Что такое испарительная камера и где она нужна: дорогое будущее систем охлаждения электроники

В последние пару лет в мире компьютерного охлаждения активно обсуждается такая интересная технология, как испарительная камера (vapor chamber). На недавней выставке Computex 2024 были представлены инновационные воздушные кулеры с испарительной камерой вместо традиционных теплотрубок. Производители обещают, что новинки смогут посоперничать с производительностью систем жидкостного охлаждения, но без риска протечек и залитий. Более того, похожая система уже применяется в игровой консоли Xbox Series X.

Что же такое испарительная камера, и почему эта технология до сих пор не стала массовой? Давайте углубимся в тему.

Что такое испарительная камера?

По сути, испарительная камера (vapor chamber) — это трёхмерный вариант привычной нам теплотрубки. Она представляет собой герметичный корпус произвольной формы, заполненный специальной рабочей жидкостью в парофазном состоянии.

Принцип работы испарительной камеры — тайна, покрытая раком: внутри камеры происходят сложные физические процессы, связанные с фазовыми переходами жидкости в пар и обратно во всём объёме камеры. Это звучит почти как тёмная магия… И, по сути, таковой и является (иначе бы технология увидела свет лет тридцать назад, до эпохи продвинутого компьютерного моделирования физических процессов), так что в дебри вдаваться не будем.

Снаружи испарительная камера выглядит как прямоугольный параллелипипед произвольного размера в горизонтальной плоскости и высотой до нескольких сантиметров. Она может иметь сложную форму с выпуклыми и вогнутыми частями во всех трёх измерениях.

Благодаря этому камеру можно идеально подогнать под конфигурацию охлаждаемого устройства, обеспечив максимально эффективный отвод тепла (в т.ч. с платы) — а за счет цельной конструкции и использования большего внутреннего объёма «чистая» эффективность также кратно превышает таковую для пакета теплотрубок той же площади.

Плюсы испарительной камеры

С технологической точки зрения испарительная камера — сплошной плюс без видимых недостатков. Вот лишь некоторые её преимущества:

1. Кратный скачок роста удельной теплопроводности по сравнению с обычными теплотрубками той же площади — от 1.4 до 2.8 раз в зависимости от формы камеры.
2. Возможность диссипации тепла со всей площади камеры. Например, можно сделать длинную и широкую камеру, положить её низом на процессорный чип, а весь верх использовать в качестве сплошного радиатора.
3. Совместимость с традиционными теплотрубками. Никто не запрещает отводить тепло уже с самой испарительной камеры на лепестки радиатора при помощи теплотрубок — это может стать бюджетным решением нового поколения.
4. Абсолютная безопасность в сравнении с системами водяного охлаждения (СВО) — никаких протечек и залитий.

Список можно продолжать и продолжать. Но, как и любая новая технология, испарительные камеры имеют свои минусы, о которых нельзя не упомянуть.

Минусы испарительной камеры

Однако, как ни парадоксально, у этой замечательной технологии есть два серьезных минуса, которые почти полностью перекрывают все ее плюсы — как минимум, на данный момент:

1. Высокая цена. Производство испарительных камер — процесс сложный и дорогостоящий, поэтому даже в виде стандартизированного модуля система охлаждения на их базе пока что в 10 и более раз дороже аналогов на теплотрубках. Со временем, при налаживании массового производства, цена может упасть вдвое-втрое, но вряд ли больше — не в ближайшие 5 лет точно.
2. Проблемы с кастомизацией. Здесь мы сталкиваемся с дилеммой: либо ты выбираешь один из нескольких стандартных «номиналов» «кубиков» с фиксированными размерами и формой, вокруг которых придется выстраивать свое решение, теряя в элегантности и эффективности, либо делаешь заказ на мелкосерийное производство индивидуальной камеры нужной формы, с правильными размерами, впуклостями и выпуклостями. Но в последнем случае её цена доходит до трети стоимости всего устройства, только начинаясь от 50 000 рублей отпускной стоимости.

