Chladiče a chlazení

Chlazení moderní verze SSD disku - M.2 NVMe

    Pokud jste na tento typ ještě nenarazili - začíná se masově rozšiřovat od roku 2018 a brzy pravděpodobně ovládne celý trh. Má totiž jednu úžasnou vlastnost - a to je rychlost. Původní IDE disky dosahovaly ke konci svého vývoje rychlosti 133MB/sec a SATA 3 se mohla chlubit dokonce 600MB/sec - ovšem pozor - to byly pouze rychlosti "na sběrnici" - tedy mezi diskem a základní deskou. Vlastní vyhledávání dat a jejich načítání na ploše na disku bylo mnohem pomalejší - někde na úrovni 100MB/sec. A tak nástup SSD disků posunul celou diskovou technologii velkým skokem kupředu - a SSD disky velmi rychle začaly dosahovat to maximum, které jim rozhraní SATA 3 dovolovalo, tedy 600MB/sec.
    Samozřejmě - technici ve vývoji si rychle uvědomili, že skutečné možnosti SSD disků jsou neskonale větší. Jenže najednou je brzdila právě ta ještě nedávno úžasná SATA 3. Takže pryč s ní ! A místo ní použijeme co ? No nejlépe rozhraní PCI Express - to už máme v dnešní době všude - a je rychlejší ! A aby se to ještě trochu vylepšilo - tak se k tomu vymyslel úplně nový konektor, který se nazval M.2 - což sice není název zrovna zvučný, zato je to "dělo". Jeho možnosti jsou někde úplně jinde než u staré SATy - teoreticky zvládne až 4.000MB/sec. A vývojáři nových SSD disků se mohou opět snažit - od 800MB/sec přes 1200MB/sec - 1500MB/sec - 2000MB/sec až po dnešní (2019) super-rychlé disky dosahující 3500MB/sec. A co vám mám povídat, ono to opravdu odsejpá - až neskutečně.

Ukázka moderního notebooku - pokud hledáte baterku, tak tady už není takový ten klasický trámeček, který se zacvakával
na horní straně - místo toho dnes baterie zabírá většinu prostoru notebooku (ano, to je ta velká černá placka s nápisem lenovo)
a veškerá elektronika se tísní po okrajích. A ten zelený mrňousek v pravém horním rohu - tak to je právě M.2 disk.

    Že se tyto disky prosadily do notebooků je jasné - jsou malinké, lehké a navíc - vůbec jim nevadí, když se s nimi tříská. Takže pro notebook ideální. Ale ono není marné ani jejich použití ve stolním počítači - tam sice rozměr ani váha nehrají roli, ale můžeme využít jejich až neskutečnou rychlost - Widle opravdu nabíhají za pár vteřin a některé diskové operace, na které člověk čekal a čekal a čekal jsou dnes hotové natotata (a možná ještě o něco rychleji). Např. naposledy jsem klonoval systémový disk, nainstalovaný právě na M.2 nosiči. A celková doba? Jedna a půl minuty !

    Bavil jsem se teď s jedním mladým kolegou a zamyslel jsem se nad chlazením těchto disků
(jejich správný název je M.2 NVMe  - Non-Volatile Memory Express. M.2 je také označován jako slot NGFF - Next Generation Form Factor).
Podíval se na mě pohrdavě - jako na starou strukturu - a poučil mě, že tyhle disky nemají téměř žádnou spotřebu, takže se nemají od čeho zahřívat a navíc - jsou čistě polovodičové, tudíž nezničitelné, proti velkým teplotám zcela odolné a tím pádem prakticky věčné. O čemž se mohu dočíst asi tak na 1000 místech na internetu.

    Měl naprostou pravdu - tedy s tím počtem článků, kde se o tom píše. Jen - bohužel - s tou chybou, že jinak na tom té pravdy není ani trocha .
Naopak - všechno je úplně jinak.

