Производительность процессоров стремительно растет, увеличиваются их вычислительные мощности — а в результате возрастает выделяемое ими количество тепла, и все более остро встает вопрос об охлаждении компьютерных чипов. Новый высокоэффективный и почти бесшумный метод охлаждения процессоров работает за счет ветра, создаваемого потоком ионов.

Традиционные средства охлаждения процессоров: пассивный (с радиатором) и активный (с вентилятором)
Ближе к экзотике: кулер на фазовом переходе
Экспериментальная установка в лаборатории Kronos Advanced Technologies
Принципиальная схема работы «ионного» кулера
Инфракрасная микрофотография работающего кулера

Наиболее простой и даже древний способ охлаждения заключается в увеличении площади поверхности: известно, что слонам большие уши нужны именно для охлаждения своего объемного тела. Точно таким же образом можно отводить тепло от процессора, установив на него специальный радиатор — массивную металлическую деталь с большим количеством пластин, значительно увеличивающих площадь поверхности устройства. Как правило, радиаторы изготавливают из меди или алюминия (эти металлы обладают сравнительно высокой теплопроводностью и невысокой стоимостью). К преимуществам пассивного охлаждения следует отнести простоту, технологичность и полную бесшумность. Однако основной его недостаток — невозможность рассеивать большое количество тепла за небольшое время. Сами по себе радиаторы уже неспособны обеспечить охлаждение современных микропроцессоров — для этого им необходима помощь вентилятора.

В большинстве современных компьютеров необходимый отвод тепла обеспечивается за счет воздушного потока, создаваемого вентиляторами. Как правило, используется комбинированная схема охлаждения, в которой воздушный поток направляется на металлический радиатор. Подобное совмещение активного и пассивного методов охлаждения позволяет увеличить отвод тепла на порядки по сравнению с обыкновенным радиатором. Но главный (мы все его чувствуем на себе) недостаток вентиляторов — шум, который они издают во время работы. Кроме того, они рано или поздно ломаются, и их приходится менять — в отличие от абсолютно бесшумных и практически вечных радиаторов.

Несколько менее популярным и более экзотичным методом является водяное охлаждение. По сравнению с воздухом, вода обладает гораздо большей теплоемкостью, поэтому она может отводить намного больше тепла за единицу времени. Как правило, системы жидкостного охлаждения построены по очень нехитрой схеме: небольшой насос прокачивает воду по замкнутому кругу, в результате чего она сначала проходит мимо процессора, забирая у него тепло, а потом остывает в радиаторе, который обычно располагается вне системного блока. Водяное охлаждение чипов не получило широкого распространения ввиду дороговизны и сложности этого метода. Водяные насосы несколько тише, нежели вентиляторы, однако и в них содержатся движущиеся части, что негативно сказывается на долговечности и надежности подобных систем.

Совершенно новый подход к жидкостному охлаждению предложила компания nanoCoolers, разработчики которой догадались использовать в качестве рабочей жидкости расплавленный металл, а именно — довольно хитрый сплав, состоящий преимущественно из индия и галлия (последний переходит в жидкую фазу уже при 30,1ОС). Такая «металлическая жидкость» обладает большей теплопроводностью, чем вода, но главное — ее можно прогонять по трубкам с помощью электромагнитных сил, и необходимость в механическом насосе отпадает. Однако ввиду высокой стоимости подобных систем, пока они не могут претендовать на роль массовой альтернативы привычным кулерам.

Пожалуй, наиболее экзотическими видами жидкостного охлаждения являются системы, в которых компьютер полностью погружается в жидкость, практически не проводящую электрический ток — например, в масло. По совершенно очевидным причинам, большинство пользователей никак не могут воспользоваться этим методом. Существуют также системы охлаждения, работающие на фазовом переходе: при резком расширении и рабочее вещество переходит из жидкого состояния в газообразное и, в соответствии с законами термодинамики, охлаждается. На этом принципе работают современные холодильники и кондиционеры, а некоторые производители сумели приспособить его и для охлаждения компьютерных компонентов. Кулеры на фазовом переходе являются очень мощными, но весьма дорогостоящими устройствами: пользователям-энтузиастам приходится платить за них многие тысячи долларов.

Каждый из перечисленных методов обладает своими преимуществами и недостатками — одни слишком дороги, другие недостаточно производительны, а третьи отличаются низкой надежностью и высоким уровнем шума. Поэтому вопрос о создании дешевого и простого устройства, способного эффективно охлаждать современные процессоры, по‑прежнему остается открытым. Компания Kronos Advanced Technologies утверждает, что ей удалось приблизиться к решению этой задачи. Устройство, которое разрабатывается в Kronos, использует ионный ветер от коронного разряда, появляющегося вокруг заряженного проводника за счет ионизации окружающей среды, жидкой или газообразной.

Наряду с радиоизлучением, коронные разряды являются одним из основных источников потерь энергии при транспортировке электричества по высоковольтным линиям. Вместе с тем, коронный разряд нашел широкое применение в индустрии фотокопирования, системах кондиционирования и очистки воздуха и многих других устройствах. О том, что с помощью ионизации воздух можно заставить двигаться в нужном направлении, ученые знают уже довольно давно: первым исследователем, отметившим движение воздуха возле заряженной трубки был английский экспериментатор Френсис Хоксби, живший аж три века назад. Именно этот феномен лежит в основе тех разработок, которые ведет компания Kronos.

«Коронный кулер» работает следующим образом. На кончике катода, расположенного с одной стороны процессора, создается мощное электрическое поле, из-за чего молекулы азота и кислорода в воздухе ионизируются, приобретая положительный заряд и устремляясь к аноду на противоположной стороне. При этом они сталкиваются с нейтральными молекулами воздуха, сообщая им свой момент движения. В результате образуется эффективный воздушный поток, направленный от катода к аноду — он-то и охлаждает процессор, безо всякого вентилятора.

Преимущества этого подхода совершенно очевидны: коронный кулер не имеет движущихся частей, работает абсолютно бесшумно, и отличается неплохой экономичностью, а также является очень простым и компактным устройством. По словам Игоря Кричтафовича (Igor Krichtafovitch), размер созданных в настоящий момент прототипов не превышает нескольких кубических миллиметров, при этом они вполне способны обеспечить достаточное охлаждение процессора средней мощности. Коммерческий запуск таких охладителей может состояться уже через два года.

По информации The Future of Things