Reduced: 87% of original size [ 800 x 654 ] - Click to view full image
Σάββατο 30 Ιουνίου 2007
500Ghz
Η ΙΒΜ και η Georgia Tech κατάφεραν να κάνουν ενα chip να τρέχει στην ταχύτητα των 500Ghz η οποία και αποτελεί ρεκορ, ρίχνοντας την θερμοκρασία στους -451 βαθμούς Fahreneit.To παραπάνω πείραμα είναι μερος ενος μεγάλου project που στόχο έχει να εξερευνήσει τα όρια των SiGe (silicon-Germanium) chips.Σε θερμοκρασία δωματίου το chip των ΙΒΜ-georgia Tech λειτουργεί στα 350Ghz,συχνότητα που είναι ήδη πολύ μεγαλύτερη απο αυτή των σημερινών chips. Παρα το γεγονός πως το απόλυτο μηδέν είναι στους -459 F, οι επιστήμονες ισχυρίζονται πως τα SiGe chips μπορούν να αγγίξουν το 1Thz.Τα SiGe chips μπορούν να χρησιμοποιηθούν ανάμεσα σε άλλα στον αμυντικό τομέα και στην εξερεύνηση του διαστήματος.
Reduced: 87% of original size [ 800 x 654 ] - Click to view full image
Reduced: 87% of original size [ 800 x 654 ] - Click to view full image
Νέος υπερυπολογιστής από την IBM
Η νέα έκδοση του υπερυπολογιστή Blue Gene, ο Blue Gene/P, που ετοιμάζει η IBM, θα μπορεί να εκτελέσει περισσότερες από 3 τετράκις εκατομμύρια πράξεις το δευτερόλεπτο ή αλλιώς θα έχει επεξεργαστική ισχύ 3 Petaflops, ενώ είναι σχεδιασμένος ώστε υπό πραγματικές συνθήκες και συνεχή λειτουργία να προσφέρει επεξεργαστική ισχύ πάνω από 1 Petaflop. Τον προηγούμενο Νοέμβριο, ο Blue Gene/L ήταν ο ισχυρότερος υπολογιστής παγκοσμίως με ισχύ 280 Teraflops σε συνεχή λειτουργία.
Η ανάπτυξη του Blue Gene/P θα βοηθήσει την IBM να βελτιώσει τη θέση της στον κατάλογο των κορυφαίων 500 Υπερυπολογιστών Παγκοσμίως, που θα παρουσιαστεί αυτήν την εβδομάδα στο ετήσιο Συνέδριο Υπερυπολογιστών στη Δρέσδη της Γερμανίας. Στον προηγούμενο αντίστοιχο κατάλογο περιλαμβάνονταν συνολικά 93 υπολογιστές της IBM, οι τέσσερις από τους οποίους ήταν μέσα στην πρώτη δεκάδα.
Όπως η πλειονότητα των υπερυπολογιστών, ο Blue Gene/P αποτελείται από racks που ενώνονται μεταξύ τους σε clusters, ώστε να αναλάβουν βαριές υπολογιστικές εφαρμογές, όπως η μοντελοποίηση των μετεωρολογικών συνθηκών παγκοσμίως. Τα chips μέσα στον Blue Gene/P αποτελούνται από τέσσερις πυρήνες PowerPC 450 με συχνότητα λειτουργίας 8,5GHz ο καθένας. Συνολικά 32 τέτοια chip μπορούν να τοποθετηθούν σε μια πλακέτα 60x60 εκατοστών, αποδίδοντας έτσι επεξεργαστική ισχύ της τάξης των 435 δισεκατομμυρίων πράξεων το δευτερόλεπτο. Σε ένα rack μπορούν να τοποθετηθούν 32 τέτοιες κάρτες.
Για να επιτύχει την επεξεργαστική ισχύ του 1 Petaflop, o Blue Gene/P χρησιμοποιεί συνολικά 294.912 επεξεργαστές και θα καταλαμβάνει 72 racks. Αντίστοιχα, για την ισχύ των 3 Petaflops απαιτείται ένα cluster των 216 racks με 884.736 επεξεργαστές. Τα chip και τα υπόλοιπα υποσυστήματα επικοινωνούν μεταξύ τους με δίκτυο οπτικών ινών υψηλής ταχύτητας.
Ο πρώτος Blue Gene/P θα εγκατασταθεί στις Ηνωμένες Πολιτείες μέσα στο έτος και θα ανήκει στο Τμήμα Ενέργειας του Argonne National Laboratory, ενώ και η Max Planck Society και το ερευνητικό κέντρο Julich θα ξεκινήσουν την εγκατάσταση ενός Blue Gene/P στα τέλη του έτους.
Η ανάπτυξη του Blue Gene/P θα βοηθήσει την IBM να βελτιώσει τη θέση της στον κατάλογο των κορυφαίων 500 Υπερυπολογιστών Παγκοσμίως, που θα παρουσιαστεί αυτήν την εβδομάδα στο ετήσιο Συνέδριο Υπερυπολογιστών στη Δρέσδη της Γερμανίας. Στον προηγούμενο αντίστοιχο κατάλογο περιλαμβάνονταν συνολικά 93 υπολογιστές της IBM, οι τέσσερις από τους οποίους ήταν μέσα στην πρώτη δεκάδα.
Όπως η πλειονότητα των υπερυπολογιστών, ο Blue Gene/P αποτελείται από racks που ενώνονται μεταξύ τους σε clusters, ώστε να αναλάβουν βαριές υπολογιστικές εφαρμογές, όπως η μοντελοποίηση των μετεωρολογικών συνθηκών παγκοσμίως. Τα chips μέσα στον Blue Gene/P αποτελούνται από τέσσερις πυρήνες PowerPC 450 με συχνότητα λειτουργίας 8,5GHz ο καθένας. Συνολικά 32 τέτοια chip μπορούν να τοποθετηθούν σε μια πλακέτα 60x60 εκατοστών, αποδίδοντας έτσι επεξεργαστική ισχύ της τάξης των 435 δισεκατομμυρίων πράξεων το δευτερόλεπτο. Σε ένα rack μπορούν να τοποθετηθούν 32 τέτοιες κάρτες.
Για να επιτύχει την επεξεργαστική ισχύ του 1 Petaflop, o Blue Gene/P χρησιμοποιεί συνολικά 294.912 επεξεργαστές και θα καταλαμβάνει 72 racks. Αντίστοιχα, για την ισχύ των 3 Petaflops απαιτείται ένα cluster των 216 racks με 884.736 επεξεργαστές. Τα chip και τα υπόλοιπα υποσυστήματα επικοινωνούν μεταξύ τους με δίκτυο οπτικών ινών υψηλής ταχύτητας.
Ο πρώτος Blue Gene/P θα εγκατασταθεί στις Ηνωμένες Πολιτείες μέσα στο έτος και θα ανήκει στο Τμήμα Ενέργειας του Argonne National Laboratory, ενώ και η Max Planck Society και το ερευνητικό κέντρο Julich θα ξεκινήσουν την εγκατάσταση ενός Blue Gene/P στα τέλη του έτους.
Ψύκτρα με νανοσωλήνες άνθρακα από την OCZ
Η πρώτη ψύκτρα που χρησιμοποιεί κατευθυντικούς νανοσωλήνες άνθρακα, η OCZ Hydrojet, παρουσιάστηκε από την OCZ στην Computex 2007. Οι νανοσωλήνες άνθρακα θεωρούνται από πολλούς ως το επόμενο κυρίαρχο υλικό για θερμικές επιφάνειες εξαιτίας των ανώτερων χαρακτηριστικών θερμικής αγωγιμότητας που παρουσιάζουν. Η επιφάνεια επαφής της ψύκτρας της OCZ είναι φτιαγμένη εξολοκλήρου από νανοσωλήνες άνθρακα και η εταιρεία ισχυρίζεται ότι είναι πέντε φορές πιο αποτελεσματική από τις χάλκινες.
Υλικά βασισμένα σε νανοσωλήνες άνθρακα έχει φανεί ότι άγουν περισσότερη θερμότητα από επιφάνειες με συμβατικά υλικά σε παρόμοιες θερμοκρασίες. Επιπρόσθετα, οι νανοσωλήνες άνθρακα αποτελούν βαλλιστικούς αγωγούς σε θερμοκρασίες δωματίου, που σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια μπορούν να περάσουν από μέσα τους χωρίς συγκρούσεις. Αντίθετα με τα περισσότερα θερμικά υλικά, οι νανοσωλήνες άνθρακα μεταφέρουν τη θερμότητα μόνο προς μία κατεύθυνση, ανάλογα με την ευθυγράμμιση των νανοσωλήνων.
The OCZ Hydrajet cooler, featured upside-down to reaveal the carbon nanotube conductor. (Source DailyTech, Anh Huynh)
Υλικά βασισμένα σε νανοσωλήνες άνθρακα έχει φανεί ότι άγουν περισσότερη θερμότητα από επιφάνειες με συμβατικά υλικά σε παρόμοιες θερμοκρασίες. Επιπρόσθετα, οι νανοσωλήνες άνθρακα αποτελούν βαλλιστικούς αγωγούς σε θερμοκρασίες δωματίου, που σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια μπορούν να περάσουν από μέσα τους χωρίς συγκρούσεις. Αντίθετα με τα περισσότερα θερμικά υλικά, οι νανοσωλήνες άνθρακα μεταφέρουν τη θερμότητα μόνο προς μία κατεύθυνση, ανάλογα με την ευθυγράμμιση των νανοσωλήνων.
Επαναστατικό νέο chip
Ερευνητές από το πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στη Santa Barbara ανακοίνωσαν τη Δευτέρα ότι κατάφεραν να δημιουργήσουν ένα chip, βασισμένο σε πυρίτιο, το οποίο μπορεί να παράγει ακτίνες laser. Το chip είναι αποτέλεσμα κοινού ερευνητικού προγράμματος της Intel με το πανεπιστήμιο και πρόκειται να αλλάξει κατά πολύ τον τρόπο με τον οποίο επικοινωνούν τα chips μεταξύ τους, καθώς δε θα απαιτείται πλέον η ύπαρξη καλωδίων, γεγονός που θέτει σημαντικούς περιορισμούς στην κατασκευή αλλά και στις επιδόσεις των chip.
Η εμπορική εκμετάλλευση της συγκεκριμένης τεχνολογίας δεν αναμένεται να ξεκινήσει πριν το τέλος της δεκαετίας που διανύουμε, αν και η ιδέα και μόνο να έχει κάποιος μερικές δεκάδες ή εκατοντάδες chip που χρησιμοποιούν το φως για να επικοινωνούν μεταξύ τους, είναι ικανή να ταράξει τα νερά στην τεχνολογία τόσο των υπολογιστών όσο και των επικοινωνιών.
Η εμπορική εκμετάλλευση της συγκεκριμένης τεχνολογίας δεν αναμένεται να ξεκινήσει πριν το τέλος της δεκαετίας που διανύουμε, αν και η ιδέα και μόνο να έχει κάποιος μερικές δεκάδες ή εκατοντάδες chip που χρησιμοποιούν το φως για να επικοινωνούν μεταξύ τους, είναι ικανή να ταράξει τα νερά στην τεχνολογία τόσο των υπολογιστών όσο και των επικοινωνιών.
ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ
Παρακάτω αναλύεται ο τρόπος με τον οποίο μεταδίδεται η θερμότητα στα στερεά και η μεταφορά θερμότητας από στερεά σε αέρια ή υγρά και το αντίστροφο.
