Các phương pháp tản nhiệt trong PC

Tản nhiệt máy tính, hay còn gọi cách khác là "giải nhiệt" hay "làm mát" trong máy tính (computer cooling) là các tên gọi khác nhau để nói đến hành động làm giảm nhiệt độ của các thiết bị trong quá trình làm việc của máy tính.

“Tản nhiệt” cho các linh kiện trong máy tính là hành động luôn được coi trọng từ các nhà sản xuất phần cứng, chúng luôn được thử nghiệm kỹ lưỡng để hệ thống có thể làm việc bình thường và phù hợp với môi trường khí hậu tại địa phương mà sản phẩm đó được dự định bán ra.

Tôi không hi vọng rằng bài sẽ không liệt kê hết được toàn bộ các phương pháp, nhưng cố gắng đưa phần nào những quan sát của mình trong thời gian gần đây về các phương pháp tản nhiệt mà tôi đã gặp.

SỰ PHÁT SINH NHIỆT TRONG PC

Ta biết rằng mọi thiết bị sử dụng điện năng đều phát ra nhiệt bởi nhiệt năng được sinh ra trong quá trình truyền dẫn điện năng trong vật dẫn. Nói một cách dễ hiểu hơn, sự chuyển động của các electron hỗn loạn trong kim loại va đập vào các nút mạng trong cấu trúc tinh thể tạo ra nhiệt năng. Mọi thiết bị đều dùng dây dẫn dòng điện bằng kim loại hoặc các vật chất bán dẫn khác cũng sinh ra nhiệt khi làm việc.

Sự phát sinh nhiệt trong các thiết bị máy tính là điều luôn luôn không mong muốn. Một mặt khác khi nhiệt độ tăng lên đến một giới hạn chịu đựng nhất định thì các thiết bị này hoạt động sai thông số, không ổn định, có thể dẫn đến các sự cố cho hệ thống (ví dụ gây ngừng hoạt động, "treo" máy, hoặc hư hỏng thiết bị).

Trong hầu hết các phần cứng máy tính hiện nay, tôi chưa nhận thấy có một thiết bị, linh kiện nào nhận được sự có lợi, hoặc gia tăng hiệu năng làm việc khi nhiệt độ của chúng tăng lên (trên một giới hạn nào đó).

Nhưng cũng không phải là người ta không thích nhiệt độ, tôi đã nhìn thấy người ta nói đến một vài loại thiết bị dựa theo các ý tưởng khác thường sử dụng điện năng trong máy tính để đun nấu, hâm nóng thức ăn. Những thiết bị này không tận dụng lượng nhiệt toả ra từ các linh kiện máy tính, mà chúng sử dụng sự cung cấp năng lượng cho các thiết bị qua giao tiếp USB để nung nóng một dây điện trở cho mục đích phát nhiệt. Thật hài hước, nhưng tôi đã nhìn thấy vài bức ảnh về chúng, bây giờ khó có thể xác định chúng ở đâu, có vẻ như diễn đàn vOz thì phải.

Còn có linh kiện nào nữa phải làm việc với nhiệt độ mà nó không cần biết là lợi hay hại hay không? Vẫn còn, đó là các thiết bị cảm biến (sensor) nhiệt độ. Thiết bị này có mặt trong sự làm mát để đo lường lượng nhiệt phát ra của thiết bị nhằm kiểm soát và điều khiển các thiết bị khác hoạt động. Các cảm biến này có khá nhiều trong một chiếc máy tính: Ví dụ như:

• Trong các bộ nguồn thiết kế tốt dùng để điều chỉnh tốc độ quạt làm mát.
• Trong ổ cứng để kiểm soát nhiệt độ làm việc của ổ cứng
• Đặt ngoài ở vỏ máy tính để kiểm soát nhiệt độ bên trong thùng máy, các cảm biến này không là một linh kiện đi theo các bo mạch chủ, mà chúng kèm theo các hệ thống điều khiển tốc độ quạt của một số vỏ máy tính.
• Được tích hợp trên bo mạch chủ, thường thấy nhất trên các chip Super IO nhằm kiểm soát nhiệt độ của bo mạch chủ