    Pokud mi nevěříte - začneme několika fotkama - ty vás snad přesvědčí, že mám pravdu. Nulová - respektive zanedbatelná spotřeba ? náhodně jsem sebral na stole tři HDD z notebooku - s těmi snad bude nejlépe nové NVMe disky srovnávat. Když se na ty fotky podíváme, najdeme tam údaje o napájecím napětí. Všechny disky mají samozřejmě 5V - liší se jen proudem. První (je úsporný) má 0,5A, druhý 0,85A a ten třetí 1A. Což je asi tak běžný rozsah, v jakém se ntb disky pohybují. A jejich (maximální) spotřeba ? Snadno si spočítáme, že ten první má 2,5W a ten poslední 5W - a v těchto relacích se budou zhruba pohybovat spotřeby všech notebookových plotnových disků.

    U NVMe disků sice nemůžu "hrábnout" do toho, co se mi válí na stole (tolik mi jich zatím rukama neprošlo), ale něco doma přece jen mám. A na štítcích mají napsané i ty spotřeby. Ten první - 3,3V a 2,4A - tedy 7,9W, druhý má 3A - tedy téměř 10W. Na první pohled vidíme, že jejich spotřeba je zhruba dvojnásobná než u běžných klasických disků - takže o nějaké úspornosti se moc mluvit nedá a o nulové spotřebě už vůbec ne. 

Horní disk Samsung SM951 256GB, spodní Transcend MTE220S 512GB

     A jak moc se zahřívají ? No tak to záleží na tom, jak moc rychle se toho tepla zase dokážou zbavit - každé těleso teplo vyzařuje sáláním - a čím větší má plochu, tím lépe. Klasický ntb disk měl rozměr 70x100mm, tedy 70cm2 (z každé strany). A při jeho spotřebě vychází, že na 1cm2 připadlo 0,035 až 0,07W - což je rozumná hodnota, takový disk se pak dokáže velmi snadno uchladit sám. A nové M.2 NVMe disky ? Ty mají rozměr 22x80mm, t.j. 17,6cm2 - tedy mnohem méně. A díky větší spotřebě připadá na 1cm2 asi 0,5W - tedy asi 10x více. Ale není to jen to 10x horší ochlazování

- je tu i mnohem menší hmotnost.

Co ta s tím má co dělat? No než zahřejeme velkou hmotu, tak to chvíli trvá (voda na kafe vám vaří za minutu, než začne vřít voda ve velkém hrnci - to se načekáte...). Kdežto malá součástka se logicky stejným množstvím tepla ohřeje mnohem rychleji. A zatímco ntb disk váží asi tak 80-100g, u M.2 NVMe disku je to 10x méně - obvykle 6-8g. A protože má 2x vyšší spotřebu a 10x menší hmotu, zahřeje (přehřeje) se asi tak 20x rychleji - a to už může být nebezpečné..A klasický 3,5" disk? Plocha cca 100x150mm, hmotnost cca 0,5kg.

 
Srovnání - moderní M.2 NVMe, klasický (plotnový) notebookový disk 2,5" a konečně "velký" 3,5" disk do stolního počítače.

Hodnoty jsou průměrné (každý model je samozřejmě trochu jiný).
Ovšem na první pohled je jasné, že tepelné zatíženi M.2 disku je oproti těm mechanickým řádově vyšší.
A co se týká rychlosti ohřívání (přehřívání) - ta je oproti ntb disku 20x vyšší, oproti klasickému 3,5" disku je rychlost zahřívání vyšší dokonce 50x !!
 

