Koeling van de grafische kaart in dampkamer, downdraft en blower-stijl - uitgelegd

In de afgelopen jaren hebben we een exponentiële toename gezien in de prestaties van grafische kaarten in zowel gaming als professionele toepassingen. Met de verbeteringen in architecturen en interne componenten zijn grafische kaarten nu sneller dan ooit en kunnen ze zelfs de meest veeleisende taken aan die men met de huidige technologieën kan uitvoeren. Door al deze verbeteringen kunnen moderne grafische kaarten extreem veeleisende taken uitvoeren, zoals 8K- en 4K-gaming met hoge vernieuwingsfrequenties.

Deze verbeteringen zijn echter niet zonder een groot aantal nadelen gekomen. Een van de belangrijkste is de exponentiële toename van het stroomverbruik die we de afgelopen jaren hebben gezien. Het stroomverbruik van gaming grafische kaarten is het afgelopen decennium langzaam maar zeker toegenomen, wat heeft geleid tot de grafische kaarten van vandaag met TDP-waarden van meer dan 300 watt (heel anders dan geadverteerde TBP-beoordelingen). In feite vertoont het gemiddelde stroomverbruik van grafische kaarten in het afgelopen decennium een ​​interessant patroon. Het stroomverbruik van kaarten was aan het begin van het decennium hoog vanwege inefficiënte architecturen, maar later werden de meeste grafische kaarten een stuk efficiënter in hun werk. Tegenwoordig zien we opnieuw een stijging van het gemiddelde stroomverbruik van grafische kaarten.

Toegegeven, de kaarten van vandaag zijn een stuk efficiënter dan vijf jaar geleden, maar ze vragen gemiddeld nog steeds meer stroom van de muur dan de oudere kaarten. Al dit vermogen dat naar de kern gaat, verhoogt zeker de prestaties van de kaart, maar het verhoogt ook de bedrijfstemperaturen van de GPU, wat zeker moet worden gecontroleerd. De afgelopen jaren hebben we steeds grotere en grotere koelers op de grafische kaarten moeten plaatsen om dit probleem te bestrijden.

Verbeteringen in koeling

Met een toenemend stroomverbruik en vervolgens een toenemende warmteafgifte, moesten de fabrikanten van grafische kaarten improviseren met de situatie om dit probleem op te lossen. Voorbij zijn de kleine, sierlijke grafische kaarten die passief gekoeld hadden kunnen worden met een enkele kleine heatsink. In het verleden hadden zelfs high-end grafische kaarten een enkele ventilator boven een kleine heatsink en dat was genoeg om de warmte van die kaart effectief af te voeren. Tegenwoordig kan men niet eens denken aan een mid-range of redelijk high-end grafische kaart die gekoeld moet worden met een configuratie met één ventilator.

Grafische kaarten van vandaag hebben enorme koellichamen met 3 slots met enorme ventilatorwanden die meestal plaats bieden aan 3 fans. Hoewel modellen met dubbele ventilator ook vrij gangbaar zijn op de markt, hebben ze moeite om de temperaturen onder controle te houden voor elke kaart die redelijk veel energie verbruikt. De meeste high-end varianten van moderne grafische kaarten hebben ook zeven of acht vernikkelde koperen heatpipes die de warmte wegnemen van de warmtegenererende componenten en deze gelijkmatig verdelen over de heatsink-array. Ventilatortechnologieën hebben ook een lange weg afgelegd, met moderne ventilatoren die zijn uitgerust met meerdere sensoren die hun gedrag aanpassen aan de temperatuur van de GPU.

Het is daarom best interessant om de koeloplossingen die door grafische kaarten uit het verleden werden gebruikt, te vergelijken met de oplossingen die tegenwoordig worden gebruikt.

Verschillende koelmethoden

Al met al zijn er 3 belangrijke koelingsmethoden die worden gebruikt door moderne grafische kaarten, namelijk blower-achtige koeling, downdraft-koeling in de open lucht en koeling in de dampkamer. Hieronder volgen de voor- en nadelen van elk.

Blower Style Cooler

De ventilator-achtige koeler is de meest eenvoudige en meest barebones-stijl van koeling die tegenwoordig in grafische kaarten wordt aangetroffen. Dit is ook de goedkoopste koeler om te vervaardigen en levert daarom de slechtste thermische prestaties van alle verschillende methoden om een ​​grafische kaart te koelen. Koelers in ventilatorstijl waren de koelers die door Nvidia en AMD lange tijd werden gebruikt voor hun grafische kaarten met referentie-ontwerp, maar voor de nieuwste generatie grafische kaarten hebben beide fabrikanten de koelers in ventilatorstijl vervangen ten gunste van de efficiëntere downdraft koelers. Ventilatorkoelers hebben vermoedelijk het einde van hun levensduur bereikt, hoewel enkele voorbeelden nog in productie zijn voor gebruik in vooraf gebouwde en SI-systemen.