CÁC YẾU TỐ QUYẾT ĐỊNH ĐẾN PHƯƠNG PHÁP TẢN NHIỆT

Trước khi bắt đầu vào liệt kê các phương pháp làm mát linh kiện trong máy tính, thử phân tích xem các yếu tố nào ảnh hưởng đến việc thiết kế, lựa chọn phương pháp làm mát các thiết bị. Nếu phân tích được các yếu tố này thì ta có thể định hướng được phương pháp làm mát một cách tối ưu cho từng loại thiết bị riêng biệt trong máy tính.

• Yếu tố ảnh hưởng nhất đối với mọi hình thức tản nhiệt là nhiệt độ môi trường trong không gian chứa các máy tính cần tản nhiệt. Nếu như môi trường làm vệc thường xuyên xung quanh một máy tính có nhiệt độ cao (ví dụ thường xuyên ở 35 đến 40 độ C) thì cần xem xét tính toán các cách tản nhiệt cho máy tính đó để đảm bảo quá trình làm việc ổn định cho máy tính làm việc.
• Các hình thức tản nhiệt có thể phát ra tiếng ồn ra môi trường làm việc của máy tính và con người làm việc với nó. Nếu chỉ làm việc với một thời gian ngắn thì các loại tiếng ồn có thể ảnh hưởng ở mức độ thấp mà người sử dụng thường có thể không chú ý đến. Nhưng nếu thường xuyên làm việc với máy tính hoặc trong một không gian làm việc có nhiều máy tính cá nhân cùng hoạt động và phát tiếng ồn lớn (hoặc làm việc lâu tại thời điểm tĩnh lặng ban đêm) thì sẽ thấy sự tiếng ồn phát ra từ các máy tính sẽ ảnh hưởng một phần đến con người và làm giảm hiệu suất làm việc. Do đó mọi thiết kế tản nhiệt của máy tính được tính toán đến giảm độ ồn đến tối thiểu.
• Sự bảo trì hệ thống tản nhiệt: Hệ thống/thiết bị tản nhiệt này có làm việc suốt thời gian sống của nó mà không cần bảo trì hay không, cần thay thế sau thời gian nào...
• Và cuối cùng là giá thành (đó là sự đương nhiên rồi), giá càng thấp thì càng tốt.

CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI NHIỆT TRONG PC

Mục đích của việc tản nhiệt trong máy tính là có thể truyền nhiệt độ từ một linh kiện phát nhiệt đến môi trường xung quanh. Quá trình tản nhiệt chỉ đạt mục đích khi lượng nhiệt sinh ra tại linh kiện phát nhiệt cân bằng với nhiệt lượng thoát ra môi trường ở một nhiệt độ nhất định của linh kiện phát nhiệt.

Tản nhiệt tự nhiên

Tản nhiệt tự nhiên được định nghĩa là phương pháp nói chung nhất cho mọi thể loại tản nhiệt theo hình thức không can thiệp bằng bất kỳ phương pháp nào.

Hình thức đơn giản nhất của tản nhiệt tự nhiên là: Để nguyên linh kiện mà không can thiệp. Hình thức này thường được sử dụng đối với một số bo mạch chủ các thế hệ trước đây khi không gắn tản nhiệt cho các chipset cầu nam (SB).

Gắn một phiến tản nhiệt bằng kim loại có khả năng tản nhiệt tốt cũng là phương pháp tản nhiệt tự nhiên. Tuy nhiên xét một cách kỹ lưỡng thì có thể không coi là tản nhiệt tự nhiên bởi chúng có thể được lợi dụng một số luồng gió được định hướng bên trong vỏ máy tính.

