Termopasta ir jos svarba aušinimo procese
Termopasta (angl. thermal paste), dar vadinama termoizoliacine pasta, termo tepalais arba šilumai laidiomis pastomis, yra neatsiejama kompiuterių aušinimo sistemos dalis, užtikrinanti efektyvų šilumos perdavimą tarp procesoriaus (CPU), vaizdo plokštės lustų (GPU) ar kitų karštį generuojančių komponentų ir jų aušintuvų. Šiuolaikiniuose kompiuteriuose, kuriuose montuojami vis galingesni procesoriai ir grafikos posistemiai, šilumos išsklaidymo klausimas įgauna ypatingai didelę reikšmę. Efektyvus aušinimas daro tiesioginę įtaką sistemos stabilumui, ilgaamžiškumui ir našumui. Netinkamai aušinamas procesorius ne tik gali perkaisti ir sulėtinti savo darbą („thermal throttling“), bet ir tapti nestabilus arba net visiškai sugesti.
Šiame straipsnyje aptarsime, kas yra termopasta, iš kokių komponentų ji sudaryta, kodėl jos buvimas yra būtinas kompiuteriuose, kokios yra termopastos rūšys ir savybės. Taip pat bus apžvelgtas praktinis termopastos taikymas tiek stacionariuose, tiek nešiojamuose kompiuteriuose, nurodomi tinkamo jos užtepimo būdai bei dažniausios klaidos. Galiausiai aptarsime termopastos sandėliavimo, jos eksploatavimo ypatybes, svarbą geram kompiuterio aušinimui ir naujas šios srities tendencijas. Tokiu būdu, straipsnis suteiks visapusišką supratimą apie termopastos reikšmę šiuolaikinėje kompiuterijos industrijoje.
Kai išaugo poreikis efektyvesniam šilumos perdavimui
Termopasta – tai speciali medžiaga, skirta mažinti oro tarpus tarp šilumą generuojančio komponento (pavyzdžiui, centrinio procesoriaus lustų) ir radiatoriaus arba aušintuvo pagrindo. Oro tarpai yra prasti šilumos laidininkai, todėl net nedidelis jų kiekis gali reikšmingai padidinti procesoriaus temperatūrą. Termopasta užpildo mikroskopinius nelygumus šių paviršių sąlyčio vietoje, taip pagerindama šilumos mainus.
Istoriškai termopastos idėja kilo iš poreikio kuo efektyviau perkelti karštį nuo lustų prie metalinių paviršių, kai pradėjo didėti procesorių taktiniai dažniai ir galia. Ankstyvuoju kompiuterių eros laikotarpiu, kai procesoriai nepasiekdavo tokių aukštų temperatūrų, dažnai buvo naudojami ganėtinai paprasti aušinimo būdai. Tačiau su laiku, kai integruotų grandynų tankis ir taktinis dažnis sparčiai augo, išaugo ir šiluminių sprendimų poreikis. Mokslininkai bei inžinieriai pradėjo ieškoti specialių medžiagų, kurios galėtų pagerinti šilumos laidumą ir taip prisidėti prie efektyvesnio aušinimo.
Šiandien termopastos naudojamos ne tik kompiuteriuose, bet ir kituose elektronikos įrenginiuose – serveriuose, žaidimų konsolėse, automobilių elektronikoje ir t. t. Tačiau būtent asmeniniuose kompiuteriuose ir nešiojamuose įrenginiuose ši medžiaga yra plačiausiai žinoma, nes čia aušinimo klausimas yra ypatingai akcentuojamas tarp entuziastų, žaidėjų ir profesionalų, dirbančių su resursų reikalaujančiais darbais.
Kokie komponentai lemia efektyvų šilumos perdavimą?
Termopastos cheminė sudėtis ir jos fizikinės savybės yra esminės, siekiant užtikrinti puikų šilumos laidumą ir pakankamai gerą sukibimą su aušintuvo ir procesoriaus paviršiais.
