Вячеслав Чеверда – кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией энергоэффективных технологий для наземных и космических применений Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, недавно прочел научно-популярную лекцию об охлаждении и ответил на вопросы нашего корреспондента.
– Вячеслав, вы занимаетесь вопросами охлаждения электроники. А электроника – это какие устройства? Компьютеры или что-то еще? И зачем их надо охлаждать?
– Да, в том числе и компьютеры, а также светодиоды, транзисторы, силовые ключи, которые используются для больших мощностей. Процессор – это одна из проблем, на самом деле, например, силовые ключи гораздо сильнее нагреваются. Сейчас появляется все больше электромобилей, в них электроника греется сильнее в разы, в инверторах, конвертерах. А охлаждать их надо, потому что в компьютере при перегреве вы не можете использовать максимально его вычислительные ресурсы, а для машины перегрев опасен тем, что двигатель будет работать не на полную мощность. Кроме того, опасность перегрева состоит еще и в том, что оборудование быстрее выходит из строя, а электроника может и просто сгореть и потребует, естественно, замены.
– И какие есть способы охлаждения?
– В мире сейчас существует несколько решений этого вопроса. Изначально достаточно было воздушного охлаждения. Ставили радиатор, за счет нагрева происходила циркуляция воздуха и возникал эффект охлаждения. Потом добавили вентилятор, но этого оказалось недостаточно, и сейчас ставят так называемые тепловые трубки, которые эффективно отводят тепло. Но в настоящее время и этого мало для охлаждения некоторых аппаратов. Сейчас компьютеры, в том числе и бытовые, переходят на водяное охлаждение. То есть у вас в компьютере стоит специальный насос, который прокачивает жидкость, она охлаждает и процессор, и видеокарту. Другой способ – мини-холодильник. Внутри компьютера устанавливают холодильник, только не такой большой, как на кухне, а поменьше. Все компактное, габаритное. Фреон качается через испаритель на процессоре. Рекорд по охлаждению пока принадлежит все-таки жидкому азоту, он сразу существенно понижает температуру. Но проблема заключается в том, что азот выкипает и заканчивается. Понятно, что все эти системы движутся в сторону увеличения тепловых потоков, и в настоящее время их значение существенно больше, чем в начале развития микроэлектроники. Увеличение теплового потока с электронных компонент вызвано и тем фактом, что происходит уменьшение размера отдельных транзисторов, в связи с этим стоит вопрос об уменьшении системы охлаждения.
– А существуют какие-то более глобальные, чем вот эти местные сложности, проблемы?
– Да, все знают, что есть такое понятие, как парниковый эффект. Но есть и закон Мура, согласно которому каждые два года число транзисторов удваивается. Сейчас мы уже подходим к пределу. В настоящее время глобальная проблема – тепло от компьютеров, многочисленных серверов. Их огромное количество – сотни, тысячи – и каждый компьютер в среднем выделяет 100– 200 ватт, а в совокупности порядка несколько мегаватт тепла выбрасывается в атмосферу. Разумеется, в этом нет ничего хорошего. Это называется тепловой след, и во всех развитых странах стараются его сейчас уменьшить. И одна из идей – это тепло использовать, например, для отопления городков, небольших поселков. Это так называемое зеленое охлаждение. Именно над ним сейчас и работают во всем мире.
– И как охлаждаются суперкомпьютеры?
– Суперкомпьютер – это несколько высокомощных компьютеров, которые объединены высокоскоростной локальной сетью. Огромное устройство, состоящее из модулей памяти, процессоров, плат, объединенных в вычислительные узлы, связанные между собой сетью. Системы охлаждения и бесперебойного питания обеспечивают беспрерывную работу супер-эвм. Весь комплекс может занимать значительные площади и потреблять огромное количество энергии, а следовательно, требует и соответствующего охлаждения. Охлаждается это все воздушной или жидкостной системами, так, например, у нас в Городке применяются и те, и другие. Тепло сначала отводится, а потом сбрасывается в атмосферу. Ну и хорошо бы, конечно, это тепло использовать не для нагрева атмосферы, а для отопления домов, о чем я уже говорил.
– Какую систему охлаждения вы сейчас разрабатываете? Над чем работаете? Это связано с космосом?
– Мы работаем сейчас над двухфазной системой охлаждения, потому что она более эффективна. Двухфазная – это когда движется и жидкость, и газ, жидкая и газовая фазы вместе. И за счёт активного испарения можно ещё больше тепла отводить, чем в случае, когда у нас одна фаза жидкости движется, без фазового перехода. За счёт фазового перехода можно существенно увеличить отводимую мощность. Эту систему охлаждения мы пытаемся применить и в космических аппаратах. Для этого был собран экспериментальный стенд. У нас есть системы подачи жидкости и газа, далее система эвакуации из рабочего участка и оптическая система для наблюдения процессов. Данная установка для испытаний в условиях невесомости была смонтирована в самолете для параболических полетов. Планируется, что жидкость, которая нагревается на космическом аппарате, будет поступать для охлаждения на внешние радиаторы МКС.
На данный момент используются тепловые трубы, они показали высокую эффективность, и электроника охлаждается именно с их помощью. Их преимущество в том, что у них нет насосов, благодаря чему возникают и ограничения. Если вам надо отвести больше тепла, вы не сможете добавить оборотов насосу и таким образом отвести его большее количество, в отличие от нашей системы.
– Насколько я понимаю, проблема теплоотведения весьма актуальна и требует незамедлительного решения?
– Да, но здесь существуют обоюдные решения. Те, кто создают электронику, стараются ее делать так, чтобы уменьшить выделение тепла, используют процессоры, которые позволяют оптимизировать электронику. А мы стараемся, чтобы то тепло, которое все-таки выделилось, эффективно отводилось. Ну, а впереди решение проблемы зеленого охлаждения.
Сергей Завражных
Фото автора
Обратная связь