Κατ’αρχην η θερμότητα είναι μορφή ενέργειας που μεταφέρεται μεταξύ δυο συστημάτων εξαιτίας της διαφοράς θερμοκρασίας. Στο καθημερινό μας λεξιλόγιο χρησιμοποιούμε τον όρο θερμότητα λανθασμένα για να προσδιορίσουμε το πόσο ζεστό είναι ένα σώμα.Το πόσο θερμό είναι ένα σώμα εξαρτάται από τη θερμική ενέργεια που έχει. Δηλαδή ένα σώμα είναι πιο θερμό από ένα άλλο αν έχει περισσότερη θερμική ενέργεια. Η θερμότητα στην ουσία είναι μεταφορά ενέργειας από ένα σώμα σε ένα άλλο και γίνεται αντιληπτή μόνο κατά τη μεταφορά της. Επειδή όμως είναι πιο εύκολο να χρησιμοποιούμε τον όρο θερμότητα γενικά στο παρόν κείμενο δεν θα γίνεται διάκριση μεταξύ θερμότητας και θερμικής ενέργειας.
Ας αρχίσουμε με μερικά καθημερινά παραδείγματα. Όλοι ξέρουμε ότι αν ζεστάνουμε ένα σύρμα στο ένα άκρο του σε σχετικά σύντομο χρονικό διάστημα θα ζεσταθεί και το άλλο. Αν υποθέσουμε τώρα ότι κρατάμε το σύρμα παραπάνω απ’ότι έπρεπε(μην το επιχειρήσετε μόνοι σας :)) η επόμενη κίνηση μας είναι να ανοίξουμε τη βρύση ώστε το νερό να κρυώσει τα καμένα μας δάκτυλα.
Η θερμότητα δηλ.μεταδιδεται όπως είδαμε σε ένα σώμα (σύρμα) αλλά μπορεί να μεταδοθεί και από ένα σώμα σε ένα άλλο(σύρμα>δάκτυλα>νερό).Υπάρχουν τρεις τρόποι μετάδοσης της θερμότητας:
1)Με αγωγή(conduction) :Με τον τρόπο αυτό μεταδίδεται η θερμότητα στα στερεά(όπως το σύρμα).Με τον ίδιο τρόπο μεταδίδεται και στα υγρά ή αέρια όταν μπορούμε να τα θεωρήσουμε ακίνητα. Χωρίς να αναλύσω περισσότερο απλά αναφέρω ότι στα στερεά η θερμότητα μεταδίδεται λόγω των ταλαντώσεων των μορίων στο πλέγμα του στερεού και την ενέργεια που μεταφέρεται από ελεύθερα ηλεκτρόνια ενώ στα υγρά και τα αέρια λόγω της τυχαίας κίνησης των μορίων τους.
2)Με μεταφορά(convection) :Μ’αυτόν τον τρόπο μεταφέρεται θερμότητα από ένα στερεό σε αέρια ή υγρά (και το αντίστροφο) τα οποία βρίσκονται σε κίνηση(όπως το παράδειγμα με το χέρι κάτω από τη βρύση).Όσο γρηγορότερα κινείται το υγρό η αέριο τόσο μεγαλύτερη είναι η μεταφορά θερμότητας.
3)Με ακτινοβολία(radiation) :Η θερμότητα εδώ μεταδίδεται με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Θερμότητα με ακτινοβολία εκπέμπουν όλα τα σώματα τα οποία έχουν θερμοκρασία μεγαλύτερη του απολύτου μηδενός. Με τον τρόπο αυτό μεταδίδεται η θερμότητα από τον ήλιο στη γη και τους υπόλοιπους πλανήτες. Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα του ήλιου απορροφώνται από τη γη και έτσι αυξάνει η θερμοκρασία της.
Αυτοί είναι οι μηχανισμοί μετάδοσης της θερμότητας. Έχοντας αυτές τις γενικές γνώσεις ας προχωρήσουμε να εξετάσουμε πως λειτουργούν οι ψύκτρες.
Ο υπολογιστής είναι ένα σύστημα που παίρνει ηλεκτρική ενέργεια και τη μετατρέπει σε θερμική. Οι σύγχρονες cpu και gpu ή vpu παράγουν έως και πάνω από 100W ισχύος. Αν νομίζετε ότι αυτό είναι λίγο προσπαθήστε να πιάσετε μια λάμπα παρόμοιας ισχύος. Η ενέργεια αυτή που παράγεται πρέπει να απορριφθεί γιατί αλλιώς αν συσσωρευτεί η θερμοκρασία θα ανέβει με καταστρεπτικά αποτελεσματα. Αυτή τη δουλεία κάνουν οι ψύκτρες.
Η ροή της θερμότητας από τη cpu στον αέρα γίνεται ως εξής:
a)Από την επιφάνεια του επεξεργαστή στην θερμοαγώγιμη πάστα
b)Από την θερμοαγωγιμη πάστα στην ψύκτρα
c)Από την ψύκτρα στον αέρα η στο υγρό αν χρησιμοποιούμε υγρόψυξη
Πως όμως μεταφέρεται η θερμότητα στα διάφορα αυτά στάδια?
Στα στάδια a και b η θερμότητα μεταδίδεται με αγωγή ενώ στο c με μεταφορά και με ακτινοβολία σε πολύ μικρό ποσοστό όμως σε σχέση με την ενέργεια από μεταφορά στη συνήθη θερμοκρασία. Εκτός αυτού η ψύκτρα δέχεται και αυτή με τη σειρά ένα ποσό θερμότητας με ακτινοβολία από τα υπόλοιπα υποσυστήματα του συστήματος και από το tower οπότε δεν λαμβάνουμε υπόψη μας τη θερμ. που μεταδίδεται με ακτινοβολία.
Γιατί όμως βάζουμε ψύκτρα? Δεν μπορεί η θερμότητα να αποβληθεί απευθείας από τη cpu?
Η εξίσωση που δίνει τη μεταφορά θερμότητας από ένα στερεό σε ένα υγρό ή αέριο είναι:
Qconv=h*A*(Ts-Tf ) , Qconv=ρυθμός μεταφοράς θερμότητας
h=συντελεστής μεταφοράς θερμ.
A=επιφάνεια ψύκτρας
Ts=θερμ. επιφάνειας ψύκτρας
Tf=θερμ. αέρα
Όπως βλέπουμε το Q αυξάνει με την αύξηση του Α δηλαδή το ποσό της θερμότητας που μεταφέρεται στον αέρα είναι μεγαλύτερο όσο μεγαλύτερη είναι η επιφάνεια της ψύκτρας. Η επιφάνεια της cpu είναι πολύ μικρή για να αποβάλλει τόση ενέργεια. Στην ουσία παρεμβάλουμε μεταξύ επιφάνειας cpu και αέρα μια άλλη επιφάνεια πολύ μεγαλύτερη ώστε να έχουμε καλύτερη απαγωγή θερμότητας. Γι’άυτο οι ψύκτρες έχουν πολλά fins ώστε να έχουν μεγάλη επιφάνεια.
Το h στην εξίσωση παραπάνω εξαρτάται από πολλές παραμέτρους:γεωμετρία επιφάνειας, φύση της κίνησης του ρευστού(ρευστο=υγρο ή αέριο),ιδιότητες ρευστού και ταχύτητα του .Δεν εξαρτάται από το υλικό της ψύκτρας. Οπότε…
Ποιο είναι το καλύτερο υλικό για την ψύξη της cpu?
Για να απαντήσουμε σ’αυτό το ερώτημα πρέπει να εξετάσουμε πως γίνεται η μετάδοση της θερμότητας από το κάτω μέρος της ψύκτρας που εφάπτεται στη cpu (μέσω της θερμοαγώγιμης πάστας) στην επιφάνεια της ψύκτρας που έρχεται σε επαφή με τον αέρα. Όπως είδαμε και πιο πάνω η μετάδοση γίνεται με αγωγή. Η εξίσωση που δίνει το ρυθμό μετάδοσης της θερμότητας με αγωγή είναι:
Qcond=k*A*(Τ1-T2)/Δχ , Qcond=ρυθμός θερμικής αγωγής
k=θερμική αγωγιμότητα του υλικού
Α= επιφάνεια
Τ1=θερμ. επιφ. ψύκτρας στη cpu
T2=θερμ. επιφ. ψύκτρας στο πάνω μέρος
Δχ=αποσταση των επιφανειών
Η εξίσωση αυτή αναφέρεται σε μια “υποτιθέμενη” ψύκτρα σε σχήμα πλάκας όπου η μετάδοση της θερμότητας γίνεται σε διεύθυνση κάθετη της επιφάνειας .Αυτό βέβαια δεν ανταποκρίνεται στην πραγματικότητα καθώς οι ψύκτρες δεν είναι επίπεδα μέταλλα. Όμως ο υπολογισμός θερμότητας για τα πολύπλοκα σχήματα που έχουν οι ψύκτρες είναι δύσκολος και δεν μας ενδιαφέρει στο παρόν άρθρο. Εξετάζουμε το ζήτημα ποιοτικά και όχι ποσοτικά..
Το k στην εξίσωση αποτελεί το μέτρο της ικανότητας του υλικού να μεταδίδει τη θερμότητα. Έτσι ένα υλικό που έχει μεγάλη k,σημαίνει ότι μπορεί να μεταφέρει περισσότερη θερμότητα υπό τις ίδιες συνθήκες από ένα άλλο που έχει μικρότερη. Ο χαλκός και ο άργυρος έχουν υψηλές τιμές k ενώ το αλουμίνιο μικρότερη. Το αλουμίνιο όμως είναι φτηνότερο και γι’αυτό χρησιμοποιείται περισσότερο ενώ ο άργυρος…καθόλου.
Αν έχουμε τώρα δυο ψύκτρες ,μια από χαλκό και μια από αλουμίνιο, με το ίδιο ακριβώς σχήμα και κατά συνέπεια την ίδια επιφάνεια, τότε όλες οι μεταβλητές της εξίσωσης θα είναι ίδιες εκτός από το k.Άρα η ψύκτρα με το μεγαλύτερο k θα είναι αυτή που θα μπορεί να μεταδίδει περισσότερη θερμότητα από την cpu στην επιφάνεια της που έρχεται σε επαφή με τον αέρα. Αν εξαιρέσουμε τον άργυρο τότε η χάλκινη ψύκτρα θα μεταδίδει περισσότερη θερμότητα έναντι του αλουμινίου. Τι σημαίνει όμως αυτό?
Αφού η χάλκινη ψύκτρα συσσωρεύει περισσότερη θερμότητα στην επιφάνεια της θα έχει και μεγαλύτερη θερμοκρασία. Ας επανέλθουμε τώρα στην εξίσωση μεταφοράς .Όπως είχαμε πει η μεταφορά θερμότητας από την επιφάνεια της ψύκτρας στο αέρα δεν εξαρτάται από το υλικό της. Και αφού και οι δυο έχουν το ίδιο σχήμα τότε το h και το A και στις δυο περιπτώσεις θα είναι το ίδιο. Άρα το Qconv θα εξαρτάται μόνο από τον παράγοντα (Ts-Tf ).Και αφού στη χάλκινη ψύκτρα θα έχουμε μεγαλύτερη θερμοκρασία επιφάνειας η διαφορά (Ts-Tf )χαλκού θα είναι μεγαλύτερη της (Ts-Tf ) αλουμινίου. Άρα το cpu fan στην περίπτωση του χαλκού θα μεταφέρει περισσότερη θερμότητα στον αέρα.
