Pasta termoprzewodząca - dlaczego jest tak ważna?

W przypadku laptopów do gier często pojawia się też temat przegrzewania się. Nadmierna temperatura może teoretycznie nawet uszkodzić podzespoły, chociaż częściej po prostu dochodzi do zjawiska tzw. throttlingu. W efekcie wasz laptop może cierpieć na chwilowe spadki wydajności. Brzmi skomplikowanie? Poniżej wszystko wyjaśniamy. Tłumaczymy też dlaczego wybór dobrej pasty termoprzewodzącej jest tak istotny.

Czym jest throttling?

Przyjmijmy, że w waszym komputerze znajduje się procesor o częstotliwości pracy 2,3 GHz, lub, jak podawane jest częściej, do 4,0 GHz (Core i5-8300H). Pierwsza liczba oznacza nominalną częstotliwość, z którą CPU pracuje jeśli nie jest poddany poważnemu obciążeniu, a przy tym zadania, które wykonuje są na tyle wymagające, że nie zaczyna on oszczędzać energii. Druga natomiast uruchamiana jest w sytuacji silnego obciążenia i zwykle może być utrzymywana przez dość krótki czas. W tym przypadku 4,0 GHz to wartość dla maksymalnie dwóch rdzeni, dla wszystkich czterech to 3,9 GHz. Zwykle jednak, nawet pod obciążeniem, procesor będzie pracował w zakresie częstotliwości pomiędzy nominalną (2,3 GHz) i maksymalną (4,0 GHz/3,9 GHz). Taki tryb pracy jest zdrowy dla komputera. Co jednak się stanie jeśli procesor zacznie się robić niebezpiecznie ciepły? Otóż współczesne CPU potrafią się bronić przed przegrzaniem… redukując częstotliwość pracy układu, kiedy temperatura stanie się zbyt wysoka. Niestety, cierpi na tym wydajność komputera. To właśnie jest tzw. thermal throttling (są jeszcze inne przyczyny ewentualnego throttlingu, ale tu nie będziemy się nimi zajmować). On jest odpowiedzialny za nagłe spadki wydajności po dłuższym graniu.

Jak to jednak możliwe, że CPU throttluje? Czy producent laptopa źle zaprojektował układ chłodzenia? Czasem bywa i tak, ale to raczej wyjątki. Najczęściej przyczyna jest inna. Jest nią albo zapchany/zabrudzony system odprowadzający ciepło, albo słaba pasta termoprzewodząca.

Czym jest pasta termoprzewodząca i jaka jest jej rola?

Pasta termoprzewodząca to substancja znajdująca się pomiędzy układem elektronicznym, a radiatorem lub heat-pipe'em (ciepłowodem). Umożliwia łatwiejszy i szybszy transfer ciepła między obydwiema powierzchniami. Gdyby chip stykał się tylko z metalową powierzchnią radiatora, mielibyśmy do czynienia z wieloma niewypełnionymi, fragmentami powierzchni. Ta oddawałaby oczywiście ciepło, ale wprost do powietrza, które bezpośrednio obok układu najczęściej nie znajduje się w ruchu. Mówiąc krótko: pasta robi za spoiwo między CPU lub GPU, a radiatorem oraz za pierwszy element całego systemu chłodzenia. Element, na który mamy wpływ.

Właściwa pasta termoprzewodząca - jak ją wybrać?

Tu do gry wchodzą wasze ulubione przedmioty ze szkoły: fizyka i chemia. Nie są ulubione? Trudno. I tak wchodzą. Całe na biało.

