Vapor Chamber, Downdraft and Blower Style Graphics Card Cooling - Explained

I løpet av de siste årene har vi sett en eksponentiell økning i ytelsen til grafikkort i både spill og profesjonelle applikasjoner. Med forbedringene i arkitekturer og interne komponenter er grafikkort nå raskere enn noensinne og klarer å håndtere selv de mest krevende oppgavene man kan kaste på dem med dagens teknologier. Alle disse forbedringene har gjort det mulig for moderne grafikkort å takle ekstremt krevende oppgaver som 8K og 4K-spill med høy oppdateringshastighet.

Disse forbedringene har ikke kommet uten deres rimelige andel av ulempene. En av de viktigste er den eksponentielle økningen i kraftuttaket vi har sett de siste årene. Kraftuttaket til spillgrafikkort har sakte, men jevnt økt det siste tiåret, og ført til grafikkortene i dag som har TDP-klassifisering på over 300 Watt (ganske forskjellig fra annonserte TBP-rangeringer). Faktisk viser det gjennomsnittlige kraftuttaket til grafikkort det siste tiåret et interessant mønster. Kraftuttaket av kort var høyt i begynnelsen av tiåret på grunn av ineffektive arkitekturer, men senere ble de fleste grafikkort mye mer effektive i jobben sin. I dag ser vi en ny økning i gjennomsnittlig antall trekk på grafikkort.

Gitt, kortene i dag er mye mer effektive enn de var for fem år siden, men de krever fortsatt mer kraft i gjennomsnitt fra veggen enn de eldre kortene. All denne kraften som går til kjernen, øker absolutt kortets ytelse, men det øker også driftstemperaturene til GPU, noe som absolutt er noe som må kontrolleres. I løpet av de siste årene har vi måttet legge stadig større og større kjøler på grafikkortene for å bekjempe dette problemet.

Forbedringer i kjøling

Med økende kraftuttak og deretter økende varmeeffekt, har grafikkortprodusentene måtte improvisere med situasjonen for å løse dette problemet. Borte er de små, fine grafikkortene som kunne ha blitt passivt avkjølt med en enkelt liten kjøleribbe. Tidligere hadde til og med avanserte grafikkort en enkelt vifte over en liten kjøleribbe, og det var nok til å spre varmen fra kortet effektivt. I dag kan man ikke engang tenke på et mellomstore eller rimelig high-end grafikkort som skal kjøles med en enkeltviftekonfigurasjon.

Grafikkort i dag har massive 3-spors heatsinks med store viftskjær som huser 3 fans mesteparten av tiden. Selv om modeller med to vifter også er ganske vanlige i markedet, sliter de med å holde temperaturen i sjakk for kort som er rimelig strømkrevende. De fleste avanserte varianter av moderne grafikkort har også syv eller åtte nikkelbelagte kobbervarmerør som tar varmen fra de varmegenererende komponentene og sprer den jevnt gjennom varmeavlederen. Vifteteknologier har også kommet langt, med moderne vifter utstyrt med flere sensorer som endrer deres oppførsel i henhold til GPU-temperaturen.

Det er derfor ganske interessant å sammenligne de kjøleløsningene som brukes av grafikkort fra fortiden, med de som er i bruk i dag.

Ulike metoder for kjøling

Alt i alt er det tre hovedmetoder for kjøling som brukes av moderne grafikkort, det vil si kjøling i blåsestil, nedkjøling i luften og kjøling av dampkammer. Følgende er fordeler og ulemper ved hver enkelt.

Blower Style Cooler

Viftekjøler er den mest grunnleggende og mest barebones stilen av kjøling som finnes i dagens grafikkort. Dette er også den billigste kjøleren å produsere, og leverer derfor den verste termiske ytelsen ut av alle de forskjellige metodene for kjøling av et grafikkort. Blåserstilkjøler var kjølere som ble brukt av Nvidia og AMD for deres referansedesign-grafikkort i lang tid, men for den nyeste generasjonen grafikkort har begge produsentene kastet blåsekjøler til fordel for de mer effektive trekkkjølere. Viftekjøler har antagelig nådd slutten av levetiden, selv om noen eksempler fremdeles er i produksjon for bruk i ferdigbygde og SI-systemer.