2.1. Pagrindiniai komponentai
- Polimerinė arba aliejaus pagrindo medžiaga. Dažniausiai tai yra silikonas, epoksidinė derva ar kitas polimeras, užtikrinantis pastos plastiškumą bei galimybę išlikti stabiliai ir neplyšti esant aukštai temperatūrai. Kai kurios termopastos turi aliejinę bazę, kuri taip pat padeda išlaikyti geras sklandymo savybes.
- Užpildai (metaliniai arba keramikiniai). Siekiant pagerinti šilumos laidumą, termopasta paprastai praturtinama metalinėmis dalelėmis (sidabro, aliuminio, vario) arba keraminiais milteliais (aliuminio oksido, cinko oksido, boro nitrido). Metalinės dalelės pasižymi itin aukštu šilumos laidumu, o keraminės – stabilumu bei cheminiu neutralumu.
- Priedai (stabilizatoriai, antioksidantai). Kai kurios termopastos gaminamos su priedais, kurie neleidžia medžiagai oksiduotis, tirštėti ar skaidytis ekstremaliomis sąlygomis. Tai suteikia termopastai ilgesnį tarnavimo laiką bei išlaiko pastovią konsistenciją plačiame temperatūrų diapazone.
2.2. Fizikinės savybės
Šilumos laidumas (W/mK). Vienas svarbiausių parametrų, nusakantis, kiek efektyviai medžiaga perneša šilumą. Kuo didesnis laidumas, tuo geriau termopasta veiks savo funkciją.
Klampumas ir konsistencija. Termopasta neturėtų būti nei pernelyg skysta, nei pernelyg kieta. Pernelyg skystą gali būti sudėtinga kontroliuoti užtepant, o pernelyg kieta nesugebės efektyviai užpildyti mikroskopinių ertmių.
Darbinės temperatūros diapazonas. Kokybiškos termopastos gali atlaikyti itin aukštas (dažnai viršijančias 150 °C) temperatūras ir išlikti stabilios žemesnėse nei 0 °C temperatūrose. Būtina, kad termopasta neišdžiūtų ir neprarastų efektyvumo esant dideliems temperatūrų pokyčiams.
Elektros laidumas arba nelaidumas. Metaliniuose komponentuose gausu laidžių dalelių, todėl tokia termopasta gali būti laidininkė elektros srovei. Tuo tarpu dauguma keramikinių užpildų yra elektriškai nelaidūs, kas padidina saugumą, jei pasta atsitiktinai patektų ant kontaktų.
Neatsiejamas elementas tarp procesoriaus ir aušintuvo
Termopastos poreikį lemia kompiuterio komponentų fizikinės savybės. Nei procesoriaus dangtelis (IHS), nei aušintuvo pagrindas nėra visiškai lygūs, žvelgiant mikroskopiniame lygmenyje. Nors gamintojai stengiasi pasiekti maksimalų paviršiaus glotnumą, bet net ir mažiausi nelygumai sukuria oro tarpelius. Oras yra prastas šilumos laidininkas, todėl jei paviršiai glaudžiai nesusiliečia, šiluma neperduodama efektyviai.
Termopasta užpildo tuos oro tarpelius, sudarydama tolygią sąlyčio zoną. Tai leidžia aušintuvui efektyviau priimti karštį ir jį išsklaidyti į aplinką. Be termopastos, procesoriaus ar vaizdo plokštės temperatūra smarkiai išaugtų, o pats komponentas galėtų pradėti „thermal throttle“ – mažinti darbinį dažnį, kad išvengtų perkaitimo.
Nepakankamai efektyvus šilumos nuvedimas ne tik mažina sistemos našumą, bet ir kenkia jos ilgaamžiškumui. Jei procesorius nuolat pasiekia ribines temperatūras, jo tranzistoriai gali patirti didesnę elektrocheminę migraciją, o pats lustas – spartesnį nusidėvėjimą. Taigi termopasta yra esminis barjeras tarp stabilaus, optimalaus darbinio režimo ir perkaitimo, galinčio lemti atsitiktinius sistemos strigimus.
