الانبعاث الحراري في الحاسوب : المشكلة والحل!

**Hameedo** · 04-11-2009, 02:14

الانبعاث الحراري في الحاسوب : المشكلة والحل!

الحرارة ، خطر يهدد الحواسب الشخصية ..

كلنا يعرف تقريبا أن أجهزة الحاسوب تصدر قدرا ملحوظا من الحرارة ، يزداد هذا القدر كلما ازداد أداء الحاسوب وكفاءته ، فأداء الحاسوب المرتفع يعني تعقيد تركيب مكوناته ، وتعقيد تركيب مكوناته يصاحب عادة بتردد (سرعة) مرتفع لهذه المكونات .

والتردد عموما يعني سريان التيار الكهربي في هذه المكونات عددا من المرات في الثانية ، والتيار الكهربي عندما يسير في مادة ما ، فانه يسبب اهتزاز ذرات هذه المادة (فترتطم ببعضها) ، واهتزاز الذرات هو الحرارة .

فالحرارة المرتفعة تعني أن ذرات المادة تهتز بقوة ، وبالتالي ترتطم ببعضها بقوة ، أما الحرارة المنخفضة فتعني العكس ، اهتزاز أضعف للذرات وبالتالي ارتطامات أضعف .

ومع ازدياد ترددات المعالجات (سريان التيار الكهربي) ، ازدادت الحرارة المنبعثة من هذه المعالجات ،(أي ازداد اهتزاز ذراتها) .. واحتاجت إلي وسائل تبريد لتقلل من درجة الحرارة ، لأن درجة الحرارة المرتفعة جدا ستؤدي في النهاية إلي حدوث اصطدامات عنيفة للذرات ، وينتج عن ذلك أن الذرات ينتزع بعضها بعضا من شدة الارتطام ، لنجد أن المادة تنفصل عن بعضها ، وتحدث فيها تشوهات أو تشققات ، أي تلف المكونات الالكترونية في النهاية .

وقد تتسبب الحرارة العالية ،في حدوث أخطاء خطيرة في أثناء عمل المعالج ، فارتطامات واهتزازات الذرات العنيفة ، قد لا تؤدي إلي حدوث تشوه دائم في المادة ، ولكن قد تؤدي إلي حدوث ممانعة للتيار الكهربي ، فالذرات تنشغل بالتصادم وتعوق سريان التيار (وهو ببساطة حركة الكترونات هذه الذرات) ، ومتي حدثت إعاقة لسريان التيار فان بعضا من دوائر المعالج تتوقف عن العمل ، مسببة خطأ في عملية المعالجة ، وبطا في أداء الحاسوب عموما .

والحرارة تنتقل بالملامسة (ملامسة مادتين لبعضهما ) ، فذرّات المادة مرتفعة الحرارة ، تنقل اهتزازتها إلي ذرات المادة الأخري الملامسة لها (أي ترتطم بها) ، وتنتقل الاصطدامات والارتطامات إلي المادة الجديدة حتى تصبح كل ذرات المادة الجديدة متصادمة ، وبذلك تنتقل الحرارة فيها .

والتبريد يتم باستخدام مواد متماسكة الذرات ، حيث أن تماسك الذرات يقلل من تأثرها بالارتطامات ، ويقلل أيضا من قوة الاصطدام نفسها ، فالذرة التي تصطدم بذرة متماسكة ، ترتدّ عنها إلي الخلف وترتطم بزميلاتها المتصادمات الآخريات ، ويصبح الارتطام ارتطاما لذرات في اتجاهات متضادة ، قتضيع قوة الارتطام ، وتسكن الذرات المتضادة في أماكنها .

وهذه هي فكرة عمل المبردات ، فهي تلامس أسطح المعالجات المنتجة للحرارة العالية ، وتمتص طاقة هذه الحرارة (قوة الارتطامات) .

ولكل معالج مقدار معين من الحرارة يستطيع احتماله قبل أن يفسد ، ويعتمد ذلك بدرجة كبيرة علي جودة المواد المصنوع منها المعالج ، واحتمالها للحرارة ، فالمواد الرديئة ، تتطاير ذراتها بعيدا بسرعة ، وتتبخر أجزاء المادة حرفيا ، أما المواد الجيدة فتظل متماسكة لفترة أطول قبل أن تنهار .