    V praxi - NVMe disk, který je jinak celkem studený se po zahájení práce - načítání dat - zahřeje na 60°C za necelých 10sec a vzápětí již některé jeho chipy mají dokonce teplotu přes 80°C. Ano, tihle mrňousci se zahřívají nejen rychle, ale také nerovnoměrně - vznikají na nich snadno velmi horká, přehřátá místa která ohrožují jejich funkci.
    Výrobce s tím samozřejmě počítá - a aby nedošlo ke kritickému přehřátí a k poruše, tak po překročení určité teploty se disk uměle zpomaluje - vkládá do svého režimu wait-stavy (čekání). Disk potom místo režimu 
PRACUJI-PRACUJI-PRACUJI
- nastaví tepelně úspornější režim:
PRACUJI -flákám se- PRACUJI-flákám se- PRACUJI-flákám se
 -  případně při ještě vyšším oteplení 
PRACUJI-flákám se-flákám se-flákám se-PRACUJI-flákám se-flákám se-flákám se- 
což sice sníží teplotu, ale v důsledku zpomaluje původně bleskový disk na poloviční nebo dokonce čtvrtinovou rychlost. A to my samozřejmě nechceme - naopak, když už jsme si za tenhle zázrak připlatili, tak ať to jede na plné pecky. Nezbývá než - CHLADIT !!!

    Pokud se jedná třeba o disk v notebooku, pak se s tím moc dělat nedá. Není tam dost místa ani na chladič, ani na další ventilátor. Ale v běžném počítači můžeme disk chladičem opatřit - a dosáhneme hned tří výhod:

1) chladič vyrovná teploty jednotlivých čipů - zmizí přehřáté body - teplota se zprůměruje a tím pádem ta nejvyšší klesne
2) chladič bude mít větší povrch a tak rychleji odvede z disku teplo - podstatně sníží jeho teplotu
3) i lehký hliníkový chladič bude mít oproti tenké destičce NVMe disku větší hmotu - celková hmota celé sestavy se tedy zvýší i několikrát a úměrně tomu bude několikrát déle trvat, než dojde k přehřátí - a během té delší doby dojde k průběžnému ochlazování - prostě nedostáváme se tak snadno do situace, kdy disk musí vkládat wait-stavy a zpomalovat.

    Vzhledem k tomu, že máme uchladit výkon cca 5-10W nepotřebujeme žádné extra velké chladiče. To je sice dobře, na druhé straně nám na chladič obvykle nezbývá ani moc místa. Vlastně máme celkem tři situace:

1) M.2 disk je umístěn "volně" - tedy buď za zády grafické karty, nebo ve druhém slotu, kde není ničím omezován (respektive v sestavě vůbec samostatnou grafickou kartu nepoužíváme). V tomto případě máme pod diskem prostor asi 5mm - nad diskem nejsme výškou chladiče (téměř) omezeni vůbec.
V tomto případě si můžeme zvolit největší (nejvyšší) možné chladiče a dosáhneme opravdu kvalitního chlazení.

2) M.2 disk je umístěn pod grafickou kartou. Nepříjemná situace (a bohužel velmi běžná - konstruktéři základních desek na to moc nemyslí). Chladič grafické karty někdy nedává více prostoru než pár milimetrů - a my pak musíme použít ty nejtenčí chladiče o tloušťce jen 2-5mm. Nezvětšíme sice příliš plochu, ze které sálá teplo, ale alespoň zvětšíme hmotu (disk+chladič) a hlavně odvedeme teplo z chipů, které se nejvíce přehřívají.

3) M.2 disk je umístěn v nějaké redukci - její konstrukce je příliš úsporná a disk se pak téměř dotýká podkladu. Pokud je disk jenom "jednostranný" - tedy pokud jsou na něm součástky jen shora, pak se nic moc neděje. Ale pokud má disk součástky z obou stran, potom vzniká problém s přehříváním, který lze vyřešit pouze ventilátorem.

Na prvním obrázku vidíme redukci - pokud nemáme M.2 konektor na základní desce, můžeme použít tuto redukci do PCI Express slotu - a už to běží !!
Jenom pozor - nejen že nám to zabere jeden volný slot pro grafickou kartu (máme vůbec nějaký volný ?) 
ale navíc to musí být PCI Express 3. generace - jinak disk v počítači neuvidíme.
A ještě jeden poznatek - rychlost NVMe disku v základní desce je stejná jako v přídavné redukci - nenaměřil jsem žádný rozdíl.

