Зачем мы перевели домашний ПК на иммерсионное охлаждение

Привет, SE7EN!

С точки зрения КПД компьютерное «железо» — феноменальная вещь. Весь современный IT-мир базируется на технологиях, которые фактически превращают потребляемую электроэнергию в тепло. Сейчас, когда кремниевые полупроводники практически исчерпали свой потенциал, а дальнейшее уменьшение физических размеров транзисторов и снижение рабочих токов сопряжено с колоссальными трудностями, рост производительности напрямую упирается в энергопотребление. Иными словами, вычислительная мощность ограничена исключительно нашей способностью рассеивать это тепло.

Энтузиасты веками бились над этой задачей, однако с лавинообразным ростом потребности в дата-центрах к процессу подключились смежные индустрии, привнеся свежий взгляд на привычные проблемы.

Именно такой проект и зародился в наших умах (тандем инженера-холодильщика и компьютерного гика). Причем далеко не впервые! В качестве первичной проверки гипотезы мы уже собрали рабочий тестовый стенд на базе ретро-ПК, который исправно функционирует на протяжении всего года.

Но для начала сделаем небольшое лирическое отступление.

Системы охлаждения

Помимо повсеместных и досконально изученных воздушных систем, значительную нишу в высокопроизводительном сегменте занимают разнообразные системы жидкостного охлаждения (СЖО).

СЖО прочно закрепились в ПК-индустрии много лет назад. Водоблоки на центральном и графическом процессорах, помпа, радиатор с вентиляторами на верхней панели полноразмерного корпуса и избыточная RGB-подсветка — ставший классикой джентльменский набор. Плюсы и минусы подобных решений тоже хорошо известны: высокая эффективность и термостабильность, позволяющие реализовать серьезный разгон и длительную работу на предельных мощностях, компенсируются высоким уровнем шума, наличием подверженных износу механических узлов, сложностью монтажа и обслуживания, а также кусачей стоимостью.

Более того, по мере уплотнения вычислительных мощностей в современных дата-центрах и HPC-кластерах (High Performance Computing), СЖО вышли далеко за пределы домашних сборок. Целесообразность их внедрения неоднократно изучалась профильными институтами. Согласно отраслевым исследованиям, порог в 20–25 кВт на серверную стойку служит той вехой, после которой преимущества жидкостного охлаждения становятся очевидными [Источник].

Существует несколько принципиально отличных друг от друга концепций жидкостного охлаждения. Самая популярная — Direct Liquid Cooling (DLC), при которой хладагент циркулирует по водоблокам, смонтированным непосредственно на CPU или GPU. Альтернативный подход — иммерсионное охлаждение, предполагающее полное погружение электронных компонентов в специальный диэлектрический состав. Нас интересует именно второй путь, и сейчас мы объясним почему.

И да, главная цель нашего предприятия — вновь залить электронику маслянистой субстанцией.

Сравнение

Если для индустрии дата-центров стандарты СЖО более-менее сформированы и экономическая целесообразность просчитана, то в сегменте мощных рабочих станций и энтузиастских ПК царит полная неопределенность.

Каждый собирает систему на свой вкус и кошелек. В большинстве сценариев воздушное охлаждение и классический DLC (см. ил.) справляются со своими обязанностями блестяще.

Тем не менее, эксперты сходятся во мнении, что альтернативные технологии охлаждения понадобятся не только для экстремальных и сверхплотных вычислений, но и для обычных ПК — во многом из-за лавинообразного роста тепловыделения современных комплектующих: [Источник 1]; [Источник 2]. Достаточно вспомнить номинальный TDP видеокарты NVIDIA RTX 5090 на уровне 575 Вт с пиковыми скачками до 900 Вт, чтобы понять реалистичность этих прогнозов. Специалисты Uptime Institute рекомендуют задумываться о жидкостных системах для серверов при тепловыделении процессора свыше 300 Вт. Однако если в коммерческом секторе во главу угла ставится окупаемость вычислений, то домашние пользователи руководствуются совершенно иными критериями.

Это вовсе не значит, что воздушные кулеры сдают позиции. Вопрос скорее в том, при каком сочетании факторов — тепловой нагрузки, плотности монтажа, акустического комфорта и продолжительности рабочих сессий — плюсы водяного охлаждения перевешивают чашу весов.

Давайте сопоставим все три технологии и сформулируем исходные гипотезы для наших тестов:
— Воздух абсолютно бесплатен, доступен повсеместно и абсолютно безопасен для электроники при условии надлежащей фильтрации (отсутствие пыли, конденсата и сырости). Однако его теплоемкость относительно диэлектриков крайне мала, система не требует герметичности и привычна каждому.
— Автономные СЖО демонстрируют выдающуюся эффективность, но требуют монтажа громоздких водоблоков на каждый горячий чип, что ухудшает масштабируемость. В качестве теплоносителя здесь выступает дистиллят или растворы на базе пропиленгликоля. Разгерметизация такого контура почти гарантированно ведет к гибели железа, поскольку вода быстро накапливает ионы металлов и превращается в проводник. Помимо этого, они нуждаются в регламентном обслуживании, а зоны материнской платы без точечных водоблоков все равно зависят от воздушных потоков.
— Иммерсионное охлаждение отводит тепло со всей площади погруженных компонентов, а диэлектрическая жидкость стабильна при условии защиты от внешнего мусора. Главное требование — абсолютная герметичность резервуара.