وتعتمد كمية الحرارة المنبعثة من معالج ما علي دقة تصنيعه Manufacturing Process ، فالمعالج صاحب دقة التصنيع الصغيرة يحتوي علي أحجام أصغر من الدوائر الكهربية ، وبالتالي فحجم المعالج نفسه أصبح صغيرا أي احتوي كمية اقل من المادة المصنوع منها المعالج ، وبالتأكيد فان الكمية الأقل تنتج حرارة أقل .

وذلك عكس المعالج ذو دقة التصنيع الكبيرة ، والذي يحتوي علي دوائر كهربية بأحجام أكبر ، ويحتوي علي كمية أكبر من المادة التي صنع منها ، وهذه الكمية الأكبر تنتج حرارة أكبر بطبيعة الحال .

أيضا كلما زاد عدد الدوائر الكهربية في معالج ما (عدد الترانزيستورات) Transistor Count ، فان حرارته تزيد ، لنفس الأسباب السابقة ، والأمثلة علي ذلك تتمثل في المعالجات ذات الأربع أو الثلاث أنوية .

__________________________________

وفي المعتاد فان الشركة المصممة لمعالج ما ، تحرص علي توفير مبرد جيد ، يسد احتياجات هذا المعالج الحرارية ، ويضمن عدم تعرضه للتلف نتيجة الحرارة تحت أي ظرف كان .

وكلما زادت مساحة سطح المبرد الملامسة للمعالج ، كلما زادت قدرته علي التبريد ، وهذا منطقي ، لأن مساحة السطح الكبيرة توفر تكتّلا أكبر للذرات المتماسكة (ذرات المبرد المتماسكة) ، وهذا يساعد في سهولة امتصاص تصادمات ذرات المعالج ذات الحرارة (الاهتزازات) العالية .

بل أن حجم المبرد له علاقة مباشرة بقدرته علي التبريد ، فالمبرد الضخم ، يمثل سمكا كبيرا من طبقات الذرات المتماسكة ، هذا السمك يجعل طبقات هذه الذرات تساند بعضها بعضا ، وبالتالي يقل تأثرها بالتصادمات أكثر وأكثر ، مما يزيد من صعوبة سخونة المبرد ، وهذا يزيد من كفاءته .

وعندما أصبح المبرد غير كاف ، صممت الشركات مروحة فوق هذا المبرد ، هذه المروحة صممت لطرد الهواء الساخن من علي سطح المبرد ،ليحل محله هواء بارد ، يساهم في تبريد المبرد ، ومن ثم يتم تبريد المعالج .

وكلما زاد حجم المروحة زادت قدرتها علي طرد هواء أكثر ، وزيادة الحجم في المراوح أهم من زيادة سرعة الدوران ، لأن زيادة الحجم بمقدار الضعف يؤدي إلي ارتفاع كفاءة وظيفة المروحة بمقدار أربع أضعاف .

ومع ذلك ظهرت الحاجة إلي مبردات أكبر وأكبر ، وذلك لتسد احتياج المتحمسين Enthusiasts ، في نزعتهم إلي كسر السرعة Over Clocking!

وكسر السرعة يعني زيادة تردد المعالج إلي مستويات أكبر وأكبر ، وكما قلنا فالتردد يعني سريان التيار الكهربي ، والذي يسبب ارتطامات الذرات (الحرارة) ، و لذا فزيادة التردد تعني مباشرة زيادة الحرارة .

لذا فانه من المفهوم أن زيادة التردد (أو كسر السرعة) تتطلب الاستعانة بمبردات ذات كفاءة أكبر .

ومما سبق نستطيع أن نخمن أن أفضل المبردات ، هو أكبرها حجما ، وأوسعها في مساحة السطح ، وهو أيضا المزود بمروحة كبيرة ، ومزودة بريش كبيرة وواسعة .

ويدخل في نطاق معيار الكفاءة ، مادة المبرد نفسها ، فبعض المواد تمتلك ممانعة أكبر للحرارة (تماسكا أكبر للذرات ) ، وبعض المبردات تستخدم سبائك من مواد مختلفة لتعطي نتائج أفضل .

