Предисловие

Тестирование процессорных кулеров (или процессорных охладителей), несмотря на относительную простоту самих устройств, не такая простая задача. Наверное, главная проблема при проведении тестирования процессорных кулеров — определение метода и способа их тестирования. В интернете можно найти несколько различных подходов к этой проблеме, но, как говорится, сколько людей, столько и мнений, поэтому далее мы представим наш собственный взгляд на тестирование кулеров.

Обычно тестирование кулеров сводится к измерению температуры процессора при различных режимах его загрузки, то есть оценивается эффективность охлаждения конкретного процессора. Еще одним важным параметром для кулеров является шум, издаваемый ими при работе, который достоверно можно измерить только с помощью чувствительного шумомера и в помещении с очень низким уровнем фонового шума. С нашей точки зрения, наглядным представлением результатов тестирования может быть зависимость уровня шума от температуры процессора при фиксированной нагрузке, когда изменяется только производительность кулера. Однако при этом остается жесткая привязка к используемому процессору и температурным условиям стенда, которые заведомо отличаются от реальных. Поэтому мы дополнили методику расчетом максимально допустимой мощности, потребляемой процессором, для условий нагретого до 44 °C воздуха и комфортного уровня шума.

Условия и 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 в пределах от 0 до 100% с частотой 25 кГц и амплитудой 5 В. Напряжение питания регулируется 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.

В тестах кулеров преимущественно используется управление с помощью ШИМ, если ШИМ не поддерживается, то изменяется напряжение питания вентилятора. Иногда в качестве дополнительного теста используется комбинированный способ управления, как с помощью ШИМ, так и напряжением, который в некоторых случаях позволяет еще больше снизить скорость вращения вентилятора.

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. Поэтому для тестирования процессорных охладителей, поддерживающих установку на процессоры Intel с разъемом LGA 2011, мы используем стенд, состоящий из системной платы ASRock X99 Taichi и процессора Intel Core i7-6900K. У процессора отключен режим Turbo Boost, и для всех ядер выставлен множитель 35, то есть все ядра работают на фиксированной частоте 3,5 ГГц.

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 при тестировании кулеров нам очень сильно мешает. 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.

Температура окружающего воздуха в ходе тестирования поддерживается на уровне 24 °C с помощью кондиционера с инверторным компрессором, позволяющим минимизировать перепады температуры. Для лучшего выравнивания температуры в помещении и, в частности, в области тестируемого охладителя мы в дополнение к вентиляторам кондиционера применяли бытовой вентилятор, работающий на минимальной скорости и направленный с расстояния в примерно 1,3 м на стенд. 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.

Процессор загружается на 100% с помощью программы Prime95 (версии 28.4). Она нагружает процессор больше, чем тест Stress FPU из пакета AIDA64, но при работе Prime95, по всей видимости, есть короткие провалы в нагрузке, поэтому окончательный выбор мы сделаем после нескольких дополнительных тестов. Потребление процессора Intel Core i7-6900K при замерах по дополнительному разъему 12 В на мат. плате под нагрузкой Prime95 меняется от 150 Вт при 50 °C температуры процессора до 170 Вт при 90 °C. В случае процессора AMD Ryzen 7 1800X и частоты 2,5 ГГц потребление менялось от 41 Вт при 46 °C до 45 Вт при 69 °C, а при частоте 3,625 ГГц потребление менялось от 156 Вт при 56 °C до 178 Вт при 77 °C. Для расчета промежуточных значений потребления обоих процессоров использовалась линейная интерполяция. Отметим, что с большой вероятностью показания датчика(-ов) температуры в случае процессора AMD Ryzen 7 1800X занижены, но мы пока этот момент сознательно игнорируем.