A když se na redukci dobře podíváme - hned vidíme jedno úskalí:
konstruktér měl sice kolem místa habaděj, ale stejně to vymyslel tak, že je NVMe disk k vlastní destičce redukce téměř přilepený.
Žádné místo pro chladič zde nehledejte ! Tedy - z horní strany ano, ale ze spodní ? pokud máte na disku chipy z obou stran, máte prostě smůlu
ze spodní strany se vám budou beznadějně přehřívat.

    A teď už pár ukázek - prvně disky, které se už přímo s chladičem dodávají. Bohužel - zatím jich není moc. Asi ze stovky nabízených modelů si můžete (2019) vybrat pouze 3 s chladičem (pochopitelně - každý ve dvou nebo třech kapacitách). Ostatní výrobci zatím ještě nepochopili, že i zde dokáže správné chlazení hotové divy - jinak by to nejen nabízeli, ale také tlačili na výrobce základních desek, že tam potřebují trochu víc volného místa.

    Pokud ovšem máme některý model, který přímo od výrobce chladičem opatřen není - pak doporučuji rozhodně jej chladičem opatřit. Máte vlastně 3 možnosti:

1) zakoupíme chladič v běžné obchodní síti - bude to rychle (max den dva po objednání), bude to "se zárukou" (ale jakou záruku potřebujeme na kousek hliníku?), ovšem bude to poměrně drahé - i ten tenký chladič vás vyjde na 150-200Kč a za kvalitní Axagon dáte klidně 4 stovky
2) zakoupíme sice nový "komplet" chladič, ale objednáme si ho na eBay, Alibaba apod. Sice si počkáte - běžně i dva měsíce - ale cena bude možná poloviční, možná také 5x nižší než u nás a hlavně - obrovský výběr, který se s našimi obchody nedá vůbec srovnat.
3) pro domácí kutily je zde ještě jedna varianta: za cenu jednoho (nejlevnějšího) chladiče z našeho českého obchodu si v Hornbachu nebo Bauhausu koupíte metrovou tyč - hliníkový profil. A z toho si potom "nakrájíte" (samozřejmě pilkou) tucet chladičů pro sebe - a ty přebývající pro své známé. Že to nebude tak krásné a barevné jako z obchodu? no nebude - a co má být ! chladit to bude stejně - vlastně klidně i mnohem lépe, než ten kupovaný. Protože si můžete vybrat přesně ten profil, který tam potřebujete - a tedy tu největší možnou plochu a to nejlepší chlazení.
4) no a když jsem uváděl 3 možnosti, tak tady máte ještě čtvrtou - můžete si hliníkový profil na chladič objednat u specializované firmy. Nevýhoda ? asi vám nebudou ochotni dodat 1 kousek, možná budou mluvit o minimálním odběru (500Kč? 2000Kč?), možná budou mít jako podmínku x-kilogramů, možná budou vyžadovat živnostenský list. Prostě tohle není varianta pro někoho, kdo chce jeden chladič - ale pro firmu, která chce svým zákazníkům nabídnout "extra službu" to může být velmi zajímavé.
A výsledná cena ? řekněme tak 10Kč za jeden chladič - tedy prakticky zadarmo.

A teď si to prohlédneme:

   
O těchto variantách jsme ještě nemluvili - tedy vlastně varianta 5. Jsou to malé (na obrázcích 9x9x12, 15x15x13, 20x20x10mm) nalepovací chladiče vhodné vždy pro jeden chip. 
Pro každý disk tedy použijeme 3-4 kousky - výhodné je, že jsou obvykle opatřeny samolepící folií a pořídíte je za několik korun.

Zde vidíme nabídku chladičů ze zahraničního webu. V příslušenství jsou utěrky pro suché či vlhké čistění,
dále teplovodivé podušky a silikonové gumičky k připevnění. A vybrat si můžete ze čtyř různých barevných provedení.
Jinak se jedná o kategorii nejtenčích a tudíž nejlevnějších chladičů.

Další ukázky tenkých chladičů - výška cca 5-10mm.