Σε μια σταθερή διαδικασία παραγωγής και απαγωγής θερμότητας αυτό σημαίνει ότι ο χαλκός έχει καλύτερες ψυκτικές ικανότητες από το αλουμίνιο.
Πως απάγεται η θερμότητα από την επιφάνεια της ψύκτρας?
Σ’αυτή τη διαδικασία συμβάλει ο ανεμιστήρας(fan) που φέρει πάνω της η ψύκτρα. Είναι απαραίτητο να έχει fan?Όχι πάντα. Για παράδειγμα σε πολλά chipset στα mobo και στις χαμηλού “κυβισμού” κάρτες γραφικών δεν υπάρχουν πάντα fan γιατί η παραγωγή θερμότητας απ’αυτά δεν είναι τόσο μεγάλη ώστε να είναι απαραιτητο. Όπως είχαμε πει η μετάδοση θερμότητας από ένα στερεό σε κάποιο ρευστό γίνεται με μεταφορά. Υπάρχουν δυο τρόποι μεταφοράς.
Ο ένας είναι η φυσική ή ελεύθερη μεταφορά. Αυτός ο τρόπος μετάδοσης γίνεται όταν δεν υπάρχει ροή αέρα, δηλ. όταν δε υπάρχει fan..Στην περίπτωση αυτή δημιουργείται ένα μικρό ρεύμα αέρα καθώς ο αέρας που έρχεται σε επαφή με τη θερμή επιφάνεια της ψύκτρας ζεσταίνεται και κατά συνέπεια γίνεται ελαφρυτερος. με αποτέλεσμα ο θερμότερος αέρας να κινείται ανοδικά και τη θέση του να παίρνουν ψυχρότερες και βαρύτερες αέριες μάζες.
Ο άλλος τρόπος είναι η εξαναγκασμένη μεταφορά. Στην περίπτωση αυτή ένας ανεμιστήρας δημιουργεί ροή αέρα πάνω από μια επιφανεια. Ας υποθέσουμε ένα ρεύμα αέρα πάνω από μια επιφάνεια όπως στο σχήμα:
Η ροή του αέρα έχει φορά από αριστερά προς τα δεξια. Η ταχύτητα του ρεύματος είναι μεγαλύτερη στο πάνω μέρος και σχεδόν μηδενική κοντά στην επιφάνεια του σωματος. Αντιθέτως η θερμοκρασία είναι μεγαλύτερη κοντά στην επιφάνεια και σχεδόν ίση με την περιβαλλοντική στο πάνω μέρος(αν μιλάμε για επιφάνεια ψύκτρας τότε η περιβαλλοντική θερμ. είναι ίση με τη θερμά. του tower).
Γιατί έχουμε καλύτερη ψύξη με εξαναγκασμένη ροή αέρα όμως? Ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας όπως είχαμε πει εξαρτάται εκτός των άλλων και από την ταχύτητα του ρευστου. Για τα αέρια π.χ. με φυσική μεταφορά το h κυμαίνεται από 2 έως 25 W/(m^2*K) ενώ στην εξαναγκασμένη από 25 έως 250.
Και η θερμοαγώγιμη πάστα τι ρόλο παίζει στην υπόθεση?
Αν τοποθετούσαμε την ψύκτρα απ’ευθειας πάνω στη cpu και κοιτούσαμε με ένα ισχυρό μικροσκόπιο θα βλέπαμε ότι η επιφάνεια της cpu και της ψύκτρας δεν εφάπτονται καλα. Θα βλέπαμε κάτι που μοιάζει με παρακάτω σχήμα:
\/\/\/\/\/
/\/\/\/\/\
Οι δυο επιφάνειες έχουν εξοχές και “πατάνε” στις μύτες αυτων. Αυτό συμβαίνει λόγω των ατελειών που δημιουργούνται κατά την κατασκευή των επιφανειων. Όμως όσο καλά και αν λειάνετε τις επιφάνειες ποτέ δεν θα εφάπτονται τέλεια γιατί τα άτομα που αποτελούν τις επιφάνειες δεν είναι επιπεδα. Ανάμεσα σ’αυτά τα κενά που δημιουργούνται υπάρχει αέρας, ο οποίος δεν είναι και το καλύτερο υλικό για να μεταφέρει τη θερμοκρασία από την μια επιφάνεια στην άλλη.
Η θερμοαγωγιμη πάστα κάνει αυτό ακριβώς που δεν μπορεί να κάνει καλά ο αερας. Μεταδίδει τη θερμότητα με αγωγή από την επιφάνεια της cpu στην κάτω επιφάνεια της ψύκτρας .Όταν λέμε ότι μια θερμοαγωγιμη πάστα είναι καλύτερη από μια άλλη αυτό σημαίνει ότι η k του υλικού που την αποτελεί είναι μεγαλύτερη από την k μιας χειροτερης. Και γιατί δεν πρέπει να βάζουμε πολύ πάστα?
Ο ρυθμός μεταφοράς θερμότητας εξαρτάται εκτός από την k και από την απόσταση των δυο επιφανειών, το Δχ. Έτσι αν απλώσουμε μεγάλη ποσότητα πόστας στη cpu τότε η επιφάνεια της πάστας που ακουμπάει στη cpu θα απέχει περισσότερο από την επιφάνεια της πάστας που εφάπτεται στην ψύκτρα, δηλαδή το Δχ θα είναι μεγαλυτερο. Το Qcond όμως είναι αντιστρόφως ανάλογο του Δχ οπότε θα μειωθει. Με λίγα λόγια η περίσσεια πάστα λειτουργεί σαν μονωτικό.
Για το γράψιμο αυτού του άρθρου συμβουλεύτηκα το εξής βιβλίο:
Θερμοδυναμική για μηχανικούς, Τομος Α, 3η εκδοση των
Yunus A. Cengel
Michael A. Boles
Κατ’αρχην η θερμότητα είναι μορφή ενέργειας που μεταφέρεται μεταξύ δυο συστημάτων εξαιτίας της διαφοράς θερμοκρασίας. Στο καθημερινό μας λεξιλόγιο χρησιμοποιούμε τον όρο θερμότητα λανθασμένα για να προσδιορίσουμε το πόσο ζεστό είναι ένα σώμα.Το πόσο θερμό είναι ένα σώμα εξαρτάται από τη θερμική ενέργεια που έχει. Δηλαδή ένα σώμα είναι πιο θερμό από ένα άλλο αν έχει περισσότερη θερμική ενέργεια. Η θερμότητα στην ουσία είναι μεταφορά ενέργειας από ένα σώμα σε ένα άλλο και γίνεται αντιληπτή μόνο κατά τη μεταφορά της. Επειδή όμως είναι πιο εύκολο να χρησιμοποιούμε τον όρο θερμότητα γενικά στο παρόν κείμενο δεν θα γίνεται διάκριση μεταξύ θερμότητας και θερμικής ενέργειας.
Ας αρχίσουμε με μερικά καθημερινά παραδείγματα. Όλοι ξέρουμε ότι αν ζεστάνουμε ένα σύρμα στο ένα άκρο του σε σχετικά σύντομο χρονικό διάστημα θα ζεσταθεί και το άλλο. Αν υποθέσουμε τώρα ότι κρατάμε το σύρμα παραπάνω απ’ότι έπρεπε(μην το επιχειρήσετε μόνοι σας :)) η επόμενη κίνηση μας είναι να ανοίξουμε τη βρύση ώστε το νερό να κρυώσει τα καμένα μας δάκτυλα.
Η θερμότητα δηλ.μεταδιδεται όπως είδαμε σε ένα σώμα (σύρμα) αλλά μπορεί να μεταδοθεί και από ένα σώμα σε ένα άλλο(σύρμα>δάκτυλα>νερό).Υπάρχουν τρεις τρόποι μετάδοσης της θερμότητας:
1)Με αγωγή(conduction) :Με τον τρόπο αυτό μεταδίδεται η θερμότητα στα στερεά(όπως το σύρμα).Με τον ίδιο τρόπο μεταδίδεται και στα υγρά ή αέρια όταν μπορούμε να τα θεωρήσουμε ακίνητα. Χωρίς να αναλύσω περισσότερο απλά αναφέρω ότι στα στερεά η θερμότητα μεταδίδεται λόγω των ταλαντώσεων των μορίων στο πλέγμα του στερεού και την ενέργεια που μεταφέρεται από ελεύθερα ηλεκτρόνια ενώ στα υγρά και τα αέρια λόγω της τυχαίας κίνησης των μορίων τους.
2)Με μεταφορά(convection) :Μ’αυτόν τον τρόπο μεταφέρεται θερμότητα από ένα στερεό σε αέρια ή υγρά (και το αντίστροφο) τα οποία βρίσκονται σε κίνηση(όπως το παράδειγμα με το χέρι κάτω από τη βρύση).Όσο γρηγορότερα κινείται το υγρό η αέριο τόσο μεγαλύτερη είναι η μεταφορά θερμότητας.
3)Με ακτινοβολία(radiation) :Η θερμότητα εδώ μεταδίδεται με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Θερμότητα με ακτινοβολία εκπέμπουν όλα τα σώματα τα οποία έχουν θερμοκρασία μεγαλύτερη του απολύτου μηδενός. Με τον τρόπο αυτό μεταδίδεται η θερμότητα από τον ήλιο στη γη και τους υπόλοιπους πλανήτες. Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα του ήλιου απορροφώνται από τη γη και έτσι αυξάνει η θερμοκρασία της.
Αυτοί είναι οι μηχανισμοί μετάδοσης της θερμότητας. Έχοντας αυτές τις γενικές γνώσεις ας προχωρήσουμε να εξετάσουμε πως λειτουργούν οι ψύκτρες.
Ο υπολογιστής είναι ένα σύστημα που παίρνει ηλεκτρική ενέργεια και τη μετατρέπει σε θερμική. Οι σύγχρονες cpu και gpu ή vpu παράγουν έως και πάνω από 100W ισχύος. Αν νομίζετε ότι αυτό είναι λίγο προσπαθήστε να πιάσετε μια λάμπα παρόμοιας ισχύος. Η ενέργεια αυτή που παράγεται πρέπει να απορριφθεί γιατί αλλιώς αν συσσωρευτεί η θερμοκρασία θα ανέβει με καταστρεπτικά αποτελεσματα. Αυτή τη δουλεία κάνουν οι ψύκτρες.
Η ροή της θερμότητας από τη cpu στον αέρα γίνεται ως εξής:
a)Από την επιφάνεια του επεξεργαστή στην θερμοαγώγιμη πάστα
b)Από την θερμοαγωγιμη πάστα στην ψύκτρα
c)Από την ψύκτρα στον αέρα η στο υγρό αν χρησιμοποιούμε υγρόψυξη
Πως όμως μεταφέρεται η θερμότητα στα διάφορα αυτά στάδια?
Στα στάδια a και b η θερμότητα μεταδίδεται με αγωγή ενώ στο c με μεταφορά και με ακτινοβολία σε πολύ μικρό ποσοστό όμως σε σχέση με την ενέργεια από μεταφορά στη συνήθη θερμοκρασία. Εκτός αυτού η ψύκτρα δέχεται και αυτή με τη σειρά ένα ποσό θερμότητας με ακτινοβολία από τα υπόλοιπα υποσυστήματα του συστήματος και από το tower οπότε δεν λαμβάνουμε υπόψη μας τη θερμ. που μεταδίδεται με ακτινοβολία.
