Охлаждение жидким азотом: первый опыт

14 сентября 2007, пятница 03:17
Ice? Нет, не Ice. LN2!

Вступление

Об экстремальных видах охлаждения, как ни о каких других, всегда возникает довольно много споров и вопросов. Одно только обсуждение того, что именно считать экстремальным охлаждением, занимает не один десяток веток на форумах разных сайтов. Мнений на этот счет множество. Одни считают экстремальной любую систему охлаждения, способную охладить кристалл ниже комнатной температуры. Другие придерживаются мнения, что экстремальными можно считать только системы охлаждения, позволяющие достигнуть температур ниже нуля по цельсию. Третьи вообще считают экстремальными все системы охлаждения, при использовании которых есть вероятность выхода из строя железа. Как бы то ни было, все виды охлаждения связанные с использованием жидкого азота, бесспорно относятся к виду экстремальных.

Второй часто задаваемый вопрос: зачем же вообще нужно использовать данный вид охлаждения? Здесь вспоминается известный спор "фреонщиков" и "стаканщиков" об эффективности систем охлаждения и практической полезности их использования. Первые утверждают, что использование сухого льда/жидкого азота неоправданно дорого и позволяет эксплуатировать разогнанную систему считанные часы, пока не кончится "топливо". Вторые, в свою очередь, оппонируют тем, что их системы охлаждения позволяют добиться более низких температур, а систему совсем не обязательно заставлять работать в таком режиме круглые стуки, повседневно достаточно "хорошего воздуха" или СВО, а уже во время бенчинг-сессий для получения рекордных результатов нужно использовать более серьезное охлаждение.

Однако не только жажда рекордов и попадания в верхние строчки рейтинговых таблиц движет оверклокерами, использующими экстремальное охлаждение. Желание экспериментировать, познавать возможности железа, способность его работы при низких температурах является движущей силой, заставляющей оверклокеров менять охлаждение на все более и более эффективное.

Начало работы

Всерьез подумывать об экспериментах с экстремальным охлаждением я стал после сдачи летней сессии. Очередной курс был позади, впереди было лето, напряга на работе особого не было и я решил обязательно за лето сделать что-нибудь интересное, чтобы потом, как говорится, не было мучительно больно за бесцельно прожитые летние месяцы . К моддингу у меня особой тяги нет, проекты других смотреть интересно, а вот творить что-нибудь свое нет желания, поэтому было решено "грейдить" систему охлаждения.

Сначала были задумки о создании водянки, охлаждающей единым контуром процессор, видеокарту, северный мост и блок питания, так, чтобы единственными вентиляторами в компьютере были вентиляторы, обдувающие радиатор СВО. Но потом все-таки эта затея была оставлена и я остановился на более прогрессивной и интересной на мой взгляд идее создания процессорного стакана под сухой лед/жидкий азот. Об этапах претворения в жизнь этой идеи повествуется ниже.

Стакан и крепление

Стакан является самой важной составляющей данного вида охлаждения, поэтому первым этапом является продумывание конструкции стакана. И хотя, по словам одного известного оверклокера, "производительность стакана на 90% зависит от того, кто его использует", эффективность также в немалой степени зависит от конструкции.

Стакан было решено делать медным, алюминиевый вариант не рассматривался в силу относительно низкой теплопроводности материала и, как следствие, более низкой эффективности. Стакан предполагалось сделать универсальным, поскольку еще было неизвестно, что можно будет найти в нашем городе: сухой лед или жидкий азот. Затем стоило определиться, какого типа будет стакан: паянный или цельный. Для первого необходимо было найти медную трубу, к которой потом припаивается основание, для второго - цилиндрическую болванку из которой стакан будет вытачиваться. Как оказалось, найти медную болванку в нашем городе гораздо проще, чем трубу, поэтому я остановился именно на этом варианте. После непродолжительных поисков, была приобретена медная цилиндрическая болванка: медь М1, диаметр основания 79мм, длина 202мм, вес ~9кг.

Медная заготовка
После изучения множества форумов я решил остановиться на внутренней структуре стакана ступенчатого вида а-ля MousePot. Внутри стакана вытачивается цилиндр, который ближе к основанию заканчивается ступеньками для увеличения площади поверхности. Такая конструкция сочетает высокую эффективность и относительную простоту изготовления. По совету знающих людей основание стакана было сделано довольно толстым. Такой шаг позволяет увеличить инерционность работы стакана и предотвратить сильные скачки температуры в моменты добавления охладителя в стакан. В итоге был нарисован чертеж будущего стакана и его 3D-модель.