 
Tohle jsou už ovšem trochu jiné chladiče. Vlevo JONSBO určený pro disky s oboustranným osazením. 
Konstrukcí se podobá výše uvedenému AXAGONU, ale má mnohem větší žebrování.
Další chladič je sice určen jen pro jednostranně osazené disky, ale se žebry vysokými 30mm uchladí asi ze všech nejvíc.
Navíc jeho velká hmota - 69g - prodlouží dobu zahřívání disku na desetinásobek oproti původnímu stavu.

V železářství zakoupíte řadu hliníkových profilů, vhodných k použití jako chladič.
Např. U profil šířka 22, výška "bočnic" 10mm nebo U profil se stejně dlouhými stranami - 25x25x25x1,5mm - podle toho kolik máte volného místa.
Metrová tyč vás vyjde do stovky a nařežete z ní 12-15 chladičů.

 
A na závěr ukázky profilů, které se dají objednat buď jako metrové tyče, případně už "nakrájené" na potřebnou délku - www.soselectronic.cz

A ještě dva opravdu výkonné chladiče, které jsou momentálně na trhu k dispozici:

 
Jedná se o VELKÉ - MASIVNÍ - AKTIVNÍ chladiče firmy RaidSonic -- ICY BOX.
Kliknutím na obrázek si můžete stáhnout a přečíst podrobné popisy obou modelů v PDF.
A můj názor?
+ - velmi výkonné a účinné         -  malý ventilátorek 40mm (větší se tam ani nevejde) nebude mít dlouhou životnost
Takže se domnívám, že je to sice technicky krásné - ale už zbytečně překombinované.
Nicméně - pokud se vám líbí a máte zájem - v současné době (2022) můžeme dodat
(leč je asi jasné, že za pusu to zrovna nebude).

      Jak chladič k disku připevníme ?

     Přece gumičkou - ta je skoro na každém obrázku (ovšem pozor - speciální silikonovou, ta obyčejná z papírnictví by za krátkou dobu zteřela a praskla). Anebo přišroubujeme - např. AXAGON nebo JONSBO. U těch problém není. Ale co ty ostatní ? Ty naimprovizované, vlastnoručně vyrobené ? Nebo ty, co se nám dostaly do ruky jako továrně vyráběné - ale bez příslušenství. Co s nimi ?

    Mohu doporučit dvě varianty - obě spolehlivé. Ta první - to jsou stahovací pásky. Možná nevypadají až tak luxusně, ale když je dobře utáhnete tak zaručeně nesklouznou a taky nikdy nepovolí. A teplota zahřátého chladiče je rozhodně neohrozí.
    Druhou variantou je lepení. To má svoje velké výhody i nevýhody. Mezi nevýhody hlavně počítám to, že se jedná o "nerozebiratelný" spoj. Pokud budeme náhodou potřebovat náš disk přemístit jinam (a budeme na něm mít přilepený ten báječný 30mm vysoký chladič) - můžeme snadno zjistit, že se nám někam jinam prostě nevejde. A pokud bude to lepidlo opravdu dobře držet - pak budeme možná litovat, že jsme tam nedali ty stahovací pásky, na které by nám stačilo dvojí cvaknutí štípačkama.
    Mezi výhody bych řadil hlavně to, že lepidlo dokáže vyplnit drobné mezery, vznikající různou výškou "brouků" - ale o tom budu mluvit později.
    Při lepení musíme počítat s tím, že se možná chladič (a tím pádem i lepidlo) během provozu zahřeje - a tohle nemusí každé lepidlo vydržet. V úvahu připadají lepidla dvě - epoxid nebo spec teplovodivé lepidlo na chladiče. Vlastně bych měl doporučovat jen to teplovodivé na chladiče - zajistí nám jak pevnost spoje, tak přenos tepla. Ale když on je u nás s těmito lepidly problém. Pokud je v některém našem českém e-shopu objevíte, bude u něj zaručeně poznámka:

NENÍ SKLADEM
NEDODÁVÁ SE
nebo nejčastěji
PRODEJ JIŽ SKONČIL

    A pokud náhodou zajásáte, že ho někde mají, pak vzápětí pěkně protáhnete - ehm obličej při pohledu na požadovanou cenu. A to ani nemluvím o tom, že až ho konečně slavnostně seženete, tak se vám ho ani z tuby nepodaří vytlačit - no jo, PRODEJ JIŽ SKONČIL a to co držíte v ruce je pozůstatek 15let starých zásob - bohužel dávno zcela nepoužitelný. A moc vám nepomůže ani předchozí telefonické ujištění obchodníka, že se opravdu jedná o zcela čerstvé zboží.