Grafikkort med blåserutforming utvider plastkapslingen rundt kjøleribben og etterlater ingen åpninger mellom PCB og dekselet på sidene, samt på toppen og bunnen av kortet. Den eneste banen for luft er å tvinges rett over PCB mot baksiden av grafikkortet der det er strategisk plasserte ventilasjonshull på I / O-braketten. En enkelt, liten blåsevifte suger opp omgivende luft og tvinger den i høye hastigheter gjennom kortet som blir utvist rett ut av baksiden av kortet. Luften passerer over den integrerte kjøleribben og kretskortkomponentene mens den tar seg gjennom kortet, og kjøler derved komponentene den kommer i kontakt med.

Den største fordelen med blåsekjøling er at den er ganske billig å produsere og finnes derfor på mange varianter av grafikkort på innledende nivå, inkludert de fleste referanseutformingene som AMD og Nvidia har gitt ut gjennom årene. En annen fordel med blåsekjøler er at de driver all varmen direkte ut av saken i stedet for å slippe den inn i saken, og derved varme opp andre komponenter som CPUen din. Dette kan være spesielt nyttig i små formfaktorsaker og PC-er med feil konfigurerte luftstrømssystemer.

Ulempene med viftekjølere er imidlertid flere. Viftekjøler kjører høyt og varmt, og de er ganske ineffektive i driften. I gjennomsnitt vil en blåser-stil variant av et grafikkort gi mye høyere temperaturer enn sammenlignbare nedtrekksvarianter hvis de testes under de samme forholdene. For å kompensere for denne mangelen på kjøleeffekt, må blåserkort kjøre fansen med eksepsjonelt høye hastigheter. Dette resulterer i en utrolig høy støyprofil som ivrige PC-entusiaster definerer som "en jetmotor som gjør seg klar til å ta av". Det er trygt å si at du ikke får et blåserkort hvis du vil spille på en skjult måte.

Åpent luftkjøler

Nedkjølings- eller “open-air” -stilkjøling er den klart mest vanlige og mest vanlige kjøleløsningen som brukes i dagens grafikkort. Downdraft-kjølere tilbyr generelt bedre termisk og akustisk ytelse enn kort i viftestil, men det er noen ting som må tas i betraktning når du bruker en utendørs kjøler.

Nedkjølings- eller friluftskjølere bruker viftene til å ta inn luften fra PC-saken, og skyve den deretter rett ned gjennom den store kjøleribben av metall for å spre varmen fra komponentene. Friluftskjølere er såkalte på grunn av deres relativt åpne viftskjold som er åpent fra sidene og baksiden, slik at luften kan passere fritt fra kortet til det indre av saken, så vel som utsiden av saken gjennom ventilasjonshull. Hovedkonseptet med nedtrekkskjølere er det samme som blåsekjølerne: Luft suges inn av viftene og skyves over varmeavlederen som tar kontakt med de varmegenererende komponentene. Effektiviteten som frilufts- eller nedtrekkskjølere utfører denne oppgaven er ofte mye større enn sammenlignbare blåseapplikasjoner.

Den største fordelen med friluftsdesign er forbedret ytelse i forhold til kortene i blåserstil. Disse kjølerne skyver et stort volum luft over varmeavlederen, og maksimerer derfor varmedissipasjonen fra de interne komponentene på kortet. Videre er selve kjøleplaten ofte mye større på grunn av den 2,7 eller til og med 3-sporskonfigurasjonen som moderne kort finnes i. Midt-varianter av grafikkort har ofte to vifter, mens premiumvarianter nesten alltid har tre vifter å hjelpe legge til rette for varmespredning. Nedtrekksviftene er også mye roligere og mer pålitelige enn vifter.

Det er også et par ulemper som følger med dette designet. For det første er mange av de nedkjølte friluftskjølere dyrere enn baseviftevarianter når det gjelder en bestemt grafikkortserie. Et annet betydelig problem med denne designen er at all den varme luften fra GPU-en blir dumpet rett i saken, noe som kan føre til en temperaturøkning i andre komponenter. Derfor anbefales det å ha utmerket luftstrøm inne i saken med riktig konfigurerte vifter hvis du vil bruke en nedtrekkskjøler. Det beste ville være å unngå disse kjølere i en liten formfaktor tilfelle eller en relativt kompakt konstruksjon. Hvis du vil ha noen anbefalinger for beste tilfeller med høy luftstrøm i 2021, du kan få dem akkurat her.