Skirtingi mišiniai skirtingiems poreikiams
Renkantis termopastą svarbu atkreipti dėmesį į jos tipą, nes skirtingi mišiniai gali skirtis ne tik pagal šilumos laidumą, bet ir pagal elektros laidumą, konsistenciją, kainą ir tarnavimo laiką.
4.1. Metalinės termopastos
Šios termopastos pagrindą sudaro metalai, pavyzdžiui, sidabras, aliuminis arba varis. Sidabro pagrindo termopastos pasižymi ypač geru šilumos laidumu. Tačiau jos paprastai gali būti brangesnės ir tuo pačiu laidžios elektrai, tad užtepant reikia didesnio atsargumo.
Privalumai
• Aukštas šilumos laidumo koeficientas.
• Dažnai suteikia geresnį aušinimą, tinkantį spartinimui („overclocking“).
Trūkumai
• Gali būti pavojingos, jei patektų ant kontaktų, nes yra laidžios elektros srovei.
• Kai kurios metalinės termopastos gali oksiduotis ar prarasti savo savybes laikui bėgant.
4.2. Keraminės termopastos
Keraminės termopastos gaminamos, naudojant tokias medžiagas kaip aliuminio oksidas, cinko oksidas ar boro nitridas. Šios medžiagos yra neelektrai laidžios, todėl jų naudojimas yra saugesnis pradedantiesiems.
Privalumai
• Nepraleidžia elektros, tad mažesnė rizika pažeisti komponentus.
• Dažnai ilgiau išlaiko stabilias savybes.
Trūkumai
• Kai kurių rūšių keraminės termopastos šilumos laidumas gali būti kiek mažesnis nei geriausių metalinių pastų.
• Didesnė klampumas gali apsunkinti užtepimą.
4.3. Anglies pagrindo termopastos
Pastaraisiais metais populiarėja anglies (grafeno, anglies nanovamzdelių ir pan.) pagrindo termopastos. Jos derina aukštą šilumos laidumą bei elektrinį nepakankamą laidumą.
Privalumai
• Gali pasiekti labai gerą šilumos laidumą, artimą metalinėms termopastoms.
• Mažesnis elektros laidumas, todėl naudojimas saugesnis.
Trūkumai
• Dažnai brangesnės už tradicines keramines ar metalines.
• Rinkoje yra mažiau pasiūlymų, todėl gali būti sunkiau rasti.
4.4. Skystieji metalai
Tai viena iš ekstremaliausių sprendimų – skystas metalas, kurio pagrindą dažnai sudaro galis, indas ar kiti lydiniai. Šios medžiagos pasižymi itin aukštu šilumos laidumu, tačiau yra labai laidžios elektros srovei ir gali reaguoti su aliuminiu, jį koroduodamos.
Privalumai
• Labai aukštas šilumos laidumo koeficientas, leidžiantis pasiekti žemiausias įmanomas komponentų temperatūras.
Trūkumai
• Labai pavojingos, jei nepanaudotos tinkamai – gali sukelti trumpąjį jungimą.
• Laikui bėgant gali pakenkti aušintuvo pagrindui, pagamintam iš aliuminio.
• Reikalauja patirties ir saugių darbo metodų.
Nuo procesoriaus iki vaizdo plokštės lustų
Stacionariuose kompiuteriuose paprastai turime daugiau laisvės renkantis aušintuvus bei termopastos tipus, nes čia pagrindinėse plokštėse yra daugiau vietos, o aušintuvai gali būti didesni. Termopasta gali būti naudojama:
- Centrinio procesoriaus (CPU) aušinimui. Visi stacionarūs procesoriai turi IHS (angl. Integrated Heat Spreader), o ant jo montuojamas aušintuvas. Tarp IHS ir aušintuvo pagrindo būtinai dedama termopasta.
- Vaizdo plokštės (GPU) aušinimui. Kai kurių vaizdo plokščių aušinimo sistemose taip pat gali prireikti atnaujinti termopastą. Ypač tai aktualu entuziastams, kurie išmontuoja gamyklinį aušintuvą ir montuoja trečiosios šalies sprendimus.
