الانبعاث الحراري في الحاسوب

 الحرارة ، خطر يهدد الحواسب الشخصية،كلنا يعرف تقريبا أن أجهزة الحاسوب تصدر قدرا ملحوظا من الحرارة ،ازداد 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 ،تستطيع 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 ،صندوق كبير وواسع ، لتقليل تكون الاحتباسات الحرارية ،مزود طاقة سفلي ، أي في أسفل الصندوق ، وذلك لنقل اختناقات الهواء التي تحدث عند أسلاك المزود ، إلي أسقل الصندوق بدلا من أعلاه ،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 ،الاهتمام باللوحات الأم التي توفر حلول تبريد جيدة لشريحة الجسر الشمالي ،وضع مروحة جانبية في منطقة الأقراص الصلبة ، بحيث تواجه حافة القرص الصلب الجانبية ،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