер 9) посвящён IDF 2003 – там даются детали о Pentium 4 на ядре Prescott. Десятое видео фокусируется на Athlon64/64FX: насколько эти процессоры быстры, по сравнению с конкурентами от Intel?

Вы можете скачать новое видео по следующим адресам!

• Сервер 1
• Сервер 3

Чтобы посмотреть видео вам потребуется DivX 5.1.1

Небольшой размер файла и потока видео Tom’s Hardware означают, что для воспроизведения вам потребуется относительно быстрый процессор. Также не менее важно установить на ваш компьютер кодек DivX версии 5.1.1 или выше. Последний кодек можно скачать по адресу DivX.com.

Этот кодек позволяет вам просмотреть видео. Поскольку звук сжат в формате MP3, вам не нужно устанавливать для него специального кодека, так как этот формат поддерживается в большинстве версий Windows.

Головка охлаждения и трубка: специальная медная заготовка

Было нелегко создать головку охлаждения для процессора, которая реализовала бы наши идеи. Опыт, полученный нами за несколько недель, показал, что только несколько фирм способны работать с цельной медью, а также паять медные детали с высокой точностью. Наконец, головка должна выдерживать температуру до -196°C, в то время как процессор, со своей стороны, будет нагревать основание головки. Флуктуации температуры, в конце концов, могут вызвать напряжённость, которая прервёт контакт. В конце концов, только фирма Basche Kupferarbeiten в Мюнхене смогла удовлетворить нашим требованиям и выполнить работу. В частности, мы выражаем благодарность Кристиану Сёрлу за изготовление правильной охлаждающей головки для процессора.

Производство охлаждающей головки в мастерской фирмы Basche, Мюнхен.

Традиционная работа: фирма Basche получает заказы от производителей автомобилей на создание специальных деталей.

Радиатор процессора представляет собой медную трубку с тонкими стенками, к которой прикреплено цельное медное основание. Основание было изначально предназначено для подобной работы – мы взяли кулер для процессоров Xeon от Cooler Master и использовали его радиатор. Конечно же, мы рассмотрели и другие альтернативы, но ни одна из них нам не подошла.

Основа охлаждающей головки процессора: кулер Cooler Master для процессоров Xeon (радиатор из цельной меди).

Цельный медный радиатор для Xeon от Cooler Master. Позднее мы удалили рёбра.

Медная трубка для жидкого азота.

Здесь видны тонкие стенки, поскольку их утолщение привело бы к большим потерям.

Готовая охлаждающая головка – как нам и надо.

Теперь всё, что остаётся, – отполировать основание для лучшей передачи тепла.

Тонкая абразивная бумага помогла достичь желаемого эффекта – контактная поверхность оказалось достаточно гладкой.

Ну что, поехали?

Головка охлаждения фиксируется с помощью стандартного крепления.

Изоляция для предотвращения конденсации

Без должной изоляции на медной трубке скопится слишком много конденсата. Поэтому мы разработали метод изоляции, который оказался очень простым и, в то же время, эффективным. Следующие иллюстрации дают хорошее представление о нём.

Делаем трубку из двухслойного изолятора.

Скрепляем с помощью специального скотча.

Вырезаем под текстуру радиатора.

Надеваем изоляцию.

Трубка с изоляцией – всё готово.

100 ампер на стабилизаторе напряжения: модификации Asus P4C800-E

В соответствии со спецификациями VRM [модуль стабилизации напряжения], стабилизатор напряжения современных материнских плат разрабатывается для тока, максимум, почти в 90 ампер. То есть для нормальной работы есть определённый резерв – даже для работы Pentium 4 3,2 EE (на базе ядра Prestonia в Intel Xeon), который рассеивает 94 ватта тепла.

При напряжении ядра 1,525 В мы получаем целых 62 ампера. При нашем экстремальном “разгоне” выше 5 ГГц, тепловыделение быстро возрастает до 180 Вт, а напряжение ядра процессора пришлось увеличить до 1,88 В. То есть стабилизатор напряжения должен выдерживать 96 ампер. Чтобы понять огромное напряжение, проходящее через стабилизатор на экстремально перегруженной плате, имейте в виду, что электрическая сеть в обычной квартире рассчитана менее чем на 80 ампер при 230 вольтах.

Обычный стабилизатор напряжения на обычной Asus P4C800-E.

Модифицированный стабилизатор напряжения на модифицированной Asus P4C800-E.

Вид сбоку: стандартные компоненты.

Вид сбоку: модифицированные компоненты.

Asus осуществила и другие изменения, связанные с сокетом процессора. На следующих иллюстрациях видны различия между обычной P4C800-E и нашей материнской платой, предназначенной для экстремального “разгона”.

Сокет процессора на серийной плате Asus P4C800-E.

Сокет процессора на модифицированной плате Asus P4C800-E.

Нестандартно: усиленное основание сокета процессора.

Двойное охлаждение северного моста и процессора

Перед тем, как перейти к установлению рекорда, мы проверили возможности материалов и отдельных компонентов в работе. Для этого мы поместили всю нашу тестовую конструкцию в полистироловый стенд.

Очень холодно: охлаждение процессора от Chip-con и охлаждение северного моста от Asetek (Vapochill)

Первый раз пытаемся установить головку охлаждения с медной трубкой.

Азот ещё не использовали…

… а вот и он.

Контейнер для транспортировки жидкого азота.

Охлаждение северного моста: компрессор Vapochill

Мы уже знакомили вас с компрессорными системами охлаждения от THG: они вполне подходят для некоторого увеличения тактовых частот процессора. Система построена на компрессоре несколько меньшего размера – по сравнению с конкурентом Chip-con (Nventiv) – но также имеет меньшее энергопотребление.

Готовимся устанавливать головку охлаждения Vapochill на северный мост.

Головка охлаждения Vapochill установлена на северный мост с помощью пластиковых креплений-затяжек.

На фотографии легко отличить системы охлаждения процессора и северного моста. Левый провод идёт к компрессору, а правый – к головке охлаждения процессора с жидким азотом.

Тестовая платформа всё ещё находится в лаборатории.

Рекорд тактовой частоты P4: 5,25 ГГц при -196°C

Здесь показана тактовая частота, которую мы достигли с нашим P4. Однако при данной частоте программные тесты невозможны.

На иллюстрации выше показан результат экстремального “разгона”. Мы подняли частоту FSB с 200 МГц (стандарт) до почти 310 МГц. На языке маркетологов частота FSB составляет FSB1233.

После часа работы на деталях вокруг радиатора процессора образовались кристаллы льда.

Ледяной холод: температура охлаждающей головки ниже -190°C

Пополняем запасы азота во время тестирования (промежуточная ёмкость).

Теперь заливаем непосредственно в головку охлаждения.

Высокая скорость: FSB на 330 МГц, память на 285 МГц (DDR550)

Важным аспектом “разгона” является отношение между частотами FSB и шиной памяти. Как показали наши эксперименты за последние недели, синхронная работа (идентичные частоты FSB и шины памяти) возможна только с памятью DDR550 на частоте 285 МГц. Поскольку в нашем распоряжении были процессоры P4 только с фиксированным множителем, нам было необходимо поднять частоту FSB для достижения отметки выше 5000 МГц. Сегодняшние процессоры P4 работают на стандартной частоте FSB 200 МГц. Чтобы достичь тактовой частоты 5 ГГц нам нужна частота FSB 294 МГц.

Примечание: на различных процессорах P4 можно выбирать множитель между 2,0 и 17,0. Таким образом, достичь синхронной работы между FSB и шиной памяти не представлялось возможным. То есть, на рынке нет модулей памяти, которые могли бы работать на такой высокой тактовой частоте. С помощью изменения отношения частот до 3:2 (FSB к памяти) мы смогли работать с модулями Corsair (DDR550) – при 5255 МГц на 206 МГц.

Абсолютный предел: память Corsair DDR550 на 285 МГц в режиме CL3.

Дефицит, но мы достали: память DDR550 от Corsair.

1 Гбайт памяти (DDR550) для экстремального “разгона”.

Фаза подготовки: частота FSB 330 МГц – и стабильная система!

По-прежнему, верно: выбор процессора

Стандартный P4 на 3 ГГц (FSB800) предназначен для напряжения питания 1,525 вольт. При росте тактовой частоты качество сигналов в процессоре ухудшается. С помощью постепенного увеличения напряжения возможно улучшить поведение переключения транзисторов и достичь более высоких тактовых частот. Однако это также означает, что некоторые транзисторы будут работать за пределами своих спецификаций, что существенно снижает их срок жизни. Кроме того, повышение напряжения увеличивает энергопотребление, так что тепловыделение возрастает в квадратичной зависимости. Эффект виден сразу: процессор значительно нагревается и требует специального охлаждения.

Как показали наши лабораторные исследования, повышение напряжения ядра выше 1,880 В не приводит к улучшению стабильности работы.

Заключение: 5,25 ГГц – охлаждение жидким азотом позволило установить новый рекорд скорости

Наши ожидания были высоки и оправдались: команда THG смогла “выжать” больше 5 ГГц из отобранного процессора Intel P4. В ходе тестирования мы проверили 10 различных процессоров P4 на их способность к “разгону”. Мы также использовали модифицированную плату Asus (P4C800-E), которая использовала четырёхфазный стабилизатор напряжения, позволивший выставлять экстремальные значения напряжения. Стандартная версия этой платы оснащена всего лишь трёхфазным стабилизатором. В любом случае, он позволяет достичь почти 90 ампер при полной нагрузке (по спецификациям VRM). Когда мы серьёзно “разогнали” процессор, мы достигли тока в 96 ампер, который значительно нагрузил даже модифицированный стабилизатор напряжения Asus P4C800-E.

Наконец, с помощью постепенного увеличения частоты FSB с 200 МГц (настройка по умолчанию) до 309 МГц, мы достигли рекорда по частоте 5255 МГц. Фиксированный множитель создал проблемы на всех протестированных нами процессорах P4: его можно изменять в диапазоне от 2,0 до 17,0. Таким образом, достичь синхронной работы FSB и памяти не представлялось возможным. Дело в том, что памяти DDR, которая может работать на частоте 309 МГц, не существует. В результате нам пришлось выставлять разделение частот 3:2 (FSB к памяти), и мы получили частоту памяти 206 МГц. Таким образом, у модулей Corsair DDR550 есть достаточный запас – до этого мы смогли их запустить на 285 МГц (режим CL3). Для сравнения: синхронная работа на 285 МГц приведёт к частоте процессора 4 875 МГц – недостаточно для наших нужд. Следует отметить, что, по нашим измерениям, производительность памяти в асинхронном режиме оказывается примерно на 15 процентов ниже, чем при синхронной работе. Подобное падение наглядно демонстрирует, что для достижения максимальной производительности вам нужно смотреть не только на тактовую частоту процессора.

При полной нагрузке, учитывая максимальное тепловыделение процессора почти в 175 Вт, мы смогли опустить температуру головки охлаждения ниже -190°C. Подобный рекорд не может побить ни одна компрессорная система охлаждения.

Ещё одно наблюдение для фанатов экстремального “разгона”: абсолютная стабильность системы наблюдалась при тактовой частоте 4700 МГц.

Команда THG за работой.