وينتشر في الوقت الحالي التبريد باستخدام الماء ، والماء يمتلك ممانعة كبيرة للحرارة ، فهو يحتاج إلي 100 درجة مئوية ، حتي تستطيع ذراته الانفصال تماما عن بعض (التبخر)، ويرجع ذلك إلي أن المسافة بين كل ذرة والتي تليها تكون كبيرة ، مما يقلل من التصادمات ، فالذرة تسافر مسافة طويلة إلي حدّ ما حتي تصطدم مع زميلتها .

__________________________________

وعلي الرغم من أن بعض الناس قد تستخدم كل هذه الإمكانيات المتطورة في التبريد ، إلا أن النتائج التي تحصل عليها قد لا تكون مرضية ، وذلك بسبب إغفالهم لحقيقة مهمة أخري .

وهذه الحقيقة هي أن أن المعالج ليس شيئا مستقلا ، وإنما يتصل بالمبرد والمبرد يتصل بهواء الصندوق Case ، وهواء الصندوق يتصل بهواء الغرفة Room ، وأي زيادة في درجة حرارة أي جزء من هذا النظام أو الاتصال ، يعني أن الأجزاء الأخرى تتأثر.

فزيادة درجة حرارة الغرفة مثلا ، تعني أن هواء الغرفة ساخن (ذراته تتصادم مع بعضها ) ، وهذا يؤدي إلي توزع السخونة في كل أنحاء الغرفة ، وحتى داخل الصندوق Case ، (ذرات هواء الغرفة تتصادم مع ذرات هواء الصندوق ) ، وهواء الصندوق ينقل الحرارة أيضا إلي المبرد ، فترتفع درجة حرارة المبرد بسرعة ، ويصبح في نفس مستوي حرارة المعالج ، وهنا يتحد الاثنين في طريق ثابت ، صاعدين نحو مستويات جنونية من الحرارة .

ويزيد من سوء الموقف ، وجود جيوب هوائية في الصندوق ، والجيوب الهوائية هي الهواء المحبوس بين القطع المختلفة داخل الصندوق ، مثل الهواء المحبوس بين بطاقتي رسوميات ، أو الهواء المحبوس بين غابة متشابكة من الأسلاك ، هذا الهواء المحبوس هو هواء غير قابل للتصريف أو الطرد خارج الصندوق ، فهو يظل محبوسا ، ونتيجة لذلك فانه يكتسب درجة حرارة كبيرة ، حتى يصبح ساخنا جدا لدرجة أنه ينقل سخونته إلي الهواء المطرود خارج الصندوق والي الهواء الجديد الداخل إليه ، وهذا يلغي من عمل مراوح التبريد .

لذا يجب الاهتمام بدرجة حرارة الغرفة ، وتنظيم الأسلاك والقطع الالكترونية داخل صندوق الحاسوب ، لأنها عوامل تساهم في تبريد حاسبك أكثر وأكثر .

وعن طريق تنظيم خروج ودخول الهواء داخل الصندوق ، فإننا نضاعف أكثر وأكثر من كفاءة التبريد .

وتنظيم دخول وخروج الهواء يكون عن طريق تحديد المناطق التي سيدخل منها والتي سيخرج منها ، وهو ما سنتناوله بعد قليل ..

__________________________________
إن الاهتمام بتبريد المعالجات مكسورة السرعة ، يصب مباشرة في قدرتها علي العمل لفترات طويلة ، أو في عمرها الافتراضي ، فكثرة تعرّض مادة ما للحرارة الشديدة ، يزعزع من استقرارها الذري ، وتصبح عرضة للانهيار الذري في أي لحظة ، وهذا يقلل من عمر المعالج بالطبع .
__________________________________

أثناء تصميم معالج ما ، فان المصنعين يضعون في حسبانهم أقصي درجة حرارة يستطيع نحملها هذا المعالج ، وذلك لكي يوفروا من تكاليف المبردات غالية الثمن ، حيث يتم توفير المبردات التي تكفي هذه المعالجات دون أن تزيد عن الحاجة ، فبدلا من الاستعانة بأفضل وأكفأ مبرد ، فان الشركة تصمم مبردا معقول الكفاءة بحيث يسد احتياج معالج معين ، وبذلك تستطيع تخفيض سعر هذا المعالج .