Vapor Chamber Cooler

Dampkammerkjølere er langt mindre vanlige i moderne grafikkort på grunn av deres relative kompleksitet, men er fortsatt en interessant kjøleløsning. Et dampkammer er en tynn, relativt flat plate som brukes til å spre varme over et bredt overflateareal. Vanligvis påføres en finnestabel direkte på overflaten av dampkammeret for å øke overflatearealet og forbedre varmespredningen. Dampkammeret i seg selv er en hul, vakuumforseglet kobberplate. Dampkammeret er direkte i kontakt med varmekilden, for eksempel GPU, som er kjent som fordamperen i denne konfigurasjonen.

Når fordamperen varmes opp, fordamper væsken i veken til en gass. Den varme gassen utvides for å fylle innsiden av kammeret og når den kjøligere overflaten. Ved kontakt med den kjøligere overflaten kondenserer gassen igjen, derfor kalles den kjøligere overflaten kondensatoren. Den kondenserte væsken føres deretter tilbake til fordamperen gjennom veken for å fortsette syklusen.

Mens metaller som kobber og aluminium er gode til å lede varme, er de ofte ikke den mest effektive metoden for å gjøre det. En faseendring er en overgang fra en form til materie til en annen, for eksempel fra væske til gass og omvendt, og typen kjøling som benytter denne teknikken er kjent som faseendringskjøling. Dampkamre kan overføre en stor mengde termisk energi ved å gå gjennom en faseendring.

Alternativt ville det være mulig å bare bruke en solid kobberblokk for å utføre en lignende oppgave, men designen ville være mye tyngre og dyrere å produsere enn et huldampkammer. Det ville også være tregere i drift enn et dampkammer. Denne reduksjonen i hastigheten på varmeoverføring vil også påvirke ytelsen til GPUen, ettersom den vil beholde mer varme. Varmeledninger er det andre alternativet til kjøling av dampkammer, og de brukes mye i nedkjølte friluftskjølere som er nevnt tidligere.

Hvilken bør du velge?

Mens alle tre kjølerne har sine fordeler og ulemper, er det absolutt et åpenbart valg når det gjelder moderne grafikkortløsninger. De fleste vanlige forbrukere vil være bedre å kjøpe en anstendig nedkjølt friluftskjøler, da den gir den beste prisen for termisk ytelse, samtidig som den er relativt rimelig. Ulike AIB-partnere slipper flere forskjellige modeller for en enkelt GPU, og til og med Nvidia og AMD har nå kastet blåsekjølerne til fordel for mye mer effektive friluftskjølere for den nyeste generasjonen grafikkort.

Dampkamre er en interessant og unik applikasjon, men deres faktiske bruk i moderne grafikkortkjøleløsninger er ganske uvanlig i dag. De ble brukt i AMDs referansegrafikkort i ganske lang tid sammen med en blæser-stilkjøler, men tok egentlig ikke av derfra for å bli vanlige kjøleløsninger. Kølere i blåserstil nærmer seg også slutten av livet, ettersom flere og flere AIB-partnere lanserer rimelige grafikkortvarianter med utmerket kjøling og akustisk ytelse til en rimelig pris.

Det er imidlertid et område der kjølere med blåsestil fortsatt er utbredt. Storskala systemintegratorer eller SI-er som Dell, HP og Lenovo bruker denne stilen for avkjøling til grafikkortene, da det er en relativt billig enhet å skaffe, og den driver ut all varmen rett utenfor saken, så innsiden av saken ikke varmes opp gradvis med bruk av grafikkortet. Forhåndsbygde kjøpere bryr seg ofte ikke så mye om temperaturene og akustikken til grafikkortet, så dette programmet er perfekt for det ferdigbygde økosystemet. Når det gjelder DIY PC-byggere i 2021, bør de bare holde seg til friluftskjølere, ettersom de har flere fordeler og blir billigere og bedre hver dag.