- Kitų lustų aušinimui. Kai kurios pagrindinės plokštės turi radiatorius, skirtus atminties valdikliams ar VRM blokams (maitinimo reguliatoriams). Nors dažnai naudojamos termo pagalvėlės, tačiau kai kuriais atvejais gali būti naudojama ir termopasta.
5.1. Priežiūra ir atnaujinimas
Dažnai rekomenduojama termopastą tarp procesoriaus ir aušintuvo atnaujinti kas 1–3 metus, priklausomai nuo pastos kokybės ir kompiuterio darbo intensyvumo. Dėl aukštesnių temperatūrų, džiūvimo ar kitų aplinkybių pasta gali prarasti efektyvumą. Jei pastebima, kad procesoriaus temperatūra ilgainiui kyla, tai ženklas, jog laikas atnaujinti termopastą.
Kompaktiškos aušinimo sistemos iššūkiai
Nešiojamieji kompiuteriai pasižymi labiau integruota ir miniatiūrizuota aušinimo sistema. Termopasta čia dažnai atlieka svarbų vaidmenį, nes tarp procesoriaus (ar net integruotos vaizdo plokštės lusto) ir šilumvamzdžių (angl. heat pipes) taip pat yra oro tarpų.
6.1. Konstrukciniai iššūkiai
- Kompaktiški radiatoriai ir ribota erdvė. Nešiojamuose kompiuteriuose radiatorių paviršius būna mažesnis, todėl aušinimo efektyvumas labai priklauso nuo termopastos kokybės.
- Didelis jautrumas aplinkos temperatūrai. Nešiojamas kompiuteris dažnai naudojamas įvairiose vietose, kur aplinkos sąlygos gali būti prastos. Jei termopasta džiūsta ar praranda savybes, procesoriaus ar GPU aušinimas ženkliai prastėja.
6.2. Atnaujinimo sudėtingumas
Skirtingai nei stacionariuose kompiuteriuose, keisti termopastą nešiojamame kompiuteryje gali būti sudėtingesnė užduotis. Dažnai reikia išardyti visą kompiuterio korpusą ir pasiekti aušinimo sistemą, kuri gali būti pritvirtinta varžtais, fiksatoriais ar kitomis tvirtinimo detalėmis. Netinkamai išmontavus, kyla rizika sulaužyti trapias jungtis ar pažeisti ploną aušintuvą.
Nepaisant to, patyrusiems naudotojams ar profesionaliems meistrams reguliari termopastos keitimo praktika gali ženkliai prailginti nešiojamo kompiuterio gyvavimo laiką ir pagerinti našumą.
Svarbiausi žingsniai ir metodai
Termopastos užtepimo klausimas yra plačiai diskutuojamas kompiuterinių entuziastų bendruomenėse. Nors iš pirmo žvilgsnio tai gali pasirodyti paprasta, iš tikrųjų netinkamas užtepimas gali sumažinti aušinimo efektyvumą ar net sukelti pavojų, jei naudojama elektrai laidi pasta.
7.1. Paruošimas
- Paviršių nuvalymas. Jei jau buvo naudota senoji termopasta, ją būtina kruopščiai nuvalyti izopropilo alkoholiu (≥90 %) sudrėkintu skudurėliu arba specialiomis servetėlėmis. Taip pašalinami visi nešvarumai, dulkės ir senos pastos likučiai.
- Apsauga. Naudojant elektrai laidžią pastą, svarbu apsaugoti aplinkinius komponentus, kad išvengtumėte netyčinio trumpojo jungimo.
7.2. Užtepimo metodai
„Žirnio“ arba „ryžio grūdo“ metodas. Labiausiai paplitęs metodas, kai termopasta ant procesoriaus centrinės dalies uždedama maža dėmelė. Prispaudus aušintuvą, ji turėtų tolygiai pasiskirstyti.
Kryžiaus formos metodas. Uždėjus ploną pastos liniją kryžiaus forma, tikimasi tolygiau pasiekti kampus, ypač jei procesoriaus lustas yra didelio ploto.