Γιατί όμως βάζουμε ψύκτρα? Δεν μπορεί η θερμότητα να αποβληθεί απευθείας από τη cpu?
Η εξίσωση που δίνει τη μεταφορά θερμότητας από ένα στερεό σε ένα υγρό ή αέριο είναι:
Qconv=h*A*(Ts-Tf ) , Qconv=ρυθμός μεταφοράς θερμότητας
h=συντελεστής μεταφοράς θερμ.
A=επιφάνεια ψύκτρας
Ts=θερμ. επιφάνειας ψύκτρας
Tf=θερμ. αέρα
Όπως βλέπουμε το Q αυξάνει με την αύξηση του Α δηλαδή το ποσό της θερμότητας που μεταφέρεται στον αέρα είναι μεγαλύτερο όσο μεγαλύτερη είναι η επιφάνεια της ψύκτρας. Η επιφάνεια της cpu είναι πολύ μικρή για να αποβάλλει τόση ενέργεια. Στην ουσία παρεμβάλουμε μεταξύ επιφάνειας cpu και αέρα μια άλλη επιφάνεια πολύ μεγαλύτερη ώστε να έχουμε καλύτερη απαγωγή θερμότητας. Γι’άυτο οι ψύκτρες έχουν πολλά fins ώστε να έχουν μεγάλη επιφάνεια.
Το h στην εξίσωση παραπάνω εξαρτάται από πολλές παραμέτρους:γεωμετρία επιφάνειας, φύση της κίνησης του ρευστού(ρευστο=υγρο ή αέριο),ιδιότητες ρευστού και ταχύτητα του .Δεν εξαρτάται από το υλικό της ψύκτρας. Οπότε…
Ποιο είναι το καλύτερο υλικό για την ψύξη της cpu?
Για να απαντήσουμε σ’αυτό το ερώτημα πρέπει να εξετάσουμε πως γίνεται η μετάδοση της θερμότητας από το κάτω μέρος της ψύκτρας που εφάπτεται στη cpu (μέσω της θερμοαγώγιμης πάστας) στην επιφάνεια της ψύκτρας που έρχεται σε επαφή με τον αέρα. Όπως είδαμε και πιο πάνω η μετάδοση γίνεται με αγωγή. Η εξίσωση που δίνει το ρυθμό μετάδοσης της θερμότητας με αγωγή είναι:
Qcond=k*A*(Τ1-T2)/Δχ , Qcond=ρυθμός θερμικής αγωγής
k=θερμική αγωγιμότητα του υλικού
Α= επιφάνεια
Τ1=θερμ. επιφ. ψύκτρας στη cpu
T2=θερμ. επιφ. ψύκτρας στο πάνω μέρος
Δχ=αποσταση των επιφανειών
Η εξίσωση αυτή αναφέρεται σε μια “υποτιθέμενη” ψύκτρα σε σχήμα πλάκας όπου η μετάδοση της θερμότητας γίνεται σε διεύθυνση κάθετη της επιφάνειας .Αυτό βέβαια δεν ανταποκρίνεται στην πραγματικότητα καθώς οι ψύκτρες δεν είναι επίπεδα μέταλλα. Όμως ο υπολογισμός θερμότητας για τα πολύπλοκα σχήματα που έχουν οι ψύκτρες είναι δύσκολος και δεν μας ενδιαφέρει στο παρόν άρθρο. Εξετάζουμε το ζήτημα ποιοτικά και όχι ποσοτικά..
Το k στην εξίσωση αποτελεί το μέτρο της ικανότητας του υλικού να μεταδίδει τη θερμότητα. Έτσι ένα υλικό που έχει μεγάλη k,σημαίνει ότι μπορεί να μεταφέρει περισσότερη θερμότητα υπό τις ίδιες συνθήκες από ένα άλλο που έχει μικρότερη. Ο χαλκός και ο άργυρος έχουν υψηλές τιμές k ενώ το αλουμίνιο μικρότερη. Το αλουμίνιο όμως είναι φτηνότερο και γι’αυτό χρησιμοποιείται περισσότερο ενώ ο άργυρος…καθόλου.
Αν έχουμε τώρα δυο ψύκτρες ,μια από χαλκό και μια από αλουμίνιο, με το ίδιο ακριβώς σχήμα και κατά συνέπεια την ίδια επιφάνεια, τότε όλες οι μεταβλητές της εξίσωσης θα είναι ίδιες εκτός από το k.Άρα η ψύκτρα με το μεγαλύτερο k θα είναι αυτή που θα μπορεί να μεταδίδει περισσότερη θερμότητα από την cpu στην επιφάνεια της που έρχεται σε επαφή με τον αέρα. Αν εξαιρέσουμε τον άργυρο τότε η χάλκινη ψύκτρα θα μεταδίδει περισσότερη θερμότητα έναντι του αλουμινίου. Τι σημαίνει όμως αυτό?
Αφού η χάλκινη ψύκτρα συσσωρεύει περισσότερη θερμότητα στην επιφάνεια της θα έχει και μεγαλύτερη θερμοκρασία. Ας επανέλθουμε τώρα στην εξίσωση μεταφοράς .Όπως είχαμε πει η μεταφορά θερμότητας από την επιφάνεια της ψύκτρας στο αέρα δεν εξαρτάται από το υλικό της. Και αφού και οι δυο έχουν το ίδιο σχήμα τότε το h και το A και στις δυο περιπτώσεις θα είναι το ίδιο. Άρα το Qconv θα εξαρτάται μόνο από τον παράγοντα (Ts-Tf ).Και αφού στη χάλκινη ψύκτρα θα έχουμε μεγαλύτερη θερμοκρασία επιφάνειας η διαφορά (Ts-Tf )χαλκού θα είναι μεγαλύτερη της (Ts-Tf ) αλουμινίου. Άρα το cpu fan στην περίπτωση του χαλκού θα μεταφέρει περισσότερη θερμότητα στον αέρα.
Σε μια σταθερή διαδικασία παραγωγής και απαγωγής θερμότητας αυτό σημαίνει ότι ο χαλκός έχει καλύτερες ψυκτικές ικανότητες από το αλουμίνιο.
Πως απάγεται η θερμότητα από την επιφάνεια της ψύκτρας?
Σ’αυτή τη διαδικασία συμβάλει ο ανεμιστήρας(fan) που φέρει πάνω της η ψύκτρα. Είναι απαραίτητο να έχει fan?Όχι πάντα. Για παράδειγμα σε πολλά chipset στα mobo και στις χαμηλού “κυβισμού” κάρτες γραφικών δεν υπάρχουν πάντα fan γιατί η παραγωγή θερμότητας απ’αυτά δεν είναι τόσο μεγάλη ώστε να είναι απαραιτητο. Όπως είχαμε πει η μετάδοση θερμότητας από ένα στερεό σε κάποιο ρευστό γίνεται με μεταφορά. Υπάρχουν δυο τρόποι μεταφοράς.
Ο ένας είναι η φυσική ή ελεύθερη μεταφορά. Αυτός ο τρόπος μετάδοσης γίνεται όταν δεν υπάρχει ροή αέρα, δηλ. όταν δε υπάρχει fan..Στην περίπτωση αυτή δημιουργείται ένα μικρό ρεύμα αέρα καθώς ο αέρας που έρχεται σε επαφή με τη θερμή επιφάνεια της ψύκτρας ζεσταίνεται και κατά συνέπεια γίνεται ελαφρυτερος. με αποτέλεσμα ο θερμότερος αέρας να κινείται ανοδικά και τη θέση του να παίρνουν ψυχρότερες και βαρύτερες αέριες μάζες.
Ο άλλος τρόπος είναι η εξαναγκασμένη μεταφορά. Στην περίπτωση αυτή ένας ανεμιστήρας δημιουργεί ροή αέρα πάνω από μια επιφανεια. Ας υποθέσουμε ένα ρεύμα αέρα πάνω από μια επιφάνεια όπως στο σχήμα:
Η ροή του αέρα έχει φορά από αριστερά προς τα δεξια. Η ταχύτητα του ρεύματος είναι μεγαλύτερη στο πάνω μέρος και σχεδόν μηδενική κοντά στην επιφάνεια του σωματος. Αντιθέτως η θερμοκρασία είναι μεγαλύτερη κοντά στην επιφάνεια και σχεδόν ίση με την περιβαλλοντική στο πάνω μέρος(αν μιλάμε για επιφάνεια ψύκτρας τότε η περιβαλλοντική θερμ. είναι ίση με τη θερμά. του tower).
Γιατί έχουμε καλύτερη ψύξη με εξαναγκασμένη ροή αέρα όμως? Ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας όπως είχαμε πει εξαρτάται εκτός των άλλων και από την ταχύτητα του ρευστου. Για τα αέρια π.χ. με φυσική μεταφορά το h κυμαίνεται από 2 έως 25 W/(m^2*K) ενώ στην εξαναγκασμένη από 25 έως 250.
Και η θερμοαγώγιμη πάστα τι ρόλο παίζει στην υπόθεση?
Αν τοποθετούσαμε την ψύκτρα απ’ευθειας πάνω στη cpu και κοιτούσαμε με ένα ισχυρό μικροσκόπιο θα βλέπαμε ότι η επιφάνεια της cpu και της ψύκτρας δεν εφάπτονται καλα. Θα βλέπαμε κάτι που μοιάζει με παρακάτω σχήμα:
\/\/\/\/\/
/\/\/\/\/\
Οι δυο επιφάνειες έχουν εξοχές και “πατάνε” στις μύτες αυτων. Αυτό συμβαίνει λόγω των ατελειών που δημιουργούνται κατά την κατασκευή των επιφανειων. Όμως όσο καλά και αν λειάνετε τις επιφάνειες ποτέ δεν θα εφάπτονται τέλεια γιατί τα άτομα που αποτελούν τις επιφάνειες δεν είναι επιπεδα. Ανάμεσα σ’αυτά τα κενά που δημιουργούνται υπάρχει αέρας, ο οποίος δεν είναι και το καλύτερο υλικό για να μεταφέρει τη θερμοκρασία από την μια επιφάνεια στην άλλη.
Η θερμοαγωγιμη πάστα κάνει αυτό ακριβώς που δεν μπορεί να κάνει καλά ο αερας. Μεταδίδει τη θερμότητα με αγωγή από την επιφάνεια της cpu στην κάτω επιφάνεια της ψύκτρας .Όταν λέμε ότι μια θερμοαγωγιμη πάστα είναι καλύτερη από μια άλλη αυτό σημαίνει ότι η k του υλικού που την αποτελεί είναι μεγαλύτερη από την k μιας χειροτερης. Και γιατί δεν πρέπει να βάζουμε πολύ πάστα?
Ο ρυθμός μεταφοράς θερμότητας εξαρτάται εκτός από την k και από την απόσταση των δυο επιφανειών, το Δχ. Έτσι αν απλώσουμε μεγάλη ποσότητα πόστας στη cpu τότε η επιφάνεια της πάστας που ακουμπάει στη cpu θα απέχει περισσότερο από την επιφάνεια της πάστας που εφάπτεται στην ψύκτρα, δηλαδή το Δχ θα είναι μεγαλυτερο. Το Qcond όμως είναι αντιστρόφως ανάλογο του Δχ οπότε θα μειωθει. Με λίγα λόγια η περίσσεια πάστα λειτουργεί σαν μονωτικό.