Чертежи будущего стакана
Найти токаря для выточки стакана проблемы не составило. Договаривался я через родственника, который работает в организации, занимающейся обработкой металлов. Через пару недель стакан был готов, оставалось только его немного довести до ума. Можно сказать что выточка обошлась мне практически бесплатно, в оплату ушла только стружка, за что родственнику большое спасибо . Вес получившегося стакана ~2кг, внутренний объем ~425мл. Основание стакана было отполировано, для этого потребовалась паста ГОИ и несколько часов времени. В итоге получился следующий девайс:

Фото стакана #1

Фото стакана #2

Фото стакана #3

Фото стакана #4

Фото стакана #5

Фото стакана #6

Фото стакана #7
Крепление было сделано из 9-слойной фанеры. Варианты из текстолита или оргстекла были отброшены в силу трудности обработки первого и хрупкости при отрицательных температурах второго материала. В фанере было высверлено отверстие под диаметр стакана, так, чтобы после надевания на стакан за счет выступа обеспечивался прижим. С обратной стороны материнской платы крепилась backplate тоже из фанеры, обе они стягивались шпильками. Крепление было сделано совместимым с сокетами 478,775,754,939,940,AM2 для этого были сделаны необходимые отверстия.

Комплект крепления
Жидкий азот и сосуд дьюара

Искать "топливо" для будущих экспериментов я стал параллельно с обдумыванием конструкции стакана. По правде говоря, сначала я предполагал использовать вместо жидкого азота сухой лед. Его, как я поначалу думал, будет проще достать и для него не надо покупать никакие специальные емкости, типа сосуда дьюара для азота. Продолжительные поиски сухого льда результатов не дали и тогда ничего не оставалось как переключиться на поиски жидкого азота. Вскоре была найдена контора, где жидкий азот можно было приобрести. Единственной проблемой было то, что ни в какую другую тару, кроме сосуда дьюара азот не отпускали, поэтому пришлось озадачиться его приобретением.

Как оказалось, найти дьюар в нашей провинциальной столице весьма проблематично. Конечно продавались новые сосуды, но приобретать 6-литровый дьюар за 13-15 килорублей у меня совсем не было ни желания, ни средств. Напряженные поиски заняли месяц, но все-таки они увенчались успехом, недаром говорится кто ищет, тот всегда найдет . Был приобретен 16-литровый сосуд дьюара СК-16, произведенный еще в далеком 1988 году.

Сосуд дьюара

Сосуд на 16 литров, а вмещает 17,5
Товарищ, у которого был приобретен сосуд, оказался весьма продвинутым в вопросах криогенного охлаждения и общение с ним оказалось весьма полезным. Во-первых, он мне назвал еще одно место, где можно приобрести азот. Во-вторых, дал несколько практических советов по использованию азота, в том числе рассказал способ долговременного хранения азота. Как известно, даже при нахождении в сосуде дьюара, азот медленно, но верно кипит и испаряется. Скорость испарения зависит от модели сосуда и обычно указывается в его технических характеристиках. Среднее значение – несколько десятков грамм в час, однако этого хватает чтобы за пару недель содержимое 15-16-литрового сосуда полностью испарилось. Было предложено в горловину сосуда вставлять конус из плотной бумаги "острием" внутрь. Поскольку бумага не будет герметично закрывать сосуд, то можно не бояться повышения давления в сосуде и вероятности взрыва. При этом испаряться и покидать дьюар будет меньше газа, и жидкий азот сможет храниться в сосуде дольше.

Подготовка материнской платы и теплоизоляция стакана

Правильная подготовка материнской платы для экспериментов с жидким азотом очень важна, если нет желания "убить" материнку. Основной опасностью здесь является появление конденсата на поверхности платы. Если место его выпадения неудачное, то можно запросто спалить материнку. Например, достаточно попадания одной капли и кратковременного замыкания ножек одного из мосфетов VRM-модуля CPU на материнской плате и плату с процессором можно смело выкидывать в мусорное ведро. Для избежания таких ситуаций околосокетное пространство покрывают каким-нибудь диэлектрическим лаком. Используют различные средства, от подручных вазелина и лака для ногтей до специальных лаков для радиоэлектронной аппаратуры. Мной был использован диэлектрический лак Cramolin Plastic в виде спрея. На плате предварительно были заклеены все разъемы, сокет и все места, куда попадание лака нежелательно. Плата была покрыта с обеих сторон один раз целиком и второй раз было покрыто только околосокетное пространство. Теперь можно уже не бояться выпадения конденсата или попадания воды на работающую плату.