Plonas išlyginimas mentele. Kai kurie entuziastai pirmenybę teikia tiesioginiam plonam išlyginimui per visą procesoriaus paviršių. Tačiau tai gali padidinti oro burbuliukų spąstų tikimybę, jei nebus kruopščiai išstumtas visas oras.
7.3. Apkaba ir prispaudimo tolygumas
Uždėjus termopastą, aušintuvą reikia montuoti tolygiai, tam skirtus varžtus sukant „kryžminiu“ būdu, kad spaudimas pasiskirstytų vienodai. Jei aušintuvas montuojamas kreivai, viena procesoriaus dalis gali likti mažiau prispausta, o tai reikš prastesnį šilumos perdavimą.
Nuo per didelio kiekio iki netinkamo aušintuvo prispaudimo
Netinkamai naudodami termopastą, vartotojai dažnai patiria perkaitimo problemų. Dažniausios klaidos:
- Per didelis termopastos kiekis. Jei termopastos užtepama per daug, perteklius gali išsilieti už procesoriaus ribų. Tai ypač pavojinga su laidžiosiomis pastomis, galinčiomis sukelti trumpus jungimus.
- Per mažas termopastos kiekis. Jei pastos trūksta, tarp aušintuvo ir procesoriaus liks dideli oro tarpai. Tai padidins temperatūrą ir gali sukelti nestabilumą.
- Nenuvalyta arba netinkamai nuvalyta ankstesnė pasta. Senos termopastos likučiai gali sumaišytis su nauja ir sudaryti netolygų sluoksnį.
- Neteisingas aušintuvo prispaudimas. Netolygus varžtų užveržimas gali lemti netinkamą kontaktą ir prastesnį aušinimą.
- Neteisingas pastos tipas. Kai kurie naudotojai renkasi skysto metalo pastą, neturėdami reikiamų įgūdžių. Tokios pastos naudojimas netinkamoje aušinimo sistemoje gali padaryti daugiau žalos nei naudos.
Nuo populiariausių iki nišinių gamintojų
Termopastų rinka yra gana konkurencinga. Tarp žinomiausių gamintojų galima paminėti:
- Arctic MX serija. Labai populiari tarp entuziastų dėl gero kainos ir kokybės santykio, paprasta naudoti, paprastai elektrai nelaidi.
- Noctua NT-H1 / NT-H2. Aukštos kokybės termopastos, pasižyminčios puikiu našumu ir lengvu užtepimu.
- Thermal Grizzly Kryonaut. Aukščiausios klasės variantas, orientuotas į ekstremalų aušinimą bei spartinimą.
- Cooler Master, Gelid, Zalman ir kt. Siūlo įvairių rūšių termopastas: nuo pigių, skirtų baziniam naudojimui, iki brangesnių metalinių ar keramikinių mišinių.
9.1. Rinkos tendencijos
Didėjantis laidžiųjų metalų naudojimas. Užkietėję entuziastai renkasi skysto metalo sprendimus, tačiau tai vis dar niša dėl sudėtingesnio naudojimo ir didesnės rizikos.
Didesnis dėmesys ilgaamžiškumui. Gamintojai stengiasi, kad termopasta ilgiau išlaikytų efektyvumą, nekaistų ir išliktų stabili įvairiuose temperatūrų diapazonuose.
Aplinkosaugos aspektai. Kai kurie gamintojai ieško ekologiškesnių medžiagų, kurios būtų mažiau kenksmingos gamtai tiek gamybos, tiek utilizavimo etapuose.
Kaip išlaikyti pastos savybes ilgesnį laiką?
Nors termopasta nėra greitai gendantis produktas, tinkamas sandėliavimas padeda išlaikyti jos savybes ilgesnį laiką. Svarbu saugoti ją:
- Vėsioje, sausoje vietoje. Idealu, jei temperatūra yra 10–25 °C. Perkaitimas gali pagreitinti aliejų ar kitų cheminių junginių atskyrimą.
- Užsandarintą. Termopasta turėtų likti užsandarinta gamintojo pakuotėje. Jei ji ilgą laiką laikoma atidaryta, gali džiūti ir prarasti klampumą.