Για το γράψιμο αυτού του άρθρου συμβουλεύτηκα το εξής βιβλίο:
Θερμοδυναμική για μηχανικούς, Τομος Α, 3η εκδοση των
Yunus A. Cengel
Michael A. Boles
Τετάρτη 27 Ιουνίου 2007
ΟΔΗΓΟΣ ΥΔΡΟΨΥΞΗΣ.
ΟΔΗΓΟΣ ΥΔΡΟΨΥΞΗΣ.
Τι χρειαζομαστε.
1. Block
To block αντικαθιστα την ψυκτρα αερος που υπαρχει σε ολους τους υπολογιστες για την ψυξη του επεξεργαστη.
Block υπαρχουν πολλα στο εμποριο καθως και ερασιτεχνικες κατασκευες.
Αν το δει κανεις αδαης, θα φανταστει οτι ειναι απλα ενα χαλκινο κουτι με μια εισοδο και μια εξοδο για να περναει απο μεσα το νερο.
Ομως δεν ειναι ετσι ακριβως.Πολλα πραγματα παιζουν ρολο στην κατασκευη του, γιαυτο και δεν εχουν ολα τα block την ιδια αποδοση, καθως και διαφορες ιδιαιτεροτητες.
Ο εσωτερικος σχεδιασμος του ειναι πολυ βασικος γιατι απο αυτον εξαρταται ο χρονος και η ποσοτητα του νερου που θα περναει απο μεσα, οπως και το παχος των τοιχωματων του block.
Αλλα block αρεσκονται σε γρηγορη ροη νερου, πραγμα που σημαινει οτι αγαπανε τις γρηγορες αντλιες και ορισμενα αλλα, αγαπανε το αντιθετο για να αποδοσουν τα μεγιστα.
Κατα κανονα το υλικο κατασκευης του ειναι ο χαλκος.
Τα 2 καλυτερα block στον κοσμο ειναι του Gathar (Αυστραλια) και του Eleven - 11 (Ελλαδα).
Στις περισοτερες περιπτωσεις, η στηριξη του μπλοκ απαιτει το βγαλσιμο της μητρικης απο το κουτι, ωστε να περασουμε τις 4 βιδες στηριξης του.
Ωστοσο υπαρχουν και καποια μπλοκ στο εμποριο που δεν απαιτουν κατι τετοιο μιας και το μπλοκ στηριζεται με κλιπς εκει που στηριζοταν και η ψυκτρα αερος.
2.Αντλια
Η χρησιμοτητα της αντλιας σε ενα συστημα υδροψυξης υπολογιστη ειναι να κινει το νερο απο το σημειο που αποκτα την υψηλοτερη θερμοκρασια (block), στο σημειο οπου θα εχουμε φροντισει να το κρυωσουμε (ψυγειο).
Οι συνηθεις επιλογες αντλιων ειναι Hydor L20 - L30 και Εheim 1048 - 1250 τις οποιες μπορουμε να βρουμε σε pet shops αλλα και σε sites που εχουν αξεσουαρ υδροψυξης υπολογιστων.
Φυσικα διαφερουν σε τιμη, σε επιδοσεις (Λιτρα ανα ωρα) και σε ποιοτητα κατασκευης, γιαυτο και η επιλογη μας γινεται αναλογα τι ζηταμε απο το συστημα μας.
Σε περιπτωση που θελουμε να ψυξουμε μονο τον επεξεργαστη τα πραγματα ειναι πιο απλα απο το να ζητησουμε το συστημα να μπορει να ψυξει ικανοποιητικα και καρτα γραφικων καθως και chipset.
Επισεις αναλογα και το τι μεγεθος ψυγειο θα χρησιμοποιησουμε παιζει ρολο στην επιλογη της αντλιας.
3.Ψυγειο
Η δουλεια που κανει το ψυγειο στο συστημα μας, ειναι να κρυωνει το νερο (με την βοηθεια ανεμιστηρων) αφου εχει αποκτησει μια θερμοκρασια Α καθως ερχεται απο τον ζεστο επεξεργαστη (με την βοηθεια της αντλιας).
Το υλικο κατασκευης του ψυγειου επιδιωκουμε να ειναι απο χαλκο με εξαιρεση τα fins (κυψελες) που περναει αναμεσα ο αερας τα οποια μπορουν να ειναι και αλουμινενια.
Αυτο το θελουμε, γιατι σε περιπτωση που το υλικο που διερχεται το νερο ειναι πχ. απο αλουμινιο, υπαρχει ο κινδυνος διαβρωσης λογο των διαφορετικων και μη συμβατων μεταλων.
Στα fins δεν εχουμε προβλημα με το υλικο γιατι δεν ερχονται σε επαφή με το νερό.
Επισεις χρειαζεται προσοχη στους σωληνες - ρακορ της εισοδου - εξοδου του νερου, οι οποιοι πρεπει να ειναι αναλογης διαμετρου με του block.
Αν δεν ειναι, θα πρεπει να γινει μετατροπη.
Συνηθισμενη επιλογη ειναι το ψυγειο απο καλοριφερ αυτοκινητου (Ford Transit 87') αλλα οποιοδηποτε ψυγειο που πληρει τις παραπανω προυποθεσεις μπορει να κανει την δουλεια μας.
Υπαρχουν επισεις και στο εμποριο ψυγεια που προοριζονται για την κατασκευη υδροψυξης υπολογιστων.
4.Σωληνες.
Τους χρειαζομαστε για να οδηγησουμε το νερο απο το block στο ψυγειο και το αντιθετο.
Υπαρχουν ακριβοι που τους χρησιμοποιουνε σε ιατρικες εφαρμογες (σιλικονης - Tygon) και φτηνοι πλαστικοι που τους χρησιμοποιουνε σε ενυδρεια.
Αναλογα το βαλαντιο μας επιλεγουμε, αρκει να ειναι ευλυγιστοι και να μην ξεραινονται με τον καιρο.
Σε petshop μπορουμε να βρουμε JBL και Eheim σωληνες αρκετα φτηνους με τους οποιους μπορουμε να κανουμε την δουλεια μας μια χαρα.
Φυσικα μπορουμε να επιλεξουμε σωληνες και απο ιστοσελιδες που ειδικευονται στην υδροψυξη υπολογιστων.
Η εσωτερικη διαμετρος του σωληνα πρεπει να ειναι αναλογη με αυτη του block ωστε να μην επηρεαζεται η ροη του υγρου.
5.Σφιγκτηρες
Μεταλικοι η πλαστικοι για ασφαλισουμε τους σωληνες για την αποφυγη διαροων.
6.Tank (δοχειο διαστολης)
Μεχρι τωρα εχουμε φτιαξει ενα κλειστο κυκλωμα υδροψυξης.
Το μονο μας προβλημα σε αυτη την περιπτωση ειναι να βαλουμε το υγρο στο συστημα και να αφαιρεσουμε τον αερα απο μεσα.
Αυτο γιατι η ροη του υγρου θα ειναι απο δυσκολη ως αδυνατη, καθως και στην μη ικανοποιητικη αποδοση του συστηματος και στην δημιουργια θορυβου.
Επισεις θα πρεπει να μπορουμε αργοτερα να κανουμε ευκολα εξαερωση χωρις να χρειαστει να αποσυνδεσουμε το ολο συστημα απο τον υπολογιστη, για ευκολια δικια μας φυσικα.
Εδω ερχεται ο ρολος του Tank.
Με την παρεμβολη του Tank στο συστημα μας, η εγκατασταση και η εξαερωση του συστηματος μας, γινεται παιχνιδακι.
Και εδω υπαρχουν ετοιμα στο εμποριο αλλα και πολυ ωραιες ιδιοκατασκευες.
7.Shroud
Αν και δεν ειναι απαραιτητο, σε περιπτωση που υπαρχει βελτιωνει την ροη του αερα απο τους ανεμιστηρες πανω στις κυψελες του ψυγειου.
Οταν δεν υπαρχει, οι ανεμιστηρες εφαπτονται πανω στις κυψελες με αποτελεσμα να περιοριζεται το ευρος του αερα.
Με το shroud, μπορουμε να δημιουργησουμε μια αποσταση απο τις κυψελες οπου θα ριχνουν αερα οι ανεμιστηρες και μιας και το shroud δεν θα αφηνει το αερα να ξεφευγει εκτος της επιφανειας του ψυγειου, εκμεταλευομαστε 100% την δυναμη των ανεμιστηρων στην επιφανεια του ψυγειου, με αποτελεσμα την οσο δυνατον καλυτερη ψυξη των κυψελων και κατ'επεκταση του νερου και την αποδοση του ολου συστηματος.
Μπορουμε να το κατασκευασουμε απο φυλλο αλουμινιου, απο πολυεστερικη ρητινη, η οτι αλλο υλικο πιστευουμε οτι μπορει να μας κανει αυτο που θελουμε.
8.Υγρο
Το τι υγρο θα αποφασισουμε να γεμισουμε το συστημα μας ειναι κι αυτο κατι που πρεπει να αναφερθει.
Νερο απο την βρυση αν και εχει πολυ καλη αποδοση, το αποκλειουμε γιατι περιεχει αλατα και μικροοργανισμους τα οποια δεν θελουμε να υπαρχουν στο συστημα μας.
Μια συμβουλή για το νερό βρύσης είναι να προσθέσουμε betadin το οποίο σκοτώνει τους μικροοργανισμούς, αλλά δεν είναι για μακροχρόνια χρύση.
Ανοδιομενο νερο επισεις δεν το θελουμε λογο του οτι επειδη δεν περιεχει ιοντα, με το καιρο παιρνει τα ιοντα απο την επιφανεια του χαλκου με αποτελεσμα να τον φθειρει σιγα σιγα.
Αυτο που προτεινεται ειναι αφαλατομενο νερο.
Μια μικρη προσθηκη παραφλου (10%) συνισταται.
Υπαρχουν και ετοιμα υγρα στο εμποριο με προσθηκη χημικων, ακριβως για αυτη την χρηση.
Πως θα στησουμε την υδροψυξη μας και τι πρεπει να προσεξουμε.
Εχουμε καταληξει και αγορασει οτι μας χρειαζεται και ειμαστε ετοιμοι να τα συναρμολογησουμε και να τα βαλουμε στο συστημα μας.
Αντιθετα απο οτι φοβουνται μερικοι, ενα υδροψυκτο συστημα ειναι πολυ ασφαλες αρκει να γινουν τα πραγματα σωστα απο την αρχη.
Τι χρειαζομαστε.
1. Block
To block αντικαθιστα την ψυκτρα αερος που υπαρχει σε ολους τους υπολογιστες για την ψυξη του επεξεργαστη.
Block υπαρχουν πολλα στο εμποριο καθως και ερασιτεχνικες κατασκευες.
Αν το δει κανεις αδαης, θα φανταστει οτι ειναι απλα ενα χαλκινο κουτι με μια εισοδο και μια εξοδο για να περναει απο μεσα το νερο.
Ομως δεν ειναι ετσι ακριβως.Πολλα πραγματα παιζουν ρολο στην κατασκευη του, γιαυτο και δεν εχουν ολα τα block την ιδια αποδοση, καθως και διαφορες ιδιαιτεροτητες.
Ο εσωτερικος σχεδιασμος του ειναι πολυ βασικος γιατι απο αυτον εξαρταται ο χρονος και η ποσοτητα του νερου που θα περναει απο μεσα, οπως και το παχος των τοιχωματων του block.
Αλλα block αρεσκονται σε γρηγορη ροη νερου, πραγμα που σημαινει οτι αγαπανε τις γρηγορες αντλιες και ορισμενα αλλα, αγαπανε το αντιθετο για να αποδοσουν τα μεγιστα.