ويطلق علي هذه العملية : التصميم للحرارة باستخدام الطاقة Thermal Power Design .

وفي هذه العملية يتم حساب أقصي معدل لاستهلاك الطاقة يستنفذه هذا المعالج ...
والطاقة (أو الواط) ، تعني محصلة التيار الكهربي ، والجهد (الفولت) المعرض له المعالج ، أي تعني الفولتx التيار .

ومن المعروف أن زيادة التيار يصاحبها زيادة في الحرارة (كما وضّحنا) ، ومن المعروف أن زيادة الفولت ، أساسا تؤدي إلي زيادة التيار ، مما يؤدي إلي زيادة الحرارة في كلتا الحالتين .

وعندما يتم حساب أقصي طاقة يستهلكها هذا المعالج ، فان أقصي حرارة ينتجها المعالج تصبح سهلة الحساب ، ويلي ذلك تصميم مبرد مناسب لتشتيت هذه الحرارة .

_____________________

واليكم تجربة خفيفة تبين تأثير استخدام المبرّدات الاحترافية أثناء كسر السرعة ، وذلك باستخدام مشتت احترافي من شركة OCZ ، والتجربة قدّمها الدكتور كريم kts_2001 ، مشكورا ، علي معالج Q6600 ، بتردد افتراضي 2.4GHz :

مشتت OCZ الاحترافي ..

بدون الضغط علي المعالج Idle :

بدون كسر السرعة ، تراوحت درجات الحرارة بين 26 و 28 درجة :

كسر السرعة إلي 3.2GHz ، وصلت درجات الحرارة ما بين 33 و 36 درجة .

كسر السرعة إلي 3.76GHz ، وصلت درجات الحرارة ما بين 39 و42 درجة .

أثناء الضغط علي المعالج Load :

كسر السرعة إلي 3.2GHz ، وصلت درجات الحرارة ما بين 47 و 50 درجة :

كسر السرعة إلي 3.76GHz ، وصلت درجات الحرارة ما بين 49 55 درجة :

لا يتواني الدكتور كريم في التأكيد علي أن درجات الحرارة الرائعة تلك ، تحققت بسبب اهتمامه بدرجة حرارة الغرفة Room Temperature ، فاهتمّ الرجل بوضع الحاسوب في غرفة مزودة بمكيّف هوائي ، مما ساعد في تخفيض درجات الحرارة بصورة ممتازة .

تجربة خاصة :

لم تتوقف تجربة الدكتور كريم عند هذا الحد ، بل قام بعمل أبحاثه الخاصة علي تدفق الهواء ، والانبعاث الحراري داخل الصندوق Case :

استخدم الدكتور شمع خاص يستعمل في عمل قوالب للأسنان ، هذا الشمع يمتاز بتأثره بدرجات الحرارة المحيطة ، فعند درجة حرارة معينة ، يحتفظ بلدونته وتماسكه ، ومع زيادة درجات الحرارة يبدأ الشمع في التحول إلي مادة شبه سائلة ، والسبب بالطبع هو ارتطام ذراته ببعضها مما ينتج عنه تباعد المسافات بينها ، وتباعد المسافات بين الذرات يترجم فورا إلي سائل !

نستطيع أن نقول أن هذا الشمع حساس لدرجات الحرارة ، وعلي هذا الأساس ، قام الدكتور بإحضار كمية منه ، وتقسيمها إلي عدة قطع صغيرة ، ثم قام بتوزيع القطع علي أجزاء مختلفة من صندوق الحاسوب ، لكي يحدد أي من هذه الأجزاء تشع حرارة أكبر ، فالأجزاء التي تشع حرارة كبيرة سوف تسبب سيولة الشمع بسرعة ، والأجزاء الأقل حرارة سوف تسبب سيولة الشمع ببطء ، أو لن تسبب سيولته علي الإطلاق .

بعد اجراء التجربة كانت النتيجة كالآتي :

أكثر الأجزاء إشعاعا للحرارة ، هو مزود الطاقة والمنطقة المحيطة به بقطر 5 سم ،
يليه الجسر الشمالي علي اللوحة الأم ، والمنطقة المحيطة به بقطر 2 سم .
يليه الجسر الجنوبي علي اللوحة الأم .
يليه خليج السوّاقات Drive Bay، أو المنطقة التي تحوي الأقراص الصلبة و السواقات الضوئية ، حيث أنها منطقة ضيقة دائما .