Температура процессора контролируется с помощью утилиты System Stability Test из пакета AIDA64. Поскольку в случае процессора Intel Core i7-6900K утилита показывает температуру для каждого из ядер, за температуру процессора берется среднее арифметическое значение от средних значений температуры по всем ядрам на период измерения. Первоначально вентилятор(ы) тестируемого охладителя включается в режим максимальной производительности и процессор выдерживается под максимальной нагрузкой не менее 30 минут, чего достаточно для стабилизации температуры. Усреднение показаний проводится 30 секунд, затем снижается скорость вращения вентилятора кулера, обычно снижением КЗ ШИМ на 10%, 5 минут дается на стабилизацию температуры, 30 секунд снимаются показания, и так далее, до тех пор пока система не отключается от перегрева или процессор не переходит в режим дросселирования тактов или вентилятор не останавливается. 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.

Применяется оригинальная нанесенная на поверхность теплосъемника кулера термопаста (термоинтерфейс). Если термопаста прилагается отдельно, то она наносится на центр крышки процессора в объеме примерно с горошину, после чего кулер устанавливается на процессор, при этом предварительное распределение термопасты не проводится. Если термопасты в комплекте нет или она утеряна, то используется лучшая термопаста из имеющихся в наличии.

Измерение уровня шума проводится в специальной звукоизолированной камере с повышенным звукопоглощением. Вынесенный на кабеле микрофон шумомера Октава-110А-Эко располагается в 50 см от центра процессорного разъема на высоте 50 см от плоскости системной платы, так что расстояние до процессора по прямой составляет около 70 см. 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 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. Показания уровня шума снимаются после первоначальной стабилизации в течение 30 минут в режиме максимальной производительности охладителя. Усреднение показаний проводится 10 секунд, затем скорость вращения вентиляторов снижается, выдерживается пауза до стабилизации показаний, но не менее 30 секунд, и цикл замеров повторяется. По возможности измерения уровня шума проводятся в тех же режимах работы кулера, что и в случае испытаний под нагрузкой. Если это невозможно, то для сопоставления результатов уровни шума для требуемых скоростей вращения вентиляторов рассчитываются с помощью нелинейной интерполяции.

Отдельно стоит отметить, что уровень шума, измеренный нами, может существенно отличаться от того, который указывается в характеристиках производителя. Также мы не беремся утверждать, что значения менее 20 дБА достоверны, но получаемые величины от фонового уровня до 20 дБА, по крайней мере, соотносятся с реальным изменением уровня шума. Согласно нашим замерам, при отсутствии явных источников шума показания шумомера в нашей камере могут снижаться до 16,2 дБА. Субъективно уровень шума при этом настолько низкий, что воспринимается среднестатистическим человеком как полная и «гнетущая» тишина. Зависит, конечно, от индивидуальных особенностей и других факторов, но где-то от 40 дБА и выше шум, с нашей точки зрения, очень высокий для настольной системы, от 35 до 40 дБА уровень шума относится к разряду терпимых, ниже 35 дБА шум от системы охлаждения не будет сильно выделяться на фоне типичных небесшумных компонентов ПК — вентиляторов корпусных, на блоке питания, на видеокарте, а также жестких дисков, а где-то ниже 25 дБА кулер можно назвать условно бесшумным.

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, 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 тестирования

1. Определение зависимости скорости вращения вентилятора 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, при котором вентилятор начинает вращение и при котором прекращает его.
2. Определение зависимости температуры процессора при его полной загрузке от скорости вращения вентилятора кулера. Результат — один график: температура от скорости вращения.
3. Определение уровня шума в зависимости от скорости вращения вентилятора кулера. Результат — один график: уровень шума от скорости вращения.
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 лимит мощности для сохранения условной бесшумности работы охладителя.

Чтобы наглядно продемонстрировать, что мы в итоге получаем, приведем результаты, полученные нами при тестировании кулера Cooler Master MasterAir Pro 4. Полную версию статьи с обсуждением результатов читайте по ссылке выше.

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

В качестве небольшого заключения 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. п. Поэтому при тестировании кулеров мы сосредоточились на измерении и сопоставлении именно этих двух характеристик — эффективности охлаждения и уровня создаваемого шума.