Κατα κανονα το υλικο κατασκευης του ειναι ο χαλκος.
Τα 2 καλυτερα block στον κοσμο ειναι του Gathar (Αυστραλια) και του Eleven - 11 (Ελλαδα).
Στις περισοτερες περιπτωσεις, η στηριξη του μπλοκ απαιτει το βγαλσιμο της μητρικης απο το κουτι, ωστε να περασουμε τις 4 βιδες στηριξης του.
Ωστοσο υπαρχουν και καποια μπλοκ στο εμποριο που δεν απαιτουν κατι τετοιο μιας και το μπλοκ στηριζεται με κλιπς εκει που στηριζοταν και η ψυκτρα αερος.
2.Αντλια
Η χρησιμοτητα της αντλιας σε ενα συστημα υδροψυξης υπολογιστη ειναι να κινει το νερο απο το σημειο που αποκτα την υψηλοτερη θερμοκρασια (block), στο σημειο οπου θα εχουμε φροντισει να το κρυωσουμε (ψυγειο).
Οι συνηθεις επιλογες αντλιων ειναι Hydor L20 - L30 και Εheim 1048 - 1250 τις οποιες μπορουμε να βρουμε σε pet shops αλλα και σε sites που εχουν αξεσουαρ υδροψυξης υπολογιστων.
Φυσικα διαφερουν σε τιμη, σε επιδοσεις (Λιτρα ανα ωρα) και σε ποιοτητα κατασκευης, γιαυτο και η επιλογη μας γινεται αναλογα τι ζηταμε απο το συστημα μας.
Σε περιπτωση που θελουμε να ψυξουμε μονο τον επεξεργαστη τα πραγματα ειναι πιο απλα απο το να ζητησουμε το συστημα να μπορει να ψυξει ικανοποιητικα και καρτα γραφικων καθως και chipset.
Επισεις αναλογα και το τι μεγεθος ψυγειο θα χρησιμοποιησουμε παιζει ρολο στην επιλογη της αντλιας.
3.Ψυγειο
Η δουλεια που κανει το ψυγειο στο συστημα μας, ειναι να κρυωνει το νερο (με την βοηθεια ανεμιστηρων) αφου εχει αποκτησει μια θερμοκρασια Α καθως ερχεται απο τον ζεστο επεξεργαστη (με την βοηθεια της αντλιας).
Το υλικο κατασκευης του ψυγειου επιδιωκουμε να ειναι απο χαλκο με εξαιρεση τα fins (κυψελες) που περναει αναμεσα ο αερας τα οποια μπορουν να ειναι και αλουμινενια.
Αυτο το θελουμε, γιατι σε περιπτωση που το υλικο που διερχεται το νερο ειναι πχ. απο αλουμινιο, υπαρχει ο κινδυνος διαβρωσης λογο των διαφορετικων και μη συμβατων μεταλων.
Στα fins δεν εχουμε προβλημα με το υλικο γιατι δεν ερχονται σε επαφή με το νερό.
Επισεις χρειαζεται προσοχη στους σωληνες - ρακορ της εισοδου - εξοδου του νερου, οι οποιοι πρεπει να ειναι αναλογης διαμετρου με του block.
Αν δεν ειναι, θα πρεπει να γινει μετατροπη.
Συνηθισμενη επιλογη ειναι το ψυγειο απο καλοριφερ αυτοκινητου (Ford Transit 87') αλλα οποιοδηποτε ψυγειο που πληρει τις παραπανω προυποθεσεις μπορει να κανει την δουλεια μας.
Υπαρχουν επισεις και στο εμποριο ψυγεια που προοριζονται για την κατασκευη υδροψυξης υπολογιστων.
4.Σωληνες.
Τους χρειαζομαστε για να οδηγησουμε το νερο απο το block στο ψυγειο και το αντιθετο.
Υπαρχουν ακριβοι που τους χρησιμοποιουνε σε ιατρικες εφαρμογες (σιλικονης - Tygon) και φτηνοι πλαστικοι που τους χρησιμοποιουνε σε ενυδρεια.
Αναλογα το βαλαντιο μας επιλεγουμε, αρκει να ειναι ευλυγιστοι και να μην ξεραινονται με τον καιρο.
Σε petshop μπορουμε να βρουμε JBL και Eheim σωληνες αρκετα φτηνους με τους οποιους μπορουμε να κανουμε την δουλεια μας μια χαρα.
Φυσικα μπορουμε να επιλεξουμε σωληνες και απο ιστοσελιδες που ειδικευονται στην υδροψυξη υπολογιστων.
Η εσωτερικη διαμετρος του σωληνα πρεπει να ειναι αναλογη με αυτη του block ωστε να μην επηρεαζεται η ροη του υγρου.
5.Σφιγκτηρες
Μεταλικοι η πλαστικοι για ασφαλισουμε τους σωληνες για την αποφυγη διαροων.
6.Tank (δοχειο διαστολης)
Μεχρι τωρα εχουμε φτιαξει ενα κλειστο κυκλωμα υδροψυξης.
Το μονο μας προβλημα σε αυτη την περιπτωση ειναι να βαλουμε το υγρο στο συστημα και να αφαιρεσουμε τον αερα απο μεσα.
Αυτο γιατι η ροη του υγρου θα ειναι απο δυσκολη ως αδυνατη, καθως και στην μη ικανοποιητικη αποδοση του συστηματος και στην δημιουργια θορυβου.
Επισεις θα πρεπει να μπορουμε αργοτερα να κανουμε ευκολα εξαερωση χωρις να χρειαστει να αποσυνδεσουμε το ολο συστημα απο τον υπολογιστη, για ευκολια δικια μας φυσικα.
Εδω ερχεται ο ρολος του Tank.
Με την παρεμβολη του Tank στο συστημα μας, η εγκατασταση και η εξαερωση του συστηματος μας, γινεται παιχνιδακι.
Και εδω υπαρχουν ετοιμα στο εμποριο αλλα και πολυ ωραιες ιδιοκατασκευες.
7.Shroud
Αν και δεν ειναι απαραιτητο, σε περιπτωση που υπαρχει βελτιωνει την ροη του αερα απο τους ανεμιστηρες πανω στις κυψελες του ψυγειου.
Οταν δεν υπαρχει, οι ανεμιστηρες εφαπτονται πανω στις κυψελες με αποτελεσμα να περιοριζεται το ευρος του αερα.
Με το shroud, μπορουμε να δημιουργησουμε μια αποσταση απο τις κυψελες οπου θα ριχνουν αερα οι ανεμιστηρες και μιας και το shroud δεν θα αφηνει το αερα να ξεφευγει εκτος της επιφανειας του ψυγειου, εκμεταλευομαστε 100% την δυναμη των ανεμιστηρων στην επιφανεια του ψυγειου, με αποτελεσμα την οσο δυνατον καλυτερη ψυξη των κυψελων και κατ'επεκταση του νερου και την αποδοση του ολου συστηματος.
Μπορουμε να το κατασκευασουμε απο φυλλο αλουμινιου, απο πολυεστερικη ρητινη, η οτι αλλο υλικο πιστευουμε οτι μπορει να μας κανει αυτο που θελουμε.
8.Υγρο
Το τι υγρο θα αποφασισουμε να γεμισουμε το συστημα μας ειναι κι αυτο κατι που πρεπει να αναφερθει.
Νερο απο την βρυση αν και εχει πολυ καλη αποδοση, το αποκλειουμε γιατι περιεχει αλατα και μικροοργανισμους τα οποια δεν θελουμε να υπαρχουν στο συστημα μας.
Μια συμβουλή για το νερό βρύσης είναι να προσθέσουμε betadin το οποίο σκοτώνει τους μικροοργανισμούς, αλλά δεν είναι για μακροχρόνια χρύση.
Ανοδιομενο νερο επισεις δεν το θελουμε λογο του οτι επειδη δεν περιεχει ιοντα, με το καιρο παιρνει τα ιοντα απο την επιφανεια του χαλκου με αποτελεσμα να τον φθειρει σιγα σιγα.
Αυτο που προτεινεται ειναι αφαλατομενο νερο.
Μια μικρη προσθηκη παραφλου (10%) συνισταται.
Υπαρχουν και ετοιμα υγρα στο εμποριο με προσθηκη χημικων, ακριβως για αυτη την χρηση.
Πως θα στησουμε την υδροψυξη μας και τι πρεπει να προσεξουμε.
Εχουμε καταληξει και αγορασει οτι μας χρειαζεται και ειμαστε ετοιμοι να τα συναρμολογησουμε και να τα βαλουμε στο συστημα μας.
Αντιθετα απο οτι φοβουνται μερικοι, ενα υδροψυκτο συστημα ειναι πολυ ασφαλες αρκει να γινουν τα πραγματα σωστα απο την αρχη.
HEAT - PIPES : ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ .
HEAT - PIPES : ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ .
* Φωτό: Λεπτομέρειες μιας τυπικής ψύκτρας για CPU με heatpipes
Ψύκτρες με τεχνολογία heatpipe:
Όλοι γνωρίζουμε τις ψύκτρες με τεχνολογία heatpipe που πριν μερικά χρόνια μπήκαν δυναμικά στον χώρο του cooling. Αν και πολλοί γνωρίζουν την αρχή λειτουργίας τους, υπάρχουν πολλά πράγματα που ακόμη πολλοί δεν έχουν κατανοήσει και αυτό το κειμενάκι θα τους φανεί χρήσιμο, καθώς και σε άλλους που ήδη γνωρίζουν τα παρακάτω αλλά τους αρέσει να διαβάζουν.
ΤΙ ΑΚΡΙΒΩΣ ΕΙΝΑΙ ΤΟ HEAT-PIPE (ΘΕΡΜΟΣΩΛΗΝΑΣ) ΜΠΑΜΠΑ;
Το Heatpipe είναι ένας μηχανισμός μεταφοράς θερμότητας, ο οποίος έχει την δυνατότητα να μεταφέρει μεγάλα θερμικά φορτία με πολύ μικρή διαφορά σε θερμοκρασία μεταξύ των κρύων και ζεστών επιφανειών του.
ΠΩΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΖΟΝΤΑΙ:
Ένα τυπικό heatpipe είναι βασικά ένας σφραγισμένος σωλήνας, συνήθως κατασκευασμένος από θερμοαγώγιμο υλικό (π.χ. χαλκός ή αλουμίνιο). Μέσα περιέχει μικρή σχετικά ποσότητα του "ψυκτικού υγρού" (όπως νερό, αιθανόλη, υδράργυρο, κ.α.) με το υπόλοιπο του σωλήνα να γεμίζεται με το ίδιο αλλά αεριοποιημένο υγρό σε καθαρή μορφή (χωρίς άλλα αέρια).
Στο εσωτερικό του σωλήνα, υπάρχει μια ελικοειδής σχεδίαση που επιτρέπουν στο υγρό να επιστρέψει στην βάση όταν τελειώσει ο "κύκλος ψύξης".
Οι σωλήνες στο εσωτερικό τους έχουν επίστρωση από υλικό κατασκευασμένη με υπερθέρμανση μεταλλικής σκόνης (μέθοδος sintering). http://en.wikipedia.org/wiki/Sintering.
Αν ο σωλήνας έχει συνεχή κλίση τότε η τελευταία παράμετρος δεν είναι απαραίτητη, γιατί το υγρό κυλάει ξανά στην βάση μόνο του. Αυτή η μέθοδος ονομάζεται σωλήνας Perkins.