Mọi hình thức còn lại ngoài “tản nhiệt tự nhiên” có thể được coi là “tản nhiệt cưỡng bức”. Tản nhiệt cưỡng bức là hình thức tác động trực tiếp vào thiết bị, linh kiện cần tản nhiệt để làm hạ nhiệt độ của chúng khi làm việc. Tổng quát của mọi hình thức tản nhiệt bên trong vỏ máy tính đều được tản nhiệt một cách cưỡng bức bởi khối không khí di chuyển trong thùng máy tính hoàn toàn theo sự cưỡng bức. Tuỳ từng thể loại tản nhiệt cưỡng bức mà chúng được đặt tên thể loại riêng đặc trưng để tránh tạo thành thể loại quá rộng.

Tản nhiệt dùng quạt

Tản nhiệt dùng quạt là một hình thức tản nhiệt cưỡng bức. Thể loại này sử dụng các quạt nhỏ để lưu chuyển một luồng không khí từ phía sau của quạt đến phía trước chúng nhằm tản nhiệt cho các thiết bị.

Tản nhiệt dùng quạt thường phải thông qua các tấm, phiến tản nhiệt gắn trên thiết bị mà thông thường không làm mát trực tiếp thiết bị. Tuy nhiên trong một số trường hợp thiết kế thì việc lợi dụng luồng gió sau thiết bị được tản nhiệt chính vẫn có thể đi qua các thiết bị được làm mát một cách "vô tình" khác nữa - thì các thiết bị này không nhất thiết phải gắn các tấm, phiến tản nhiệt.

Tản nhiệt dùng chất lỏng

Tản nhiệt dùng chất lỏng sử dụng tính chất dẫn nhiệt của chất lỏng để truyền nhiệt từ linh kiện, thiết bị phát nhiệt đến một thiết bị tản nhiệt tự nhiên hoặc cưỡng bức khác.

Thường gặp nhất là các loại tản nhiệt dùng chất lỏng từ CPU, GPU, chipset cầu bắc (NB) đến một cụm thiết bị tản nhiệt cưỡng bức (gắn trong vỏ máy tính hoặc gắn phía ngoài).

Một số cụm thiết bị tản nhiệt đầu cuối của hệ thống này sử dụng phương pháp tản nhiệt tự nhiên bằng cách lưu chứa chất lỏng trên một thiết bị có các cánh tản nhiệt. Tuy nhiên thiết bị tản nhiệt đầu cuối kiểu này thường không có hiệu quả ngay ở cả một số quốc gia có nhiệt độ môi trường thấp, một số thử nghiệm tại diễn đàn VOZ (của Việt Nam) đã cho thấy điều đó.

Sơ đồ nguyên lý một hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng cao cấp của Thermaltake [Nguồn ảnh]

Tản nhiệt dùng ống dẫn nhiệt

Đây là phương pháp truyền nhiệt thì đúng hơn, chúng sử dụng các ống dẫn nhiệt chứa chất lỏng bên trong lòng nó, lợi dụng sự dẫn nhiệt tốt của chất lỏng và sự di chuyển chất lỏng thành từng lớp mà người ta đã sử dụng phương pháp này.

Hiện nay, đa số các bo mạch chủ, bo mạch đồ hoạ có chất lượng từ mức trung bình trở lên đều thấy có các ống dẫn nhiệt. Chúng từ xuất hiện cho đến tạo ra nhiều biến thể mới càng làm phong phú thêm cho các hình thức tản nhiệt.

Tản nhiệt dùng các môi chất đặc biệt

Phương pháp tản nhiệt dùng các môi chất đặc biệt thường không được sử dụng thường xuyên ở các máy tính, ngay cả đối với các overclocker kỳ cựu nhất, bởi giá thành của các môi chất này thường rất đắt.

Phương pháp này thường chỉ sử dụng trong các cuộc trình diễn hoặc khi lập các kỷ lục về overclock, cách sử dụng thường mang tính thủ công (không tự thực hiện trong toàn bộ quá trình làm việc lâu dài với máy tính), phải thường xuyên chú ý và có các biện pháp thực hiện đặc biệt.