Краткие итоги:

	Тип охлаждения
Критерий	Воздушное	Классическое СЖО	Иммерсионная СЖО
Теплоотводящая способность	Слабая	Сильная	Очень сильная (охлаждаются все компоненты, большая тепловая инерция)
Регулярное обслуживание	Минимальное (очистка от пыли), кулеры.	Помпы, фильтры, жидкость, очистка от пыли.	Помпы.
Ремонтопригодность	Высокая (замена отдельных компонентов в работающей системе, полное резервирование)	Сложная (риск неисправностей, повреждающих остальные компоненты)	Компромиссная (Возможен модульный plug’n’play и резервирование)

Цели и гипотеза проекта:

Гипотеза проекта: Мы предполагаем, что погружное иммерсионное охлаждение способно превзойти традиционные методы в целом ряде практических сценариев.

Рост TDP при сохранении привычной ATX-архитектуры ведет к пассивному перегреву всей периферии: от текстолита материнской платы до модулей памяти и блока питания. Из-за этого внутри корпуса приходится комбинировать радиаторы СЖО и классические вентиляторы для поддержания приемлемого микроклимата. Такая гибридная схема неплохо справляется с процессором и видеокартой, но в режиме непрерывной максимальной нагрузки все равно провоцирует локальные зоны перегрева, троттлинг и сопутствующие проблемы. При всех плюсах перед воздухом, водянки часто шумят громче и хлопотнее в уходе.

Следовательно, иммерсионный комплекс может оказаться более рациональным и результативным решением.

Цель проекта: Сконструировать рабочий прототип погружной системы для ATX-десктопа и на практике сопоставить его показатели с классическим воздушным обдувом.

Критерии оценки:

· Температурный режим CPU;
· Температурный режим GPU;
· Нагрев прочих комплектующих;
· Шумовые характеристики;
· Энергопотребление;
· Габаритные размеры;
· Стабильность функционирования.

Этапы проектирования и задачи:

· Анализ и подбор оптимального диэлектрика;
· Расчет математической модели теплообмена при естественной конвекции;
· Проектирование кастомного герметичного корпуса;
· Трехмерное CAD и CFD моделирование потоков;
· Проработка утилизации тепла от теплоносителя;
· Интеграция контура теплообменников;
· Гидравлический расчет всей системы;
· Подбор комплектующих (помпы, радиаторы, магистрали и т.д.);
· Внедрение автоматики и датчиков контроля телеметрии;
· Сборка опытного образца и запуск первичных тестов;
· Верификация теоретических расчетов на практике;
· Экстраполяция полученных данных на более производительные конфигурации.

Пожалуй, заранее предусмотреть все подводные камни на данном этапе невозможно, но именно эти фокусные точки вызывают у нас наибольший интерес.

Тестовый стенд

Наш самый первый стенд страдал от недостаточного энергопотребления и избыточного объема диэлектрика. Технически он безотказно трудится в режиме пассивного рассеивания уже целый год, но выжать из него полезные метрики для мощного железа не представляется возможным.

В качестве нового «подопытного кролика» выбран старый рабочий ПК одного из участников команды, который с 2016 года трудился как над математическими расчетами методом конечных элементов, так и над банальными бытовыми задачами.

Подопытный

Конфигурация системы:

· Материнская плата: ASUS Z170-A;
· Процессор: Intel Core i5-6600K с разгоном по множителю до 4,1 ГГц;
· Графический адаптер: AMD Radeon HD7990;
· ОЗУ: 4 модуля по 16 ГБ DDR4 на частоте 2400 МГц;
· Накопитель: SATA SSD на 256 ГБ;
· Блок питания: 1 кВт, сертификат 80 Plus Gold.

Пара ремарок о конфигурации: это далеко не флагманское современное решение для игр или работы, однако в стресс-тестах сборка потребляет из розетки около 660 Вт. Видеокарта была специально заменена на более горячую для увеличения тепловой нагрузки. При качественном воздушном охлаждении ПК способен выдавать максимум своей производительности, но гудит при этом как турбина реактивного самолета (токенаризованные замеры мы опубликуем в следующих материалах).

Методология исследований

Для чистоты эксперимента мы сначала прогнали тесты собранного стенда в стандартном закрытом корпусе на воздушном охлаждении.
В дальнейшем аналогичные испытания пройдут для этой же платформы, но уже погруженной в диэлектрическую жидкость внутри разработанного нами корпуса.

Мы зафиксируем предельные температуры, уровень шума и баллы в стандартных бенчмарках.
Нам искренне хочется выяснить, каких результатов можно добиться, если пройти полный цикл от инженерных расчетов до готового «железного» прототипа. Поэтому мы решили вести здесь хронику инженерного дневника и делиться каждым шагом — от формул до итоговых цифр.

Если вам близка тематика термодинамики, гидравлики, CFD-моделирования, охлаждения производительного железа или вы просто фанат создания сложных инженерных устройств с чистого листа — с удовольствием пообщаемся в комментариях.

А в следующей статье мы стартуем с самого начала: детально разберем нашего подопытного, изучим его базовые характеристики под нагрузкой и приведем начальные замеры температур, децибел и энергопотребления.

 

Источник