Τα heatpipes δεν έχουν καθόλου κινούμενα μέρη και δεν χρειάζονται κατ'επέκταση και συντήρηση αν και ποσοστό από τα μη συμπυκνωμένα αέρια θα διαφύγει από διάφορα διάκενα του σωλήνα (συνήθως στις ενώσεις) με αποτέλεσμα με το πέρασμα του χρόνου να πέφτει ελαφρώς η απόδοση τους, ιδιαίτερα όταν η πίεση του αερίου (του αερίου που περιλαμβάνεται μέσα στο σωλήνα) είναι χαμηλή, όταν δηλαδή δεν έχει θερμανθεί αρκετά ακόμα (αν και ακούγεται παράδοξο).
Τα υλικά που χρησιμοποιούνται ως ψυκτικά μέσα εξαρτόνται από το φάσμα θερμοκρασιών που προορίζεται να δουλέψει μια ψύκτρα, και μπορεί να είναι από Ήλιο (για πολύ χαμηλές θερμοκρασίες λειτουργίας) μέχρι υδράργυρο, Λίθιο και ασήμι (για τις πολύ υψηλές). Πάντως η πλειοψηφία των ψυκτρών με heatpipes χρησιμοποιούν αμμωνία ή νερό ως ψυκτικό υγρό.
Το μεγάλο τους πλεονέκτημα είναι η απόδοση κατά την μεταφορά θερμότητας. Η διαμεταγωγή τους είναι ταχύτερη από ότι έχει π.χ. ένα συμπαγές κομμάτι χαλκού. Η θερμότητα κινείται ταχύτερα, έχει σημειωθεί απόδοση ως και 230MegaWatt ανά τετραγωνικό μέτρο (χρησιμοποιείται στην αεροναυπηγική):
http://www.lanl.gov/news/releases/archive/00-064.shtml
Ένας τυπικός έλεγχος επάνω στην συνολική πίεση του heat pipe μπορεί να επιτευχθεί ορίζοντας κατά την κατασκευή ένα συγκεκριμένο ποσό εσωτερικά του υγρού λειτουργίας. Ανάλογα την ποσότητα που θα υπάρχει θα έχουμε και την ανάλογη εφαρμογή εν ολίγοις.
ΕΠΙΠΕΔΑ ΗΕΑΤ-PIPES:
* Φωτό: CAD/CAM σχέδιο που δείχνει λεπτομέρεια επίπεδου heatpipe (πάχος: 500 μικρόμετρα) με συστημα επιστροφής υγρού, χαμηλού προφίλ (σημειώνεται με μπλέ χρώμα)
Τα επίπεδα heatpipes χρησιμοποιούν ίδια τεχνολογία όπως και οι θερμοσωλήνες (tubular heatpipes). Οι διαφορά είναι ότι σε αυτή την περίπτωση μιλάμε για ένα κέλυφος επίπεδο και σφραγισμένο ερμητικά, που περιέχει μέσα ένα "κλειστό" κύκλωμα κυκλοφορίας υγρού, και φυσικά το ψυκτικό υγρό.
Το βασικότερο τους πλεονέκτημα είναι ότι η θερμότητα απάγεται προς δύο κατευθύνσεις και όχι μία όπως με τους θερμοσωλήνες. Σε απλά Ελληνικά, αποδίδουν πολύ καλά συνδυάζοντας μικρό σχετικά μέγεθος. Ετσι μπορούμε να έχουμε ένα πολύ λεπτό επίπεδο heatpipe με απόδοση ίση με αυτή ενός τυπικού -αλλά σαφώς μεγαλύτερου σε διαστάσεις- tubular.
Εταιρίες όπως η Novel Concepts έχουν κατασκευάσει ψύκτρες τέτοιου τύπου με πάχος 500 μικρόμετρα (λεπτότερο από μια πιστωτική κάρτα). Ηδη αυτές χρησιμοποιούνται σε διάφορες χρήσεις π.χ. notebooks, surface mount κυκλώματα & πυρήνες, κ.λ.π.
* Φωτό: CAD/CAM σχέδιο από ψύκτρα με επίπεδο heatpipe, διανομέα θερμότητας (heatspreader) και ανεμιστήρα.
ΤΡΟΠΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ:
Τα heatpipes χρησιμοποιούν "εξατμιστική ψύξη" (για να μεταφερθεί η θερμική ενέργεια από ένα σημείο σε ένα άλλο), και "υγροποίηση αερίου" ενός ψυκτικού υγρού. Η λειτουργία τους βασίζεται πολύ στο γεγονός της διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ της αρχής και του τέλους του heatpipe. Ένα heatpipe ΔΕΝ μπορεί να κατεβάσει την θερμοκρασία του πιο κάτω από την θερμοκρασία περιβάλλοντος, αντιθέτως γενικά έχουν την τάση να εξομειώνουν την θερμοκρασία εσωτερικά με αυτήν, κυρίως στο κέντρο του όπου γίνεται η όλη διαδικασία υγροποίησης/αεριοποίησης.
* Φωτό: Σχέδιο με επεξήγηση της αρχής λειτουργίας heatpipe.
Απο κει και πέρα η αρχή λειτουργίας είναι λίγο πολύ γνωστή: Η μία άκρη θερμαίνεται. Εκεί βρίσκεται το ψυκτικό μας το οποίο εξατμίζεται και αυξάνει την εσωτερική πίεση. Η θερμότητα αποροφάται κατά την εξάτμιση. Η πίεση μεγαλώνει και αναγκάζει ποσότητα του υγρού να αεριοποιηθεί μεταφέροντας ποσό της θερμότητας στην κρύα άκρη του heatpipe. Αντιθετα με ότι πιστεύεται ΠΟΤΕ δεν αεριοποιείται ΟΛΟ το ψυκτικό υγρό. Μέρος του παραμένει υγρό και δουλεύει ως θερμικός καταλύτης, (κάτι σαν μεσάζοντας) μεταφέροντας θερμικό φορτίο προς την "αέριοποιημένη" πλευρά του. Οταν το αεριοποιημένο υγρό μεταφέρει το θερμικό φορτίο, κρυώνει (είτε μέσω ψύκτρας με fins, είτε και με την βοήθεια ανεμιστήρα) και υγροποιείται πάλι επιστρέφοντας στην βάση (είτε με την βοήθεια της βαρύτητας, είτε με "οδηγούς" μέσα στο heatpipe) για να ξεκινήσει νέος "κύκλος" ψύξης.
Μια ενδιαφέρουσα παράμετρος είναι το φάσμα θερμοκρασιών που είναι αποδοτικά τα heatpipes. Με μια πρώτη ματιά κάποιος θα νομίζει ότι π.χ. ένα heatpipe με νερό θα αρχίσει να αποδίδει όταν η ζεστή πλευρά (η βάση) φτάσει τους 100 βαθμούς Κελσίου με το νερό να βράζει να γίνεται αέριο και να μεταφέρει το θερμικό φορτίο, σωστά; ΛΑΘΟΣ!
Εξαρτάται σε πόση πίεση βρίσκεται ήδη μέσα στο heatpipe το αέριο (έιπαμε πως ο σωλήνας γεμίζεται με υγρό και το υπόλοιπο κενό με αέρια μορφή του ίδιου υγρού, το οποίο λόγο χημικών διεργασιών αλλά και πίεσης δεν υγροποιείται ποτέ αλλά μένει αδρανές σε -θα μπορούσα να πω- ημι-αέρια μορφή).
Έτσι σε έναν θερμοσωλήνα το νερό (κάτω από τις κατάλληλες συνθήκες*) θα μπορούσε να βράσει -θεωρητικά- και στους 0 βαθμούς Κελσίου, και η μεταφορά θερμικού φορτίου θα αρχίσει κανονικά εφόσον υπάρχει διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των δύο άκρων του heatpipe. Παρομοίως, ένα heatpipe με νερό ως ψυκτικό μέσο μπορεί να δουλέψει και πάνω από 100 βαθμους Κελσίου αντίστοιχα. Είναι προτιμότερο όμως να αλλάξουμε το ψυκτικό ύγρο με ένα κατάλληλότερο για το φάσμα θερμοκρασιών που θέλουμε να ψύξουμε, παρά να δημιουργούμε τις.. κατάλληλες συνθήκες που προανέφερα (*) χρησιμοποιόντας ένα ακατάλληλο ψυκτικό υγρό. Απλά συγκρατήστε ότι το σημείο βρασμού εξαρτάται αρκετά και από τον δείκτη της ατμοσφαιρικής πίεσης.
Διάφορα μέσα χρησιμοποιούνται ως ψυκτικά υγρά ανάλογα τις ιδιότητες τους σε σχέση με την εφαρμογή που θέλουμε. Δείτε τον παρακάτω πίνακα:
* Φωτό: Πίνακας με τα διάφορα χημικά που χρησιμοποιούνται για διαφορετικά φάσματα θερμοκρασιών.
ΠΡΟΕΛΕΥΣΗ:
Αν και η τεχνολογία heatpipes με επιστροφή του υγρού με την βοήθεια της βαρύτητας είναι γνωστή από την εποχή των κινητήρων ατμού, τα οφέλη
της χρήσης με την βοήθεια "οδηγών" για την επιστροφή του υγρού βεβιασμένα στην "βάση θέρμανσης" (χωρίς δηλαδή να είναι απαραιτήτως κάθετη η ψύκτρα προς την βαρύτητα) ανακαλύφθηκαν από τον George Grover στο Εθνικό Εργαστήριο του Los Alamos, USA το 1963, και εν συνέχεια δημοσιεύθηκε σχετικό άρθρο στο Journal of Applied Physics το 1964. Ο Grover σημειώνει στο βιβλίο του:
Quote:
| "Heat transfer via capillary movement of fluids. The "pumping" action of surface tension forces may be sufficient to move liquids from a cold temperature zone to a high temperature zone (with subsequent return in vapor form using as the driving force, the difference in vapor pressure at the two temperatures) to be of interest in transferring heat from the hot to the cold zone. Such a closed system, requiring no external pumps, may be of particular interest in space reactors in moving heat from the reactor core to a radiating system. In the absence of gravity, the forces must only be such as to overcome the capillary and the drag of the returning vapor through its channels." |
* Φωτό: Αναπαράσταση της διαδικασίας κίνησης υγρών & αερίων μέσα στο heatpipe
ΧΡΗΣΕΙΣ:
Ο Grover με τους συνεργάτες του εργάζονταν σε συστήματα ψύξης για πυρηνικά κύτταρα ενέργειας για διαστημόπλοια (κάτι σαν συμπυκνωμένo πυρηνικό κάυσιμο) όπου υπήρχαν ακραίες θερμικές συνθήκες. Παραπάνω στην παράθεση αναφέρεται χονδριτκά πως τα heatpipes μπορούν να χρησιμοποιηθούν ακόμα και με έλλειψη βαρύτητας (χρήση σε διαστημικές εφαρμογές).
Από τότε, τα Heat pipes έχουν χρησιμοποιηθεί εκτενώς σε διαστημικά σκάφη και διαστημικά λεωφορεία για περιπτώσεις που χρειαζόντουσαν ένα σύστημα ελέγχου της θερμοκρασίας, σε απομακρυσμένα και δυσπρόσιτα σημεία του σκάφους, και χωρίς να απαιτείται διαδικασία συντήρησης.