    Takže ano - pokud přece jen seženete to báječné teplovodivé lepidlo na chladiče (a bude dokonce použitelné) - tak vám to přeju a užijte si to. Jinak - namazat styčné plochy běžnou teplovodivou pastou na chladiče, dát pozor ať si nezaslintáme okraje - no a právě po těch okrajích naneseme tenkou housenku předem namíchaného epoxidového lepidla a necháme zaschnou. Jen pozor - tohle pak už nikdo nerozdělá - leda za cenu zuřivého úsilí a nejméně dvou zlomených skalpelů.

    A jak je to s těmi teplovodivými poduškami ? Používat nebo nepoužívat ?

    No - pokud se mě ptáte na můj názor, já bych se jim raději vyhnul. Proč ? No - protože si neumím ani změřit, ani jinak zkontrolovat vlastnosti tohoto údajně báječně vodivého zázraku.
   Ale - vždyť to používají všichni ! Vy tomu nevěříte ?
    Já bych tomu třeba i věřil - kdybych měl v ruce original nenačaté balení, s označením:
- o jaký druh se jedná
- kdy to bylo vyrobeno
- do kdy to má záruku a
 - jaké to má vlastnosti. 
Problém je ovšem v tom, že obvykle dostáváme do ruky kousek plastu, který kdesi kdosi z čehosi odstřihnul, není u toho žádné označení, nic - jen máme věřit, že to bude báječně fungovat. Jo - kdybych si aspoň mohl odskočit do obchodu a koupit si zaručeně čerstvý a kvalitní kousek - ale ono jaksi není kam. Tyhle chladicí hmoty se fakt blbě shánějí - a dokud si nebudu moct skočit někam do kšeftu a vybrat si přesně tu tloušťku a rozměr a vodivost, jaké potřebuji - tak bude holt moje nedůvěra trvat.

    I když - na jedno použití jsou tyto plasty potřebné - pokud totiž máte jeden chladič přitisknout na několik chipů, z nichž každý má jinou výšku. Za tímto účelem se chladicí pásky používají např. u notebooků - kde jeden chladič naráz chladí procesor, grafiku a ještě paměťové chipy. A stejně tak je to běžné právě u M.2 disků . Z jedné strany jsou zde 4 chipy, ty dva nejvyšší a největší - to je ta vlastní paměťová část, pak je tu jeden menší (a nižší) a konečně hned u konektoru ten nejmenší, taky nejnižší - a právě ten topí jak čert. Neměřil jsem to, ale řekl bych že ve výšce těch brouků může být rozdíl až 0,5mm. A to je příliš moc, než aby se chladič dokázal ke všem broukům správně přitisknout. Máme vlastně možnost

a) použít ty malé chladiče, co jsou na každý chip jeden - tam rozdílná výška chipů žádný problém nezpůsobí
b) vypolstrovat prostor mezi chipem a chladičem dostatečným množstvím teplovodivé pasty (no jo, ale dyž vona nám po zahřátí změkne a vyteče a žádné chlazení se konat nebude - tedy právě u toho brouka, co nejvíc topí)
3) anebo holt použít tu teplovodivou podušku (termopásku), co je tak nemám rád - a ona nám už pomůže ty výškové rozdíly vyrovnat.

Ach jo - nevíte někdo, kde se tyhle termopásky dají rozumně koupit ? Aby si člověk mohl vybrat tloušťku a rozměr a vodivost - a aby ho kousek 3x3cm nepřišel na pár stovek ? 

Jestli víte, napište !!!

To be Continued