Grafische kaarten met blaasontwerpen verlengen de plastic omhulling rondom het koellichaam en laten geen openingen tussen de printplaat en de omhulling aan de zijkanten en aan de boven- en onderkant van de kaart. Het enige pad voor lucht is om dwars over de printplaat naar de achterkant van de grafische kaart te worden gedwongen, waar strategisch geplaatste ventilatieopeningen op de I / O-beugel zitten. Een enkele, kleine ventilator zuigt de omringende lucht op en dwingt deze met hoge snelheden door de kaart die recht uit de achterkant van de kaart komt. De lucht stroomt over het geïntegreerde koellichaam en de PCB-componenten terwijl deze zich een weg baant door de kaart, waardoor de componenten waarmee deze in contact komt, worden gekoeld.

Het belangrijkste voordeel van ventilatorachtige koeling is dat het vrij goedkoop te vervaardigen is en daarom te vinden is op veel instapvarianten van grafische kaarten, waaronder de meeste referentieontwerpen die AMD en Nvidia in de loop der jaren hebben uitgebracht. Een ander voordeel van ventilatorkoelers is dat ze al hun warmte rechtstreeks uit de behuizing verdrijven in plaats van deze in de behuizing af te geven, waardoor andere componenten zoals je CPU worden verwarmd. Dit kan vooral handig zijn in gevallen met een kleine vormfactor en pc's met onjuist geconfigureerde luchtstroomsystemen.

De nadelen van ventilatorkoelers zijn echter talrijk. Koelers in blaasstijl werken luid en heet, en ze zijn nogal inefficiënt in hun werking. Gemiddeld zou een blowervariant van een grafische kaart veel hogere temperaturen produceren dan vergelijkbare downdraft-varianten als ze onder dezelfde omstandigheden worden getest. Om dit gebrek aan koelvermogen te compenseren, moeten blowerkaarten hun ventilatoren op uitzonderlijk hoge snelheden laten draaien. Dit resulteert in een ongelooflijk hoog geluidsprofiel dat door enthousiaste pc-enthousiastelingen wordt omschreven als "een straalmotor die zich klaarmaakt om op te stijgen". Het is veilig om te zeggen dat je geen kaart in de stijl van een blower krijgt als je op een onopvallende manier wilt gamen.

Openlucht Downdraft-koeler

De downdraft- of "open-air" -stijl van koeling is verreweg de meest gangbare en de meest voorkomende koeloplossing die tegenwoordig wordt gebruikt in grafische kaarten. Downdraft-koelers bieden over het algemeen betere thermische en akoestische prestaties dan kaarten in blaasstijl, maar er zijn enkele dingen waarmee u rekening moet houden bij het gebruik van een openluchtkoeler.

Downdraft- of openluchtkoelers gebruiken hun ventilatoren om de lucht van binnenuit uw pc-behuizing aan te zuigen en duwen deze vervolgens recht naar beneden door het grote metalen koellichaam om de warmte van de componenten af ​​te voeren. Openluchtkoelers worden zo genoemd vanwege hun relatief open ventilatorkap die open is vanaf de zijkanten en de achterkant, waardoor de lucht vrij kan stromen van de kaart naar de binnenkant van de behuizing en de buitenkant van de behuizing door de behuizing. ventilatie gaten. Het hoofdconcept van de downdraft-koelers is hetzelfde als de blower-achtige koelers: lucht wordt door de ventilatoren aangezogen en over het koellichaam geduwd dat contact maakt met de warmtegenererende componenten. De efficiëntie waarmee de open-lucht- of downdraft-koelers deze taak uitvoeren, is vaak veel groter dan bij vergelijkbare toepassingen in blaasstijl.

Het grootste voordeel van het ontwerp in de open lucht zijn de verbeterde prestaties ten opzichte van de kaarten in blaasstijl. Deze koelers duwen een grote hoeveelheid lucht over hun koellichamen en maximaliseren daardoor de warmteafvoer van de interne componenten van de kaart. Bovendien is de heatsink zelf vaak veel groter vanwege de 2,7 of zelfs 3-slots configuratie waarin moderne kaarten te vinden zijn. Mid-range varianten van grafische kaarten hebben vaak twee ventilatoren, terwijl premium varianten bijna altijd drie ventilatoren hebben om te helpen vergemakkelijken warmteafvoer. De downdraft-ventilatoren zijn ook veel stiller en betrouwbaarder dan blower-achtige ventilatoren.

Dit ontwerp heeft ook een aantal nadelen. Ten eerste zijn veel van de downdraft-koelers in de open lucht duurder dan de varianten met basisblazers als het gaat om een ​​bepaalde opstelling van grafische kaarten. Een ander belangrijk probleem met dit ontwerp is dat alle hete lucht van de GPU rechtstreeks in uw behuizing wordt gedumpt, wat kan leiden tot een temperatuurstijging van andere componenten. Daarom wordt het aanbevolen om een ​​uitstekende luchtstroom in de behuizing te hebben met correct geconfigureerde ventilatoren als u een afzuigkoeler wilt gebruiken. Het zou het beste zijn om deze koelers te vermijden in een behuizing met een kleine vormfactor of een relatief compacte constructie. Als je wat aanbevelingen wilt voor de beste gevallen met hoge luchtstroom in 2021, je kunt ze hier krijgen.