Phương pháp tản nhiệt dùng môi chất có nguyên lý dựa trên một tính chất của chất lỏng – “chất lỏng lạnh đi khi bay hơi” – đây cũng là nguyên lý của các máy máy làm lạnh trong đời sống khi làm giãn nở đột ngột một chất lỏng bằng các máy nén. Không giống như vậy, phương pháp dùng dung môi này dựa trên tính chất bay hơi nhanh của một số môi chất đặc biệt để làm lạnh các thiết bị cần hạ nhiệt.

Thường thấy nhất là phương pháp tản nhiệt bằng nitơ hoá lỏng. Trong một số cuộc trình diễn thì nitơ hoá lỏng có thể hạ nhiệt độ tức thời xuống nhiệt độ âm rất sâu, do đó có thể làm mát ngay lập tức các thiết bị toả nhiều nhiệt.

Tản nhiệt bằng máy lạnh

Đây có vẻ là một phương pháp tản nhiệt khá đắt tiền đối với một chiếc PC thông thường, nhưng nó đã được sử dụng bởi một số người ép xung. Trên thực tế thì tôi chưa nhìn thấy một hệ thống như vậy, cũng chưa có ai chụp ảnh chúng để đưa lên các website, nhưng trong cuốn sách của Scott Mueller thì tôi đã thấy một hình ảnh như thế.

Một hình thức tản nhiệt khác bằng máy lạnh thì thường gặp hơn trong thực tế, đó là việc lắp đặt những máy lạnh không khí (điều hoà nhiệt độ) để làm mát toàn bộ môi trường làm việc của chiếc máy tính đó. Hầu hết các phòng chứa máy chủ đều thực hiện cách này, các máy lạnh chạy suốt chu kỳ sống của nó để đảm bảo phòng đủ nhiệt độ ở mức cân bằng với nhiệt toả ra. Ở đây, việc sử dụng máy tính trong một phòng làm việc có điều hoà nhiệt độ cũng là một hình thức tương tự.

KẾT HỢP CÁC PHƯƠNG PHÁP TẢN NHIỆT

Khi muốn tản nhiệt cho toàn bộ một hệ thống máy tính một cách tối ưu nhất, không gây ồn lớn khi làm việc, cần sử dụng mọi hình thức tản nhiệt một cách hợp lý. Kết hợp các phương pháp tản nhiệt hiện nay thường là:

• Ngay trong khâu thiết kế vỏ máy tính đã chú trọng đến sự lưu thông không khí trong thùng máy. Tính toán sự chảy tầng và chảy rối của dòng khí nhằm định hướng luồng gió một cách tối ưu nhất.
• Liên kết dẫn nhiệt trong các linh kiện trong máy tính.
• Kết hợp tản nhiệt bằng chất lỏng.

Trên thực tế thì các máy tính đồng bộ hàng hiệu của một số hãng đã luôn luôn kết hợp các phương pháp tản nhiệt khác nhau cho một hệ thống của mình. Do việc tính toán thiết kế của chúng nhắm vào phần số những người sử dụng (tức là coi họ không có các hành động tháo lắp thường xuyên các thiết bị, linh kiện trong máy tính) nên sản phẩm máy tính nguyên chiếc này thường rất tối ưu trong tản nhiệt. Chúng có thể chứa đựng các thanh hướng gió, hút gió rất hiệu quả qua các linh kiện, và làm giảm tiếng ồn tới mức thấp nhất khi các máy tính làm việc.

THAM KHẢO

- Upgrading and Repairing Pcs, 17th Edition, Scott Mueller (ISBN-10: 0789734044); Có thể mua tại Amazon (phiên bản mới nhất: ISBN-10: 0789719037)

XEM THÊM

Computer cooling, mục từ trên Wikipedia tiếng Anh;

Lưu ý khi gắn bộ tản nhiệt CPU nguyên bản, trên blog này

Trương Mạnh An (2008)

(Lưu ý: Bài đã được tôi đưa lên một số website, hiện nay đăng lại và có sửa chữa, bổ sung, nhưng chưa hoàn thiện)