Теплоизоляция стакана и материнской платы также играет немаловажную роль в процессе охлаждения жидким азотом. Правильная теплоизоляция материнской платы препятствует доступу воздуха к поверхности платы и, таким образом, препятствует выпадению конденсата. Теплоизоляция стакана позволяет уменьшить потери тепла через боковые стенки стакана и тем самым увеличить КПД.

Среди теплоизоляционных материалов широко применяют K-Flex, Armaflex, неопрен и другие материалы. Из всего разнообразия материалов был выбран K-Flex марки ST. Выбор обусловлен тем, что данный материал предназначен для использования при температурах до -200 °С, обладает невысокой теплопроводностью, которая при уменьшении температуры уменьшается. К тому же нашлась фирма-представитель в нашем городе. Учитывая размеры стакана и внешние условия, специалисты этой фирмы рассчитали, что идеальная толщина теплоизоляции на стакане в моем случае должна составлять около 100мм (и это при диаметре стакана 75мм!!). При такой толщине, температура на поверхности будет равна комнатной и никакого конденсата гарантированно не выпадет. В этом случае не потребуется даже обдува. С учетом обдува толщина теплоизоляции может быть снижена до 30 мм. В итоге, после консультации со специалистами, был приобретен 1 м2 листового 6-мм к-флекса. Из этого куска была сделана теплоизоляция материнской платы и стакана.

На плату теплоизоляция накладывалась слоями, по типу бутерброда. Первым делом, с учетом свободного пространства вокруг сокета, был вырезан первый нижний слой. В центр самого разъема был помещен кусочек теплоизоляции толщиной в несколько миллиметров. Это было сделано для того, чтобы в разъеме осталось как можно меньше воздуха.

Первый слой теплоизоляции на mobo

С установленным процессором
С обратной стороны платы был проложен слой теплоизоляции, помещена backplate и вставлены шпильки.

Крепление - вид сзади
Затем еще два слоя были сделаны с лицевой стороны материнской платы – те слои, куда вставляется конусная часть стакана.

Посадочное место под стакан готово

Стакан установлен
Всего с лицевой стороны платы было сделано 9 слоев теплоизоляции. В итоге получилась некая бутербродоподобная конструкция.

На плату "надето" 9 слоев теплоизоляции

Такой бутерброд из теплоизоляции не даст плате замерзнуть
Сверху на стакан была насажена вторая часть крепления. Вся конструкция была затянута гайками, таким образом, чтобы обеспечивался достаточный прижим и не было перекоса стакана.

Гайки затянуты, стакан зафиксирован
На сам стакан была "рулетом" намотана теплоизоляция в 4 слоя, последний слой которой был покрыт изолентой для надежности.

И на сам стакан нашлась шуба

Первый запуск

К первой пробной Azot Party все было практически готово, оставалось только продумать некоторые мелочи. Надо было придумать какую-нибудь промежуточную емкость для жидкого азота, поскольку наливать из дьюара сразу в стакан крайне неудобно, хоть и возможно. Сначала я думал для этих целей использовать обыкновенный термос со стеклянной колбой, но потом передумал. После наливания азота в этот термос, он подозрительно начал хрустеть, и я испугался за его надежность, колба в нем спокойно могла треснуть, ведь он не был рассчитан на подобные температуры. В итоге во время первых испытаний были использованы пенопластовые стаканчики для мороженного. Толщина стенок у каждого такого стаканчика несколько миллиметров и, если вложить друг в друга пять таких стаканчиков, то холод сквозь них практически не чувствуется и они вполне пригодны для азота. В будущем же я решил озадачиться поиском металлического термоса для этих целей.

Подобные эксперименты обычно удобнее проводить вдвоем или даже целой командой. Во-первых, сосуды дьюара бывают на 30 и более литров, и полные азота они очень прилично весят. Если с 16-литровым, как у меня, нетрудно управляться в одиночку, то постоянно тягать в течение нескольких часов 30-литровый сосуд одному человеку весьма напряжно. Во-вторых, во время бенчинга можно распараллелить функции: один человек может заниматься доливкой азота в стакан, а второй уже собственно разгонять систему. Ассистировать мне вызвался добровольцем Алексей Сергеев aka [AvAtAr], который хотел получить опыт "общения" с данным видом охлаждения.