Pasta to w praktyce przewodnik cieplny i jako taki może mieć różne wartości przewodnictwa. To bardzo podobnie jak z prądem elektrycznym - jedne substancje przewodzą go lepiej (miedź, złoto, platyna) inne nieco gorzej (żelazo), a inne wcale lub niemal wcale (drewno, guma). Z transferem cieplnym jest podobnie i tutaj także duże znaczenie mają substancje metaliczne, chociaż nie tylko one. Przewodność cieplna jest mierzona w pozornie tylko złożonej jednostce jaką jest W/(mK). Rozwińmy ten tajemniczy wzór. W to oczywiście moc mierzona w watach, m to grubość warstwy, a K to różnica temperatur między układem elektronicznym, a radiatorem oczywiście w stopniach Kelvina. Na szczęście nie musicie tego przeliczać sami, bo producenci podają już gotową wartość. Im jest wyższa, tym pasta lepiej pełni swoje zadanie. Rzecz w tym, że nie każda pasta pasuje wszędzie. Tyle fizyka, przechodzimy do chemii.

Z czego składają się pasty termoprzewodzące? Jeżeli ktoś ze starszego pokolenia mówi wam, że w tym współczesnym jedzeniu to “sama chemia”, to (pomijając jak głupie jest w gruncie rzeczy to stwierdzenie), pewnie nigdy nie patrzył w skład pasty termoprzewodzącej. Jako podstawa najczęściej służą substancje o dużej gęstości, przewodzące ciepło, ale będące izolatorami elektrycznymi. Są to na ogół epoksydy, silikony, uretany lub akrylany. Brzmi smacznie prawda? Baza to tylko część składu, która wprawdzie odpowiada za większość masy pasty, ale to dodatkowe składniki mają przemożny wpływ na finalną wartość przewodnictwa cieplnego. Są to najczęściej tlenki metali, ale też inne związki, np. azotek glinu. W droższych pastach mogą to być także związki srebra lub syntetycznie powstające drobinki diamentu. W takich pastach bazę często stanowią składniki ceramiczne. Naprawdę najwyższa półka to tzw. pasty ciekłometaliczne. Najczęściej są one płynnym stopem o nazwie galinstan. Nazwa brzmi nieco jak kraj z Azji Środkowej, ale w praktyce to skrót od łacińskich nazw jego głównych składowych: galu, indu i cyny (łac. galium, indium, stannum).

Jakie różnice są między pastami? Znaczące. Podstawowe, i niestety najczęściej stosowane w laptopach większości producentów, pasty mają około 1 W/(mK), chociaż trafiają się i takie, które mają wartości jeszcze niższe. Dobrej jakości pasty oparte o bazę silikonową mogą mieć 3 W/(mK). To nadal niewiele i trudno jest polecać je miłośnikom wydajnych maszyn. Pasty srebrne to już wartości wyższe, nawet do 7,5-8 W/(mK). Wspomniany wyżej galinstan to prawie 13 W/(mK).

No dobrze, ale jaka to różnica w praktyce? Znaczna. Zwłaszcza w laptopach, gdzie mamy dość mocno ograniczoną objętość powietrza w obudowie komputera. Pasta dobrej jakości pozwala na transfer ciepła szybciej tj. bardziej wydajnie. Między różnej jakości pastami stosowanymi na tym samym egzemplarzu komputera może wynieść nawet 6-7 stopni Celsjuszaprzy obciążeniu CPU, w skrajnych przypadkach (bardzo zła pasta fabryczna) nawet więcej. To nieraz różnica między możliwością utrzymywania przez procesor wysokiej częstotliwości, a poziomem przy którym “zapala się czerwona lampka” i CPU zaczyna obniżać taktowanie. Dobra pasta może więc przełożyć się bezpośrednio na komfort pracy i gry.

Pasta, wydawałoby się, niepozorna rzecz, czasem wręcz pogardliwie określana mianem “mazidła” ma duże znaczenie dla działania komputera. Szczególnie w laptopie, w którym skuteczny transfer termiczny jest jeszcze bardziej istotny niż w komputerze stacjonarnym. Dlatego tak ważne jest, by dobrać możliwie dobrą pastę. Wybierając najtańszą nie oszczędzimy wiele. Wybierając tę naprawdę dobrą oszczędzimy sobie frustracji, w którą mógłby wpędzić nas throttling.