Jak zbudować pasywny komputer obliczeniowy? Część 2

W poprzedniej części zaprezentowałem wymagania stawiane przez użytkownika dotyczące konstruowanego bezgłośnego komputera klasy PC oraz jakie wybrałem pamięci RAM, zasilacz, obudowę, dysk SSD i napęd optyczny, jakie posiadać będzie pasywny komputer. W tej części skupimy się na pozostałych do rozwiązania problemach.

I tu dochodzimy do wyboru procesora. Powinien być jak najwydajniejszy (ale zachowując rozsądek cenowy) i spełniać potencjalne możliwości odprowadzenia ciepła w sposób całkowicie pasywny, czyli bez wsparcia wentylatorów.

Do wyboru jest dwóch producentów władających rynkiem: AMD oraz Intel. Każdy z producentów ma kilka kategorii swych procesorów, które w dodatku z upływem czasu szybko się zmieniają. Historycznie śledzę rywalizację obu firm i obecnie dominuje Intel. Procesory AMD są nieco zacofane technologicznie i z tego powodu Intel nie musi się spieszyć w wypuszczaniem na rynek nowszych rozwiązań. Aktualnie procesory produkowane przez Intela mają rozmiar technologiczny 22 nm, a te z fabryk AMD aż 32 nm (w uproszczeniu to odległość między sąsiednimi tranzystorami, im mniejsza, tym lepsze procesory można zbudować). AMD nadrabia wyższym taktowaniem częstotliwości, aby dogonić wydajnościowo odpowiedniki Intela. Najwydajniejszy model AMD AMD FX 8-Core FX-9590 (cena ok. 1100 zł) co prawda posiada aż 8 rdzeni i taktowanie 4,7 GHz (w trybie Turbo aż 5 GHz), ale z tym wiąże się ogromne zapotrzebowanie na moc, która wynosi aż 220W. Z tego względu nie nadaje się do pracy z pasywnym chłodzeniem.

Pozostają więc procesory Intela, ale jakie wybrać, aby spełniły wymagania pasywnego komputera? Do porównywania zależności efektywności obliczeniowej w funkcji ceny można posłużyć się stroną zawierającą ranking procesorów. Niebieskie kółka to procesory Intela, czerwone to modele z AMD. Poniższy wykres pokazuje wydajność ogólną, która zależna jest w dużym stopniu od liczby rdzeni procesora (tu wśród tańszych modeli jest trochę atrakcyjnych cenowo produktów AMD):

Jeśli jednak przejdziemy do porównania wydajności pojedynczego rdzenia, to AMD wypada bardzo blado:

A zatem co wybrać, skoro zdecydowałem się na Intela? Powszechnie promowane rodziny tych procesorów oznaczono jako i3, i5 oraz i7. Są też wersje z przeznaczeniem do serwerów – rodzina Xeon, jednak ich ceny są zdecydowanie za wysokie i nie uwzględniono ich w powyższym rankingu. Jest jednak bardzo solidny test wydajności, gdzie można porównać praktycznie każdy wyprodukowany procesor Intel/AMD. I to na podstawie niego powstała (kwiecień 2014) poniższa tabela porównująca kilka procesorów z różnych punktów widzenia:

Wybrałem najwydajniejszy model AMD, a także najmocniejsze w swych kategoriach i5, i7 oraz Xeon procesory Intela. W wierszu „wydajność” umieściłem po dwie liczby punktów zdobytych w testach: wydajności ogólnej/przypadającej na 1 rdzeń. Są to ciekawe informacje poglądowe, jednak na potrzeby projektowanego komputera decydujący był wiersz „Moc”, gdzie jedynie Intel Haswell Core i5-4670 oferował rozsądną wartość 84W i to on został wybrany do projektowanego komputera PC.

A skąd wiedziałem, jaka to rozsądna wartość? Producenci najwydajniejszych radiatorów pasywnych deklarowali możliwość ich użycia z procesorem nieprzekraczającym 95W mocy. Nawet najsłabszy reprezentant rodziny i7 o 4 rdzeniach (8 wątkach) też był z kategorii 130W podobnie jak najsilniejszy jego rywal umieszczony w powyższej tabeli. Jednocześnie ten najsłabszy i7 był cenowo droższy od i5-4670 o ok. 50%.

Pozostaje jeszcze małe wyjaśnienie, dlaczego podawane są dwie częstotliwości taktowania. Otóż wprowadzony w nowych procesorach tryb Turbo potrafi zgodnie z ideą producenta (to nie jest overclocking) pracować z częstotliwością wyższą od nominalnej przy założeniu, że nie zużywa w danym momencie za dużo energii. A to zależy od liczby aktywnych w danej chwili rdzeni procesora i tak odpowiednio dla 1, 2, 3 i 4 obciążonych rdzeni dodatkowa częstotliwość powyżej podstawowej 3,4 GHz wynosi: 0,4; 0,3; 0,2 oraz 0,2 GHz. Czyli przy 100% obciążeniu 4 rdzeni maksymalna częstotliwość to 3,6 GHz. Wymaga to oczywiście dobrego chłodzenia tego procesora.

Poszukiwania najlepszego radiatora zajęły mi trochę czasu, gdyż porady w sieci były sprzeczne. Dopiero po pewnym czasie dostrzegłem, skąd się owa sprzeczność bierze. Otóż inaczej należy konstruować radiatory dla trybu pasywnego, gdzie liczy się efektywna naturalna konwekcja (unoszenie ciepłego powietrza do góry – to dlatego w tym miejscu zakupiona obudowa ma na wpół otwartą konstrukcję z wieloma drobnymi otworami), a zupełnie inaczej radiatory, które współpracują z wentylatorem, czasem nawet spotkać można konstrukcje z dwoma wentylatorami. Na jednej ze stron naszych południowych sąsiadów trafiłem w końcu na porządny test termiczny najlepszych radiatorów.

Wybrałem zwycięzcę (zdjęcie na początku artykułu), czyli model SilverStone Heligon HE02 o następujących cechach szczególnych: waga 990 g aluminium (6mm thick powder heat pipe x 6). Owe 6 rur cieplnych to specyficznie dobrane i powyginane miedziane rurki (tu dodatkowo niklowane) wypełnione specjalnym płynem dobrze odprowadzającym ciepło do aluminiowych blaszek rusztowania. Zarówno waga, rozmiary (wysokość 160 mm, szerokość 170 mm) jak i cena 309 zł robią wrażenie i trzeba uwzględnić to na etapie kupna płyty głównej, pamięci RAM oraz obudowy, żeby wszystko się zmieściło i nie połamało wzajemnie.

Pozostaje jeszcze jedna kwestia bardzo niedoceniana, chodzi o pastę termoprzewodzącą. Jest to specjalna substancja, która poprawia odprowadzenie ciepła między maską procesora a podstawą radiatora. Pastę należy odpowiednio nałożyć przy instalacji (nie wolno przesadzić z jej ilością, żeby nie wyciekła, bo najlepsze z nich są niestety także przewodnikami prądu i wyciekając na boki taka pasta mogłaby doprowadzić do zwarcia i spalenia procesora). Do wybranego przeze mnie radiatora producent dostarcza dość dobrą pastę i ta została użyta. Ale jest możliwość wykorzystania jeszcze lepszej. Oto początek rankingu (cały jest bardzo długi) past, które zastosowano w badaniach testowych do procesora przetaktowanego, przy czym trzeba wiedzieć, że niektóre pasty wymagają tzw. wygrzania, czyli ustabilizowania się warunków pracy w ciągu kilku pierwszych dni po nałożeniu, dlatego test wykonano po 7 dniach. Pasta dostarczona do radiatora jest zbliżona wydajnością do Noctua NT-H1, jest więc pole do popisu przy zastosowaniu pasty Gelid GC-Extreme.

Ostatni element układanki to wybór płyty głównej. Tu całkowicie zgodziłem się na propozycję serwisu Ikomp ze Szczecina, w którym cały zestaw miał być zmontowany. Ich doświadczenie i rozeznanie rynkowe było istotnym elementem, bez którego trudno byłoby mi samodzielnie złożyć cały egzemplarz w pełni funkcjonalnego komputera.

