Методика тестирования процессорных охладителей образца 2020 года

Предисловие

Первым и очевидным этапом тестирования кулеров является измерение температуры процессора во время его максимальной загрузки. В случае пассивных кулеров этим можно было бы и ограничиться. Кулеры с активными охлаждающими элементами — вентилятор(ы) у воздушных кулеров плюс помпа у систем жидкостного охлаждения — шумят. Поэтому на втором этапе мы измеряем уровень шума при работе кулера в различных режимах. Соответственно, в этих же режимах измеряется и температура нагруженного процессора. Также его реальное потребление.

Чтобы полученные результаты можно было переносить на другие условия, а именно на различные сочетания температуры окружающего воздуха и максимально допустимой температуры процессора, мы рассчитываем полное термическое сопротивление системы процессор—кулер. Это позволяет определить максимально допустимую мощность, потребляемую процессором, для данного уровня шума. Для примера в статье мы приводим такую зависимость для условий нагретого до 44 °C воздуха и 80 °C максимальной температуры процессора.

Условия  инструменты тестирования

Исследуемая модель кулера (вернее, его вентилятор(ы)) подключается к внешнему ШИМ-контроллеру и управляемому блоку питания. Применяемый ШИМ-контроллер позволяет задавать коэффициент заполнения (КЗ) в пределах от 0 до 100% с частотой 25 кГц и амплитудой 5 В. Напряжение питания регулируется в диапазоне от 0 до 15 В (в тестах — только до 12 В). Одновременно регистрируются реальное напряжение (отличается от задаваемого не более чем на 0,1 В), ток, потребляемый вентилятором, скорость вращения вентилятора (снимаются показания встроенного в вентилятор датчика) и температура воздуха (выносной датчик). Для указанных параметров оператору демонстрируются текущее значение, минимальное, максимальное и среднее за период текущего цикла регистрации. По команде эти данные сохраняются в файл или копируются в буфер обмена.

Материнская плата ASRock X99 Taichi:

Увы, отказаться от использования процессора как основного «нагревательного» элемента нельзя в силу того, что реализовать управляемую модель процессора с изменяемыми параметрами достаточно сложно, особенно с учетом разнообразия типов процессорных разъемов и видов креплений для установки кулера.  У процессора отключен режим Turbo Boost, и для всех ядер выставлен множитель 35, то есть все ядра работают на фиксированной частоте 3,5 ГГц.

Тестирование процессора Core i9-7980XE Extreme Edition: новая 18-ядерная вершина LGA2066 по впечатляющей цене

На настоящий момент такая система является не очень актуальной, поэтому на момент публикации данной методики тесты для кулеров с поддержкой LGA2011 / LGA2066 мы выполняем с процессором Intel Core i9-7980XE на ядре Skylake-X (HCC) с использованием материнской платы ASRock X299 Taichi.

Результаты тестов показывают, что процессор Intel Core i9-7980XE охлаждается гораздо лучше, чем Intel Core i7-6900K, то есть первый греется немного больше, но потребляет гораздо больше энергии, чем второй. Данный факт можно объяснить разницей в площади кристалла, у Intel Core i9-7980XE (Skylake-X (HCC)) она значительно больше: 484 мм², тогда как у Intel Core i7-6900K (Broadwell-E) — всего 246 мм².

Отрицательным моментом является то, что при переходе на тестирование систем охлаждения с использованием Intel Core i9-7980XE не сохраняется преемственность, то есть результаты нельзя сравнивать с теми, что получены на процессоре Intel Core i7-6900K. В тестах все ядра процессора Intel Core i9-7980XE работают на фиксированной частоте 2,6 ГГц (множитель 26), 2,8 ГГц (множитель 28) или 3,2 ГГц (множитель 32).

Инструменты тестирования

Процессор AMD Ryzen 7 1800X:

Для тестирования процессорных охладителей, поддерживающих установку на процессоры AMD с разъемом AM4, мы используем стенд, состоящий из системной платы Asus Crosshair VI Hero и процессора AMD Ryzen 7 1800X. Процессор имеет функцию, автоматически снижающую частоту в случае сильного повышения температуры, которая очень сильно мешает нам при тестировании кулеров. Эта функция отключается при использовании некоторых нестандартных множителей. Также этот процессор под нагрузкой имеет высокое потребление и, соответственно, тепловыделение, с которым кулеры слабой производительности справиться не могут. В итоге для мощных кулеров мы устанавливаем множитель чуть выше стандартного, а именно 36,25, то есть ядра процессора работают на частоте 3,625 ГГц, а в случае слабых кулеров множитель равен 25, и частота составляет 2,5 ГГц.