بالطبع تم تجاهل منطقة المعالج وبطاقة الرسوميات ، لأنهما مركزين رئيسيين للحرارة ، وتركيز التجربة كان علي أجزاء الصندوق الطرفية .

ويمكننا رؤية المزيد من التفاصيل في هذه الصورة :

كل المناطق المشار إليها بالنجوم الزرقاء تعتبر منطقة انبعاث حراري ، ولن لم تكن تشع حرارة ، فهي تحتجز الهواء ، ولا تسمح بتبريده .

وجود مراوح في المنطقة A وB ، لن يخفض من درجة الحرارة إلا في حالة كون درجة حرارة الصندوق أعلي من الغرفة ، وفي حالة فتح غطاء الصندوق الجانبي ، تصبح هذه المراوح بلا فائدة .

المنطقة C تعتبر منطقة اختناق هوائي أو جيب هوائي ، لوجود أسلاك المزود بها ، ولأن المزود ينفخ فيها الحرارة مباشرة ، وهذا ما يعيب المزودات التي توضع أعلي الصندوق .

وجود مروحة في المنطقة D ، لا يفيد لأنها منطقة اختناق حراري أيضا ، بسبب وجود القرص الصلب ، وعلي هذا فالأفضل وضع مروحة جانبية في المنطقة D Modified ، أو أن يتم وضع القرص بطريقة جانبية .

وعلي هذا فالصندوق المثالي يجب أن يحتوي علي :

1-صندوق كبير وواسع ، لتقليل تكون الاحتباسات الحرارية .

2-مزود طاقة سفلي ، أي في أسفل الصندوق ، وذلك لنقل اختناقات الهواء التي تحدث عند أسلاك المزود ، إلي أسقل الصندوق بدلا من أعلاه .

3-يحتوي علي مروحة أفقية في الأعلى ، لتسحب الهواء الساخن من الصندوق وتطرده خارجا رأسا ، وهذا مناسب جدا بسبب طبيعة الهواء الساخن والتي تميل إلي الارتفاع إلي أعلي ، كما يمكن وضع مروحة رأسية في أعلي مؤخرة الصندوق (بدلا من المزود) ، لتطرد الهواء الساخن من الخلف أيضا .

4-الاهتمام باللوحات الأم التي توفر حلول تبريد جيدة لشريحة الجسر الشمالي .

5-وضع مروحة جانبية في منطقة الأقراص الصلبة ، بحيث تواجه حافة القرص الصلب الجانبية .

6-الاهتمام بأن تكون المراوح ذات حجم كبير ، وعدم الالتفات كثيرا لسرعة دورانها ، ويفضل ألا يقل حجم المروحة عن 120 مم .

مزود سفلي ، مروحة علوية وأخري في المؤخرة ..

ويتكرر الأمر هنا ..

رسم تخطيطي لمواضع المراوح ..

_______________________________

شكر خاص للدكتور كريم kts_2001 علي مشاركته ايانا تجربته الفريدة ، جعلها الله في ميزان حسناته ..

**kts_2001** · 04-11-2009, 02:17

تنسيق وترتيب رائع منك يادكتور محمد ونتمنى من جميع الاخوة الاستفادة من الموضوع
وشكر خاص ليك لانه لولا بحثك ومساعدتك لما خرج هذا الموضوع بالشكل والمستوى التقنى العالى.

**SeeNoEvil** · 04-11-2009, 02:56

تقرير ممتاز بجد !
مجهود تشكرو عليه ....

بس الصوره الاولى بتاعت درجات الحراره دي بتاعت جهازي :p
مليش دعوه فين حقوق الملكية الفكرية ! :D

شكرا لكم مره تانيه وبالتوفيق

**محمد الجوهري** · 04-11-2009, 03:00

جزاك الله كل خير يا دكتور محمد
ان شاء الله هاقرا المقال بالتفصيل غدا
و هاكون مجهز الكيس لتطبيق كل اللى حضرتك
قلته .. و لو حصل اى تغيير ساوافيكم بالنتائج
مجهود مميز كالعاده ..