Σήμερα, τα Heat pipes χρησιμοποιούνται σε μοντέρνα συστήματα υπολογιστών, που οι απαιτήσεις για ψύξη αυξάνονται συνεχώς. Τυπικά χρησιμοποιούνται σε CPU και GPU σε συνδυασμό με κάποιο περαιτέρω σύστημα απαγωγής της θερμότητας (συνήθως με ανεμιστήρα) με σκοπό την διοχέτευση του θερμικού φορτίου στην ατμόσφαιρα (και προφανώς μακρυά από την πηγή που εκπέμπει το θερμικό φορτίο).
Χρησιμοποιούνται επίσης πολύ σε συστήματα θέρμανσης νερού με ηλιακή ενέργεια (οι γνωτοί μας ηλιακοί θερμοσίφωνες).
Επίσης χρησιμοποιούνται για να απάγουν θερμοτητα από αγωγούς πετρελαίου (η ροή & στροβιλισμός του πετρελαίου δημιουργεί τριβή και θέρμανση μέσα στον αγωγό).
ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΟΙ:
Τα Heat pipes πρέπει να "ρυθμιστούν" με βαση την χρήση και τις συγκεκριμένες συνθήκες αυτής. Η επιλογή του υλικού, το μέγεθος, το ψυκτικό, όλα έχουν επίδραση στην απόδοση του heatpipe. Αν η θερμοκρασία λειτουργίας ξεπεραστεί αρκετά, όλα τα υγρά στο heatpipe θα αεριοποιηθούν και η διαδικασία ψύξης θα πάψει να συμβαίνει. Σε αυτή την περίπτωση οι ιδιότητες του heatpipe χάνονται και πλέον η απόδοση θα πέσει στα επίπεδα μίας απλής μεταλλικής ψύκτρας! Καθώς τα περισσότερα heatpipes κατασκευάζονται απο χαλκό, ένα heatpipe που έχει υπερθερμανθεί θα συνεχίσει να απάγει θερμικό φορτίο της τάξης του 1/80 από την αρχική του απαγωγιμότητα!
Προσοχή λοιπόν στα θερμικά σας φορτία και ελπίζω να φανεί χρήσιμο άρθρο, ακόμα και αν απλά σας... διασκεδάσει (κατά την άποψη μερικών)...
* Bιβλιογραφία, τεχνικά στοιχεία, φωτό έχουν χρησιμοποιηθεί από τα παρακάτω sites: Wikipedia.org, Metal-process, Che-resources, MIT educational institute.
ΣΚΛΗΡΟΙ ΔΙΣΚΟΙ ΚΑΙ ΔΙΣΚΕΤΤΑ
ΣΚΛΗΡΟΙ ΔΙΣΚΟΙ ΚΑΙ ΔΙΣΚΕΤΤΑ
Ένας απόγονος της δισκέτας είναι ο σκληρός δίσκος,o οποίος άρχισε να παίρνει θέση στους υπολογιστές μας το '70. Οι δισκέτες τότε ήταν 8 ίντσες και με χωρητικότητα 80Kbytes κάθε πλευρά της. Τα αρχεία αποθηκεύονται σε ένα μαγνητικό μέσο, γι' αυτό λοιπόν δεν είναι και οτι καλύτερο να αφήνουμε μια δισκέτα σε μέρη που υπάρχουν μαγνητικά πεδία. Μια δισκέτα για τέτοιους λόγους έχει μια διάρκεια ζωής περίπου 10 χρόνων.
H κατασκευή ενός σκληρού δίσκου είναι σχεδόν ίδια με αύτην της δισκέττας. Ας αρχίσουμε όμως με την “ανατομία” μιας δισκέττας.
Μια δισκέτα για να χρησιμοποιηθεί πρέπει να διαμορφωθεί ποιο πριν, κατά την διαμόρφωση μιας 1,44MB δισκέτας “γράφονται” 80 ίχνη (tracks).
Το πόσο κοντά είναι λοιπόν αυτά τα ίχνη, καταγράφεται στο TPI (tracks per inch), αυτό ονομάζεται και ως οριζόντια πυκνότητα. Στην παραπάνω διαμόρφωση ερχόμαστε στα 135 TPI που σημαίνει επίσης ένα πλάτος ίχνους τον 0,115mm.
Ακόμη χωρίζουμε την δισκέτα σε τομείς (sectors), στην δισκέτα αυτή βρίσκονται σε κάθε ίχνος 18 τομείς. Το πόσο κοντά είναι τα αρχεία αναμεταξύ τους καθορίζεται από το BPI (bits per inch).
Σε κάθε τομέα γράφονται 512 Bytes. Με αυτό τον τρόπο λοιπόν μπορούμε εύκολα να υπολογίσουμε την τελική χωρητικότητα της δισκέτας.
Χωρητικότητα = 512Bytes x 18 x 80 x 2 = 1.474.560Bytes = 1,44(1MB = 10242)
Ο ρυθμός μεταφοράς δεδομένων λόγο της αργής σειριακής σύνδεσης βρίσκεται περίπου στα 60Kbytes/s για αυτό τον λόγο λοιπόν δεν μπορούμε να φανταστούμε και να κατασκευαστούν μεγάλες χωρητικότητες σε δισκέτες.
Ο σκληρός δίσκος είναι σχεδόν παρόμοιος με την δισκέττα. Η κυριότερη διάφορα ανάμεσα σε αυτά τα δυο μέσα αποθήκευσης είναι προφανώς εμφανής. Ο σκληρός δίσκος αποτελείται από έναν μεταλλικό σκληρό δίσκο, σε αντίθεση με την δισκέτα όπου κατασκευάζεται με ένα εύκαμπτο υλικό. Οι σκληροί δίσκοι είναι ποιο αξιόπιστοι όσο αναφορά την ασφάλεια και παρέχουν μεγαλύτερες ταχύτητες και γρηγορότερες προσβάσεις στα αρχεία.
Οι σύγχρονοι σκληροί δίσκοι κατασκευάζονται ποια μόνο από έναν δίσκο (εσωτερικά) και επιτρέπουν έγγραφες έως και 200GB χωρίς κανένα απόλυτος πρόβλημα. Οι δίσκοι αποτελούνται κυρίως από αλουμίνιο και είναι επιστρωμένοι με μαγνητικό υλικό όπως FE-II-Oxid / FE-III-Oxid. Η επίστρωση αυτή είναι μόλις μερικά άτομα παχιά.
Μέσα σε έναν σκληρό δίσκο υπάρχει περίπτωση να βρέθουν παραπάνω άπο ένας μέταλικοι δίσκοι όπου όνομαζονται Platters. Λόγο όμως της μήχανικης τους λειτουργείας αποφέρουν μεγάλες θερμοκρασίες , με αποτέλεσμα η χρίση πάνω από 8 δίσκους να είναι σχεδόν αδύνατη.
Τώρα ανάλογα με το αν γράφεται ένα 1 η 0, μαγνητίζεται στην συγκεκριμένη θέση προς την μια κατεύθυνση η την αντίστροφη.
Για τους κύλινδρους και τις κεφαλές θα μιλήσουμε παρακάτω.
ΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΣΗ
Στους σκληρούς δίσκους έχουμε μερικά Ίδη κωδικοποιήσης.
FM: Frequency Modulation. Ενα 1 χαρακτηρίζει μια αλλαγή της μαγνητικής ροής, σε ένα 0 δεν υπάρχει καμία απόλυτος αλλαγή. Για λόγους ασφάλειας χρησιμοποιείται ένα Bit οδηγός το οποίο έχει πάντα την τιμή 1, με αλλά λόγια παρουσιάζεται μια αλλαγή μαγνητικής ροής. Με αυτό τον τρόπο λοιπόν χρειαζόμαστε σε ένα 1 , 2 αλλαγές ροής, ενώ στο 0 μόνο μια, έτσι ώστε ένα 1 να κατέχει την διπλή συχνότητα ενός 0.
MFM: Modified Frequency Modulation. To MFM χρησιμοποιείται στις δισκέτες.
Ο ρυθμός “αποθηκεύεται” στα δεδομένα, κάτι το οποίο ανεβάζει και την πυκνότητα αποθήκευσης. Ένα 1 χαρακτηρίζει μια ώθηση στο κέντρο του χρονοδιαγράμματος των Bits.Το 0 έρχεται χωρίς να φέρει καμία αλλαγή μόνο όταν δεν έρχεται μετά από αυτό ένα 1. Σε περίπτωση που έρθει ένα 0, τότε έχουμε μια ώθηση στην αρχή του Βit. Έτσι έχουμε λοιπόν μια αλλαγή ροής ανά Bit.
RLL: Run length limited. Γνωστό και ως RLL 2.7 Στην μέθοδο αυτή έχουμε διάφορους συνδυασμούς των Bit οι οποίοι αντικαθιστούνται με άλλους συνδυασμούς έτσι ώστε να καταφέρουμε μεγάλες σειρές με Bit χωρίς αλλαγή ροής και επίσης να μειώσουμε τον αριθμό αλλαγή ροής.
ARLL: Advanced Run length Limited. Ονομαζόμενοι και RLL 3.9. Αυτή η μέθοδος λειτουργεί όπως και στην παραπάνω με την μόνη διάφορα ότι τοποθετεί 3 έως 9 μηδενικά ανάμεσα στα 1. Με αυτό τον τρόπο καταφέρνουμε μια πύκνωση 4 φορές μεγαλύτερη από αυτήν της FM μεθόδου.
ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΑΡΧΕΙΩΝ
Στους σκληρούς δίσκους σχεδιάζουμε τα αρχεία σε tracks. Επειδή μπορεί να τύχει η περίπτωση να δημιουργήσουμε μια στοιβάδα με πολλούς δίσκους ο ένας πάνω από τον άλλον, τότε ονομάζουμε τα tracks που βρίσκονται το ένα πάνω από το άλλο , κύλινδρο (cylinder).
Τα tracks μπορούν να βρίσκονται στην πάνω η στην κάτω πλευρά του δίσκου , side 0 , side 1 και αριθμούνται από έξω προς τα μέσα. Για κάθε πλευρά του δίσκου υπάρχει μια κεφαλή έγγραφης-ανάγνωσης. (head)
Δίνοντας την αποθηκευτική θέση των αρχείων με την μέθοδο “cylinder-head-sector” τότε μιλάμε για ένα CHS-Addressing.
Ο αποθηκευτικός χορός υπολογίζεται ως εξής.
Capacity = No. Of Tracks x No. of sectors per track x No. of Bytes per sector x No. of heads
ΣΥΝΔΕΣΕΙΣ
Στους σκληρούς δίσκους βρίσκουμε τις εξής συνδέσεις.
Eide = Enhanced intergrated device electronic.
SCSI = Small computer system interface
S-ATA = Serial ATA.
IDE
H (E)IDE έχει της ρίζες της στους επεξεργαστές 80286 , τον PC/AT (Personal computer/ advanced thecnology). Σε αυτόν “διαλεγμένα” σήματα μας κατέληξαν στο ISA-Slot όπου μετά καταλήξαμε
με διάφορες μεθόδους στην IDE. Αυτό είναι λοιπόν το τμήμα που ενώνει τον σκληρό δίσκο με τον Host adapter. Εδώ και μερικά χρόνια πια η ISA έχει αντικατασταθεί με την PCI πάνω στην οποία δουλεύουν η σκληροί δίσκοι.
EΙDE/ATA/ATAPI
Την σύνδεση IDE καταφέραμε να την επεκτείνουμε σε EIDE.Κύριος γνωστή είναι και ως ATA.
Υπάρχουν διάφορες έκδοσης της ΑΤΑ. Από ΑΤΑ-1 έως ