Температура процессора без термопасты

Наверное, уже не найти человека, который бы интересуясь компьютерным железом, не знал, что такое термопаста. В настоящее время термопаста стоит в одном ряду со всеми важными комплектующими ПК. Ассортимент ее велик, есть крутая термопаста, а есть не очень, бывает очень дорогая, но есть и дешевая, для геймеров и для простых смертных. В общем спрос большой и производители с маркетологами стараются как могут.  А давайте представим мир, в котором термопаста закончилась…

Процессор, который греется

Процессор персонального компьютера (ПК) во время работы выделяет некое количество тепла, которое приводит к его нагреву. При этом максимально-допустимая температура кристалла процессора ограничена определенным значением. Для современных процессоров это значение составляет около 100°С.

Здесь и далее условно будем считать, что кристалл и крышка процессора представляют собой монолитную конструкцию и именно эту конструкцию будем называть процессором.

Что бы процессор не перегрелся, выделяемое им тепло надо непрерывно рассеивать в окружающее пространство с условием, что температура «камня» не превысит допустимую. Для охлаждения «главного мозга» ПК используют кулеры (охладители), которые отбирают тепло от его поверхности и передают его в окружающую среду, так как сам процессор из-за небольших размеров не в состоянии сделать это без превышения допустимой температуры.

Даешь тепловой контакт

Для того, чтобы тепло беспрепятственно передавалось от процессора к кулеру, между ними требуется создать хороший тепловой контакт, который обеспечит минимальное тепловое сопротивление.

Для уменьшения теплового сопротивления между процессором и кулером необходимо, что бы их площадь соприкосновения друг к другу была максимально возможной. Для этого они должны быть идеально ровными, или идеально повторять контуры друг друга, что бы при их прижатии не оставалось воздушных зазоров.

Выпуклая или впуклая — что лучше?

В реальности достичь такой ровности не получается. Например, поверхность процессора может быть относительно ровной, а поверхность основания кулера вогнутой или выгнутой, или иметь микронеровности. Ниже на рисунке показаны варианты неровностей. А воздушные зазоры показаны штриховкой.

В реальности все это имеется в некоторой совокупности. И хотя на рисунке поверхность процессора показана идеально ровной, это не совсем так. Соприкасаемые поверхности всегда имеют микронеровности и при этом могут быть вогнутыми или выгнутыми, да еще и в противоположные стороны. Наличие воздушного зазора многократно увеличивает тепловое сопротивление, даже если этот зазор будем размером с десятую долю миллиметра. Ведь теплопроводность воздуха на несколько порядков хуже, чем теплопроводность металлов.

Например, теплопроводность алюминия составляет около 240 Вт/м*К, меди 390 Вт/м*К, а воздуха всего 0,025 Вт/м*К, что в 10000–20000 раз меньше. 

Термопаста и воздушные зазоры — скока вешать в граммах

Именно воздушные зазоры и заполняются термопастой. Надо сказать, что теплопроводность термопасты хоть и ниже теплопроводности того же алюминия, но гораздо выше теплопроводности воздуха, а на безрыбье, как говорится, и термопаста — алюминий.

Широко применяемые термопасты имеют теплопроводность от 1 до 10 Вт/м*К и даже выше, что в 100 раз лучше теплопроводности воздуха. Например, популярная термопаста Arctic Cooling MX-4 имеет теплопроводность 8.5 Вт/м*К.

Термопаста Arctic Cooling MX-4 (2019)

В идеале количество термопасты должно соответствовать объему воздушного зазора. Если термопасты окажется больше, то объем зазора увеличится, а значит увеличится и тепловое сопротивление, а если меньше, то просто-напросто останутся воздушные полости.

Давайте ставить опыты

Проведем несколько экспериментов и узнаем, как меняется температурный режим процессора с термопастой и без нее.

И так, типичный кулер на четырех тепловых трубках. Основание-теплосъемник кулера выполнен из алюминия. Медные трубки запрессованы в основание и слегка приплюснуты. Затем поверхность обработана фрезой для придания ровности. Именно эта поверхность должна обеспечить хороший тепловой контакт с процессором.

На первый взгляд поверхность теплосъемника достаточно ровная. Медные трубки имеют прямой контакт с крышкой процессора. Казалось бы — ничто не мешает передаче тепла от процессора на кулер. Но так ли это на самом деле? Давайте узнаем.

Установим кулер на процессор без применения термопасты, а затем с термопастой. В качестве подопытного у нас процессор Intel I5-8400. Термопаста Arctic Cooling MX-4.

Процессор Intel Core i5-8400 OEM [LGA 1151-v2, 6 x 2800 МГц, L2 – 1.5 МБ, L3 – 9 Мб, 2хDDR4-2666 МГц, Intel UHD Graphics 630, TDP 65 Вт] 12 999 * 230  383

Тесты проводились в корпусе с открытой боковой крышкой. Температура в помещении 26–27°С. Процессор нагружался тестами из AIDA.

Значения температуры процессора при фиксированной потребляемой мощности и разных оборотах вентилятора кулера показаны на графике.

Температура процессора меняется при разных оборотах вентилятора как при использовании термопасты, так и при ее отсутствии, это значит, что тепло передается на кулер, а затем и в окружающую среду. Но максимальная температура процессора без применения термопасты достигает 88°С, а при использовании термопасты не превышает 64°С. Разница составила 24°С.

Это говорит о том, что воздушный зазор таки есть и его достаточно, чтобы создать заметное тепловое сопротивление.

Рассмотрим поверхность основания кулера более внимательно:

Так и есть, поверхность основания вогнута. И это только то, что удалось рассмотреть невооруженным глазом. Предполагаю, что зазор составляет около 0.1 мм (ну на глаз конечно).

Более того, при снятии кулера, на его основании, при внимательном рассмотрении, были обнаружены следы соприкосновения с процессором без термопасты. Расположение этих отпечатков (ниже на фото показано стрелками) говорит о том, что основная передача тепла от процессора к кулеру происходила по углам процессора. Это подтверждает и отпечаток при использовании термопасты — на углах крышки процессора ее слой меньше, чем в центре. 

Заполнив этот зазор, а заодно и невидимые микронеровности термопастой, удалось уменьшить тепловое сопротивление и выиграть около 24°С температуры.

Было решено провести подобный эксперимент еще с одним кулером. Из доступных на момент проведения тестов оказался вот такой:

Небольшой горизонтальный кулер примечателен тем, что имеет медный сердечник и тепло от процессора передается к сплошной медной поверхности. Каких-либо заметных неровностей медного основания обнаружено не было. А вдруг ему не требуется термопасты? Или так не бывает?

Итак, устанавливаем, измеряем, строим графики.

Разница температуры процессора при использовании кулера с термопастой и без составляет порядка 20°С. Значит мы опять имеем дело с неровностями, хотя на глаз их и не заметно.

Анализируя показатели можно сказать, что, в любом случае, использование термопасты оправдано, и всегда будет проявляться эффект уменьшения теплового сопротивления. Вряд ли найдется кулер с теплосъемником, поверхность которого будет идеально повторять поверхность процессора и применение термопасты окажется лишним. 

Заключение

Теоретически, если обеспечить тепловой контакт между кулером и процессором без воздушных зазоров, применять термопасту не имело бы смысла. И это был бы наилучший вариант охлаждающей системы. Но на практике подгонять каждую поверхность друг к другу или применять дорогостоящие технологии, обеспечивающие отсутствие неровностей поверхности, нецелесообразно, ибо дорого. Поэтому лучше придерживаться определенных допусков на неровности, которые не требуют больших технологических затрат, но при этом применять термопасту, которая обеспечивает достаточную эффективность при меньших затратах для достижения конечной цели.