Для сравнения: чтобы согнуть заводской отрезок теплотрубки в нужную форму, достаточно пресса (в промышленности), гибочного станка (в DIY) или даже двух плоскогубцев и водопроводной трубы («у нас в колхозе»). Это по карману даже энтузиастам, занимающимся самостоятельной сборкой систем охлаждения для DIY-проектов.

Зачем нужна испарительная камера (и где её используют уже сейчас)

На данный момент испарительные камеры находят применение в основном там, где классических теплотрубок или воздушного охлаждения уже недостаточно, а устанавливать систему жидкостного охлаждения опасно или нецелесообразно. Кастомизированные камеры сложной формы можно встретить в премиальных ноутбуках, а стандартизированные варианты испарительнйо камеры для процессора — в новых кулерах ведущих производителей или системе охлаждения Xbox Series X.

Также, встретить новую систему охлаждения можно в других устройствах ТОП-сегмента — например, встретить испарительные камеры можно в видеокартах (4090), игровых смартфонах, где они отводят тепло с SoC на всю заднюю стенку и других устройствах, отвечающих критериям выше — воздуха мало, водянка — опасно, либо деньги тратить некуда.

Вероятно, в следующем поколении консолей мы увидим также испарительные камеры полного профиля, которые смогут справиться с интенсивным нагревом будущих чипов.

Чего ждать от Xbox Series XXX и PS6

Вытеснит ли испарительная камера «водянку»?

Как и любая другая технология, испарительные камеры будут со временем становиться доступнее. Сейчас это решение по карману лишь крупным корпорациям, затем оно станет выбором очень богатых энтузиастов (когда на рынок выйдут новые кулеры с Computex)… Но если (а вернее, когда) цена кулера на базе испарительной камеры будет превышать стоимость системы жидкостного охлаждения всего лишь в 2-3 раза за тот же уровень TDP (рассеиваемой мощности), я уверен, что многие, не задумываясь, выберут именно этот вариант.

Дело в том, что за годы работы компьютерным мастером я видел немало случаев, когда из-за отказа или протечки системы жидкостного охлаждения заливало и выводило из строя дорогостоящие комплектующие. Для самодельных контуров СВО риск, понятное дело, ещё выше. Поиграли в это «водное» дело и, пожалуй, хватит.

Испарительная камера лишена такого существенного недостатка, оставаясь при этом мощным и компактным решением для отвода тепла. Её герметичная конструкция и низкое давление внутри полностью исключают возможность протечек. В сочетании с высокой производительностью и отсутствием движущихся частей это выглядит очень привлекательно, особенно для производителей дорогой электроники.

Будущее испарительной камеры

На мой взгляд, за испарительными камерами всё равно будущее, ведь преимуществ у этой технологии гораздо больше, чем недостатков. Камеры можно использовать и как «огромные теплотрубки» с прямым отводом тепла, и как компактные термоинтерфейсы, увеличивающие площадь теплосъёма между маленьким кристаллом и обычными теплотрубками.

Однако за это будущее придется заплатить. Охлаждение электроники, скорее всего, подорожает так же, как это случилось при переходе от цельноалюминиевых радиаторов к конструкциям на теплотрубках в конце 2000-х годов. Но в долгосрочной перспективе такие затраты себя оправдают, обеспечив лучший тепловой режим наших гаджетов.

Возможно, лет через 5-7 испарительные камеры станут стандартом де-факто для систем охлаждения компьютерной техники и другой электроники. А пока это дорогостоящее, но крайне перспективное решение, которым уже пользуются передовые производители. Будущее уже здесь, и оно выглядит многообещающе.

Почему 775 сокет отказывается умирать… Через 20 лет?!

Выбираем ноутбук на RTX 4080: 5 моделей с экраном 16 дюймов и нативной русской раскладкой

Выбираем легкий ультрабук для походной работы: 10 моделей весом до 1.8 кг с русской раскладкой