Zaproponowano płytę główną Asus GRYPHON Z87 s1150 Z87 4DDR3 USB3/GLAN mikroATX. To droga ale markowa płyta (520 zł). A dlaczego akurat ten model? Otóż producent skonstruował do niej specjalny zestaw chłodzący Zestaw Asus Armor Kit for Gryphon Z87 TUF Thermal Armor dla wymagających użytkowników takich jak ja czy dla overclockerów.

Jak widać na załączonym zdjęciu, to coś w rodzaju metalowego pancerza instalowanego po obu stronach płyty głównej. Ma to na celu lepsze odprowadzanie ciepła, w zestawie znajduje się mnóstwo części (np. zaślepki do każdego gniazda na płycie głównej, z którego aktualnie nie korzystamy), w tym dodatkowy wentylator umożliwiający dodatkowy przewiew wewnątrz pancerza. W moim zestawie nie został on włączony. Kolejną zaletą pomalowanego na czarno pancerza jest pewne usztywnienie całej konstrukcji płyty głównej, go której przymocowuje się potężny radiator (prawie 1 kg aluminium) procesora działający ze względu na swoją sporą wysokość jak rodzaj dźwigni (płyta główna pracuje w pionie, a radiator umieszczony jest do niej prostopadle, co może przy noszeniu całej skrzynki PC prowadzić do sporych naprężeń płyty głównej wykonanej z dość elastycznego tworzywa).

Jak widać na kolejnych zdjęciach, większość płyty głównej faktycznie jest osłonięta „czarną zbroją”, a nałożony radiator góruje nad nią (druga fotka).

Po zmontowaniu całości pozostały jeszcze testy w temperaturze pokojowej 22 stopni C (wykorzystano darmowy program CPUID HWMonitor). We wnętrzu obudowy panuje temperatura 30-32 st. C (identyczna zmierzona na dysku SSD), czyli prawie wszystko jest chłodne, w tym cała obudowa. Dopiero uruchomienie skanowania antywirusem potrafi podnieść na ten czas temperaturę dysku do max. 37 st. C. Najważniejszy jest zatem pomiar temperatury samego procesora. W trakcie pracy biurowej (pisania tego artykułu temperatura zmienia się w przedziale 33-40 st. C, dopiero uruchomienie 4 programów obliczeniowych (obciążenie procesorów wskazywane przez Windows wynoszące 100%) przy aktywnym trybie Turbo (praca przy 3,6 GHz) maksymalna chwilowa temperatura wyniosła 85 st. C (test trwał 3 doby) przy zużywaniu 60W i można powiedzieć, że są to dość wysokie, choć rozsądne temperatury (temperatura maksymalna ustalona przez Intel dla tego modelu procesora to 100 st. C).

Większe obciążenie udało się uzyskać, używając specjalnego darmowego oprogramowania Prime95 przeznaczonego do tego typu testów, dodatkowo zastosowałem przetaktowanie płyty głównej o 3%. Oprogramowanie to nie tylko wykonuje złożone obliczenia na wszystkich rdzeniach procesora, ale też w maksymalnym stopniu obciąża kartę graficzną, a ta znajduje się wewnątrz procesora – i to jest rozwiązanie zagadki, dlaczego w pierwszym pomiarze nie uzyskano wskazanych przez Intela 84W, a zaledwie 60W. Po kilkudziesięciu minutach działania tego programu temperatura doszła do granicznych 100 st. C (przy 86,5W) i co ważne prawidłowo zadziałał system zarządzania temperaturą, który nie pozwolił na dalsze jej podniesienie, utrzymując ją na poziomie 98-100 st C. Jak to możliwe? Otóż automatycznie zmniejszyła się wartość mnożnika z podstawowej wersji x36 do x35 względem częstotliwości podstawowej na płycie ustalonej na 100 MHz. Jako że płyta była przetaktowana o 3%, faktycznie częstotliwość „schłodzona” wynosiła 103 MHz x 35 = 3605 MHz, co na bieżąco prezentował program dołączony do płyty głównej AISuite3 (Thermal Radar 2).

Jeśli więc masz zamiar pracować także z dużym obciążeniem grafiki, zalecam dokupienie osobnej tańszej i pasywnej karty graficznej (też można poszukać odpowiednich radiatorów).