Целью первых полевых испытаний ставилось получение первого опыта работы с данным типом охлаждения, определение подводных камней. Сперва необходимо освоить тонкости работы с жидким азотом, посмотреть, как железо будет работать при низких температурах, а уж потом гнаться за рекордными результатами. Поэтому с материнской платы пока были сняты вольтмоды и в качестве подопытного был взят относительно старый процессор на ядре Prescott. В итоге был собран стенд следующей конфигурации:
Процессор: Pentium 4 630 (Prescott, 3.0 ГГц)
Материнская плата: Asus P5B Deluxe, BIOS 1004
Память: 2x1024 Rendition DDR2-667
Видеокарта: S3 Virge PCI
Винчестер: Seagate ST340014A 40GB
Блок питания: Chieftec CFT-560-A12S, 560W

На воде этот процессор проходил тесты на частоте 4,5-4,7 ГГц, максимальная частота, на которой можно было снять suicide screen составляла 5051 МГц. Под азотом при реальном напряжении 1,66В процессор способен выполнять тесты на 5,3-5,5ГГц, максимальный скрин был получен на частоте 5697 МГц. Температура процессора опускалась до 130 градусов ниже нуля. Наперед скажу, что во время следующей бенчинг-сессии, когда на мать был сделан вольтмод, в тестах на данном процессоре по рейтингу HWBot.org удалось занять 6 первых и 1 второе место . Максимальная частота, которой удалось достигнуть, составила 6365 МГц, что является неплохим результатом для данного ядра.

Подробно описывать процесс разгона смысла особого не вижу, поэтому остановлюсь только на некоторых особенностях, с которыми пришлось столкнуться. Во-первых, поначалу оказалось достаточно непросто научиться правильно наливать жидкий азот в стакан. При кипении азота на поверхности появляется большое количество пузырей. Поэтому при доливании азота, даже если стакан наполовину пуст, из-за пузырей уровень азота может высоко подняться и азот может начинать выплескиваться из стакана. Зрелище, когда во время работы жидкий азот выплескивается на материнскую плату и с громким шипением испаряется, не для слабонервных . Навык правильной дозировки и аккуратного наливания азота пришел позже.

Второй проблемой стало локальное промерзание материнской платы. Примерно через 20-30 минут после начала работы материнская плата выключилась и включаться не захотела. После осмотра было обнаружено, что дроссели и конденсаторы цепи питания процессора в верхней части платы (там отсутствует один слой теплоизоляции чтобы мосфеты не перегрелись) промерзли. Дроссели были покрыты миллиметровым слоем инея. Обычно в таких случаях замерзает электролит в конденсаторах, но на данной материнской плате конденсаторы в цепи питания процессора твёрдотельные полимерные, которые по идее замерзнуть не могут. Как бы то ни было, пришлось феном прогревать это место, только после этого плата смогла запуститься. Чтобы в дальнейшем этой проблемы не возникало, был установлен дополнительный вентилятор на обдув этих элементов.

Других особых проблем не возникало, ColdBug у данного процессора отсутствует, так что с этим проблем тоже не было. Действо это проходило в течение трех часов, затем теплоизоляция со стакана была снята и он был оставлен согреваться. Жидкий азот был использован не весь, часть его была оставлена на следующую бенчинг-сессию.

Ниже представлены фотографии, иллюстрирующие процесс разгона:

Стенд, вид спереди

Стенд, вид сбоку

Стенд, вид сверху

Первая порция жидкого азота отправлена в стакан

Вот так кипит жидкий азот

Дозаправка стакана

Верх стакана заледенел, вывод – надо лучше обдувать

Иней там, куда не достают воздушные потоки вентиляторов

Пальцы туда лучше не совать ;)

Весь азот выкипел, стакан начинает потихоньку согреваться

Промерзший стакан со снятой теплоизоляцией

В комнате +20 °С, а внутри самый настоящий снег

Традиционный "коктейль оверклокера"

P.S. Выражаю огромную благодарность всем тем, кто советом или делом помог воплощению всей этой затеи в жизнь.

С уважением, Юра "danmer" Таболин

Полезные ссылки:
FAQ по LN2&DI
Советы по изоляции/теплоизоляции: тут, тут, тут и тут
Технические характеристики K-Flex ST
Технические характеристики Cramolin Plastic
Чертежи стакана в формате Компас-3D V7

Тухлые помидоры и яйца выдают при входе в эту ветку.
Оценитe материал

Возможно вас заинтересует

Сейчас обсуждают