Dampkamerkoeler

Dampkamerkoelers komen veel minder vaak voor in moderne grafische kaarten vanwege hun relatieve complexiteit, maar zijn nog steeds een interessante koeloplossing. Een dampkamer is een dunne, relatief vlakke plaat die wordt gebruikt om warmte over een groot oppervlak te verspreiden. Gewoonlijk wordt een lamellenstapel rechtstreeks op het oppervlak van de dampkamer aangebracht om het oppervlak te vergroten en de warmteafvoer te verbeteren. De dampkamer zelf is een holle, vacuüm verzegelde koperen plaat. De dampkamer staat direct in contact met de warmtebron, zoals de GPU, in deze configuratie ook wel de verdamper genoemd.

Wanneer de verdamper wordt verwarmd, verdampt de vloeistof in de lont tot een gas. Het hete gas zet dan uit om de binnenkant van de kamer te vullen en bereikt het koelere oppervlak. Bij contact met het koelere oppervlak condenseert het gas weer, daarom wordt het koelere oppervlak de condensor genoemd. De gecondenseerde vloeistof wordt vervolgens via de lont teruggevoerd naar de verdamper om de cyclus voort te zetten.

Hoewel metalen zoals koper en aluminium goed zijn in het geleiden van warmte, zijn ze vaak niet de meest efficiënte methode om dit te doen. Een faseverandering is een overgang van de ene vorm van materie naar de andere, bijvoorbeeld van vloeistof naar gas en vice versa, en het type koeling waarbij deze techniek wordt toegepast, staat bekend als faseveranderingskoeling. Dampkamers kunnen een grote hoeveelheid thermische energie overdragen door een faseverandering te ondergaan.

Als alternatief zou het mogelijk zijn om gewoon een massief koperen blok te gebruiken om een ​​vergelijkbare taak uit te voeren, maar dat ontwerp zou veel zwaarder en duurder zijn om te produceren dan een holle dampkamer. Het zou ook langzamer werken dan een dampkamer. Deze vermindering van de snelheid van warmteoverdracht zou ook de prestaties van de GPU beïnvloeden omdat deze meer warmte zou vasthouden. Heatpipes zijn het andere alternatief voor dampkamerkoeling en worden op grote schaal gebruikt in eerder genoemde openluchtkoelers.

Welke moet je kiezen?

Hoewel alle drie de koelers hun voor- en nadelen hebben, is er zeker een voor de hand liggende keuze als het gaat om moderne koeloplossingen voor grafische kaarten. De meeste gewone consumenten zouden beter af zijn met het kopen van een fatsoenlijke downdraft-koelbox in de open lucht, omdat deze de beste waar voor zijn geld biedt op het gebied van thermische prestaties en tegelijkertijd relatief betaalbaar is. Verschillende AIB-partners brengen verschillende modellen uit voor een enkele GPU en zelfs Nvidia en AMD hebben nu de ventilatorkoelers vervangen ten gunste van veel efficiëntere openluchtkoelers voor de nieuwste generatie grafische kaarten.

Dampkamers zijn een interessante en unieke toepassing, maar het daadwerkelijke gebruik ervan in moderne koeloplossingen voor grafische kaarten is tegenwoordig vrij ongebruikelijk. Ze werden al geruime tijd gebruikt in AMD's referentie grafische kaarten in combinatie met een ventilator-achtige koeler, maar zijn daar nooit echt van uitgegroeid tot reguliere koeloplossingen. Blower-achtige koelers naderen ook het einde van hun levensduur, aangezien steeds meer AIB-partners betaalbare varianten van grafische kaarten in de open lucht uitbrengen met uitstekende koeling en akoestische prestaties tegen een betaalbare prijs.

Er is echter een gebied waar koelers in blaasstijl nog steeds voorkomen. Grootschalige systeemintegrators of SI's zoals Dell, HP en Lenovo gebruiken deze stijl van koeling voor hun grafische kaarten, omdat het een relatief goedkope eenheid is om aan te schaffen en alle warmte direct buiten de behuizing wordt afgevoerd, zodat de binnenkant van de behuizing dat wel doet niet geleidelijk opwarmen door het gebruik van de grafische kaart. Vooraf gebouwde kopers geven vaak niet veel om de temperaturen en de akoestiek van hun grafische kaart, dus deze applicatie is perfect voor het vooraf gebouwde ecosysteem. Wat doe-het-zelf-pc-bouwers in 2021 betreft, zouden ze gewoon moeten vasthouden aan openluchtkoelers, omdat ze meerdere voordelen hebben en met de dag goedkoper en beter worden.