Z przeprowadzonych badań udało się wyciągnąć wniosek, że maksymalnie jesteśmy w stanie odprowadzać dzięki chłodzeniu pasywnemu z małej powierzchni stycznej procesora około 60W (bo zdecydowana większość zamieniana jest w ciepło na bardzo małej powierzchni procesora i odprowadzana przez jego metalową maskę do podstawy radiatora – między tymi powierzchniami znajduje się pasta termoprzewodząca). Można przy tym pokusić się o użycie lepszej pasty termoprzewodzącej, ale zapomnieć można o wykorzystaniu pełnej mocy 130W charakterystycznej dla rodziny i7 (a tym bardziej używania wydajniejszych modeli procesorów AMD).

Na koniec podsumowanie cenowe. Na pewno warto dołożyć trochę, aby cały montaż wykonał serwis, który da dwuletnią gwarancję (na procesor jest trzyletnia), potargować też się warto, oferując opłatę w gotówce (zaletą dla sprzedawcy jest brak marży za płatność kartą). Cena opisanego zestawu wyniosła 4400 zł + 60 zł za klawiaturę, którą kupiłem oddzielnie. Cena nie uwzględnia monitora ani systemu Windows, bo te elementy należy dopasować do własnych wymagań. Nie jest to zatem cena mała jak na komputer bez karty graficznej, ale wydajność obliczeniowa jest ogromna, komfort pracy bezgłośnej maszyny niepowtarzalny (początkowo trzeba się przyzwyczaić), a do tego rewelacyjna praca dzięki szybkości dysku SSD (jeśli ktoś po miesiącu pracy z takim komputerem zasiądzie do modelu z dyskiem HDD, to poczuje spory dyskomfort). I nie ma co się martwić, że to nie opcja i7 (którą można spotkać nawet w lepszych laptopach – ale to są specjalnie osłabione wersje tych procesorów przystosowane do laptopów) bo najlepszy model z kategorii i5 to na prawdę mocna rzecz!

Czy można kupić gotowy tak solidny komputer? Nie udało mi się w Polsce znaleźć takich zestawów, nawet tam, gdzie rzekomo da się przez stronę www składać na żywo z poszczególnych podzespołów dostępnych z listy sprzedawcy (bo brak choćby takich elementów jak dobra obudowa czy najlepszy radiator). Za granicą jest taka możliwość, ale cena byłaby kilkadziesiąt procent wyższa. Ponadto zamawiając komputer poza miejscem zamieszkania (dodajmy, że chodzi o ciężką dużą skrzynię, bo to nie mały laptop) problemy gwarancyjne są niemałe. A osobiście u mnie taki problem wystąpił.

Wszystko niby funkcjonowało poprawnie, ale przy 100% obciążeniu w losowych momentach (czasem co 2h, czasem dopiero po 48h) miałem restart Windowsa (tzw. BlueScreen) z bardzo dziwnym nieopisanym błędem. Długo sam szukałem przyczyny, bo nie było żadnej powtarzalności, a sugestie pojawiające się w sieci wskazywały, jakobym coś przetaktowywał. A że maszyna była tak dobra i w tamtym okresie bardzo przydatna do pracy (przy obciążeniu 3 rdzeni działała poprawnie), to nie chciałem się z nią rozstawać, jednak w pewnym momencie trzeba było się poddać i zwrócić komputer do serwisu celem ustalenia przyczyny. Obstawiałem, że to nie problem przegrzania i miałem rację, dołączenie wentylatorów nic nie zmieniło. Okazało się, że wszystko było sprawne, a winny był Bios, który nie został przez Asusa odpowiednio dostosowany do IV generacji procesorów i5. Poprawka ostateczna Biosu (trzecia wersja pod ten procesor) ukazała się szczęśliwym trafem po 2 dniach od oddania komputera do serwisu, czasem więc warto trochę zwlekać z podjęciem decyzji. I od tej pory problem się rozwiązał – a komputerem dającym duży komfort pracy cieszę się już od półtora roku.

Przy okazji warto dodać, że (dopiero kilka miesięcy po uruchomieniu mojego sprzętu) udało mi się coś znaleźć szerzej o rozwiązaniach pasywnych nawet do wersji peceta przeznaczonego do gier, choć tu już nie ma konkretnych testów termicznych, a jedynie zebranie wiedzy, na co zwracać uwagę.