Kai kurie gamintojai ant pakuotės nurodo rekomenduojamą galiojimo laiką (dažnai 2–5 metai), tačiau tinkamai sandėliuojama pasta gali išlikti tinkama naudoti ir ilgiau.
Laboratorinių duomenų ir realių testų skirtumai
Moksliškai termopastos efektyvumą nusako jos šilumos laidumas, matuojamas W/mK (vatais metrui iš Kelvino). Tačiau reikia pastebėti, kad skirtingi gamintojai kartais naudoja skirtingas testavimo metodikas, todėl vieno gamintojo nurodomi 8,5 W/mK gali nereiškti, jog tai tiesiogiai pranašesnė pasta už kito, kuris deklaruoja 7 W/mK. Laboratoriniai tyrimai dažnai atliekami kontroliuojamomis sąlygomis, kurios gali skirtis nuo realaus kompiuterio naudojimo aplinkos.
Kai kurie nepriklausomi testuotojai, tinklaraščiai ar elektronikos entuziastai atlieka savarankiškus termopastų palyginimus realiose aušinimo sistemose: su tam tikru aušintuvu, tam tikru procesoriumi ir testinėmis programomis (pvz., „Prime95“, „AIDA64“). Tokių testų rezultatai gali būti naudingesni galutiniam vartotojui, nes parodo realią termopastos įtaką temperatūrai, pavyzdžiui, 5–10 laipsnių skirtumą tarp prastesnės ir geresnės kokybės pastos.
Didesnis našumas – didesnė šiluma
Kompiuterio spartinimas (angl. overclocking) – tai procesoriaus, vaizdo plokštės ar kitų komponentų darbinio dažnio didinimas virš gamyklinių nustatymų. Tai leidžia gauti didesnį našumą, tačiau tuo pat metu generuojama daugiau šilumos. Todėl aušinimo kokybės svarba čia ypač didelė.
Geriausios termopastos naudojimas tokiu atveju gali reikšti žemesnę procesoriaus ar GPU temperatūrą, leisiančią pasiekti aukštesnį stabilų spartinimo lygį. Kai kurie entuziastai net pereina prie skysto metalo, nes šio sprendimo šilumos laidumas yra vienas didžiausių. Vis dėlto, užtepus netinkamai ar netinkamoje aušinimo sistemoje, kyla pavojus pakenkti pačiam komponentui.
Nuo nanotechnologijų iki ekologiškų sprendimų
Termopasta, nors ir atrodo gana paprastas produktas, yra nuolatinių tyrimų ir patobulinimų objektas. Mokslininkai ir inžinieriai ieško būdų, kaip sukurti dar efektyvesnes, ilgiau tarnaujančias ir aplinkai draugiškesnes medžiagas. Kai kurios tendencijos:
- Nanotechnologijų plėtra. Naudojant anglies nanovamzdelius ar grafeną, siekiama itin aukšto šilumos laidumo, išlaikant minimalią elektrinio laidumo riziką.
- Savaime taisančios (angl. self-healing) polimerų bazės. Idėja – turėti polimerinį mišinį, kuris, esant mikroplyšiams dėl temperatūrų ciklų, sugebėtų vėl sukibti ir atkurti vientisą sluoksnį.
- Hibridiniai sprendimai. Maišant skirtingas medžiagas, pvz., keramiką, metalus ir organinius junginius, siekiama optimalaus balanso tarp terminio ir elektrinio laidumo, pastos ilgaamžiškumo bei konsistencijos.
- Ekologiškesni sprendimai. Siekiama mažinti kenksmingų cheminių medžiagų naudojimą, o patį produktą gaminti iš perdirbamų ar mažiau toksiškų medžiagų.
Nors termopasta gali skambėti kaip sena technologija, tačiau nuolatinis inovacijų poreikis kompiuterių aušinime leidžia tikėtis, jog ateityje pamatysime dar efektyvesnių produktų, kurie leis pasiekti žemesnes komponentų temperatūras ir toliau didinti kompiuterių našumą.