Тестирование процессоров Ryzen Threadripper 2950X и 2990WX (второе поколение Ryzen Threadripper)

Для кулеров, способных охлаждать процессоры AMD Ryzen Threadripper, первоначально мы использовали процессор AMD Ryzen Threadripper 1920X. Тесты выполнялись при фиксированной частоте ядер 3,7 ГГц. Однако этот процессор отличается не очень большим потреблением (для своей платформы) и крайне большой нестабильностью в показаниях датчика температуры. В итоге мы от него отказались и тестирование стали проводить на процессоре AMD Ryzen Threadripper 2990WX. В тестах используется указанный процессор и материнская плата Asus ROG Zenith Extreme. Все ядра процессора работают на фиксированной частоте 3,5 ГГц (множитель 35).

В качестве дополнительного теста мы иногда проверяем, как кулер справится с охлаждением процессора AMD Ryzen 9 3950X. Процессоры семейства Ryzen 9 являются сборками из трех кристаллов под одной крышкой. В тестах используется указанный процессор и материнская плата ASRock X570 Taichi. Все ядра процессора работают на фиксированной частоте 3,6 ГГц (множитель 36). Для установки этой частоты используется программа A-Tuning производителя системной платы. В качестве нагрузочного теста применялась программа powerMax (с использованием системы команд AVX).

Температура

Температура окружающего воздуха в ходе тестирования поддерживается на уровне примерно 24 °C. В теплое время — с помощью кондиционера с инверторным компрессором, позволяющим минимизировать перепады температуры. В холодное время обычно достаточно батарей центрального отопления и периодического проветривания помещения. Для лучшего выравнивания температуры в помещении и, в частности, в области тестируемого охладителя мы в дополнение к вентиляторам кондиционера применяем бытовой вентилятор, работающий на минимальной скорости и направленный на стенд с расстояния примерно в 1,3 м. Чтобы учесть неизбежные колебания температуры окружающего стенд воздуха, для каждого измерения из температуры процессора мы вычитали реальную температуру воздуха, и, чтобы удобнее было сравнивать с предыдущими результатами тестирования кулеров, прибавляли значение базовой температуры в 24 °C.

Первоначально нагрузку на процессор мы создавали с помощью программы Prime95 (версии 28.4). Она нагружает процессор сильнее, чем тест Stress FPU из пакета AIDA64, но при работе Prime95 есть короткие провалы в нагрузке, что осложняет точное измерение потребления. Поэтому от этой программы мы отказались в пользу теста Stress FPU из пакета AIDA64. Также в ряде случаев для нагрузки мы используем программу powerMax, в которой выбираем вариант теста, основанного на системе команд AVX.

Температура процессора контролируется с помощью утилиты System Stability Test из пакета AIDA64. Поскольку в случае многоядерных процессоров утилита показывает температуру для каждого из ядер, за температуру процессора берется среднее арифметическое значение от средних значений температуры по всем ядрам на период измерения.

Помпа

Режим работы помпы в случае систем жидкостного охлаждения оговаривается отдельно, обычно это режим максимальной производительности на время всего теста. Специальные программы производителей систем охлаждения по возможности не используются или используются только для оценки их работы.

Потребление процессора определяется с помощью замера силы тока по одному или двум дополнительным разъемам 12 В на мат. плате. Суммарная и усредненная за 10 секунд сила тока умножается на усредненное за 10 секунд значение напряжения по шине 12 В. Под нагрузкой с помощью описанных выше тестов потребление по шинам с другим напряжением и по другим разъемам на материнской плате обычно мало отличается от режима простоя, поэтому в тестах не учитывается. В таблице ниже для примера приведены значения потребляемой мощности для различных вариантов сочетаний процессора, вида нагрузки, частоты работы и температуры процессора.

Теперь в тестах мы используем термопасту стороннего производителя с достаточно хорошими характеристиками. В случае процессоров Intel Core i9-7980XE и AMD Ryzen Threadripper используется многоточечное нанесение термопасты:

После завершения тестов с нагрузкой кулер снимается с процессора, а поверхности крышки процессора и теплосъемника кулера фотографируются, что позволяет задокументировать особенности распределения термопасты.

Измерение уровня шума проводится в специальной звукоизолированной камере с повышенным звукопоглощением.

Микрофон направлен на центр процессорного разъема. Такое местоположение было выбрано для того, чтобы не привязываться к габаритам тестируемого кулера. В случае систем жидкостного охлаждения аналогично измеряется уровень шума от помпы с интегрированным теплосъемником. При этом вентиляторы на радиаторе отключаются (если это возможно). При замере уровня шума от вентиляторов на радиаторах и/или от вынесенных помп систем жидкостного охлаждения отсчет 50 см вверх и вбок ведется от центра нижней плоскости этих частей. Вентиляторы всегда располагаются так, чтобы создаваемый ими поток воздуха шел перпендикулярно относительно направления на микрофон.

Тестовый компьютер во время измерений выключен, управление контроллером проводится по USB с размещенного снаружи (измерительной камеры) компьютера с пассивным охлаждением. Текущие показания шумомера фиксируются с помощью веб-камеры. За результат берется минимальный уровень шума (усредненный за одну секунду) за текущий период измерений.

Представление результатов

Чтобы уйти от условий тестового стенда к более реалистичным сценариям, допустим, что температура воздуха, забираемого вентилятором(-ами) системы охлаждения может повышаться до 44 °C. Но температуру процессора под максимальной нагрузкой недопустимо повышать выше 80 °C. Ограничившись этими условиями и используя полученные ранее данные, можно построить зависимость реальной максимальной мощности (TDP_макс), потребляемой процессором, от уровня шума. Приняв 25 дБА за критерий условной бесшумности, получим примерную максимальную мощность процессоров, соответствующих этому уровню в случае тестируемого охладителя. Этапы расчета:

1. На основании экспериментальных данных рассчитываем полное термическое сопротивление системы процессор—кулер:
   R_th = (T_cpu − T_room) / P, где R_th — термическое сопротивление, К/Вт; T_cpu — температура процессора, °C; T_room — температура температура воздуха, °C; P — потребление процессора, Вт.
2. Затем выполняем обратный перерасчет. Для заданного значения температура воздуха (44 °C) и температуры процессора (80 °C) рассчитываем максимальную мощность.
   TDP_макс = (T_cpu′ − T_room′) / R_th, где T_cpu′ — заданная температура процессора, °C; T_room′ — заданная температура воздуха, °C; TDP_макс — максимальная мощность, Вт.

Каждому рассчитанному значению TDP_макс соответствует свое значение уровня шума. Это позволяет построить зависимость TDP_макс от уровня шума. Ниже даны ссылки на страницы с интерактивными графиками. В них читатель может ввести свои значения для температуры процессора и температуры воздуха и увидеть полученные значения максимальной мощности. Также сравнить выбранный кулер с другими, протестированными в аналогичных условиях.

Этапы тестирования

1. Определение зависимости скорости вращения вентилятора(-ов) кулера от коэффициента заполнения ШИМ и/или напряжения питания. Результат этапа — один или два графика: скорость вращения от КЗ и/или напряжения. Дополнительно: определение напряжения питания и КЗ, при которых вентилятор начинает вращение и при которых останавливается. Аналогичные тесты проводятся и для помпы в случае тестирования СЖО.
2. Определение зависимости температуры процессора при его полной загрузке от скорости вращения вентилятора(-ов) кулера. Результат — один график: температура от скорости вращения.
3. Определение уровня шума в зависимости от скорости вращения вентилятора(-ов) кулера. Результат — один график: уровень шума от скорости вращения. Аналогичный тест может быть проведен и для помпы в случае тестирования СЖО.
4. Построение зависимости уровня шума от температуры процессора при его полной загрузке. Результат — один график: уровень шума от температуры.
5. Построение зависимости реальной максимальной мощности от уровня шума. Результат — один график: мощность от уровня шума и определение лимита мощности для сохранения условной бесшумности работы охладителя.

Этап 1. Определение зависимости скорости вращения вентилятора кулера от коэффициента заполнения ШИМ и/или напряжения питания

P, Q и S — это три режима работы вентилятора кулера. Вентилятор останавливается при снижении напряжения до 3,3 В и запускается от 3,6 В.

Этап 2. Определение зависимости температуры процессора при его полной загрузке от скорости вращения вентилятора кулера

Этап 3. Определение уровня шума в зависимости от скорости вращения вентилятора кулера

Этап 4. Построение зависимости уровня шума от температуры процессора при его полной загрузке

Этап 5. Построение зависимости реальной максимальной мощности от уровня шума

Заключение

Отметим, что данная методика вряд ли представлена в окончательном виде — скорее всего, она продолжит совершенствоваться. На наш взгляд, любой кулер в конечном счете должен отвечать как минимум двум главным критериям. Во-первых, он должен справляться с охлаждением процессора при максимальной нагрузке. А во-вторых, должен быть тихим. Если кулер отвечает этим двум критериям, то совершенно неважно, какова скорость вращения его вентилятора, какой воздушный поток он создает, и т. д. Поэтому при тестировании кулеров мы сосредоточились на измерении и сопоставлении именно этих двух характеристик — эффективности охлаждения и уровня создаваемого шума.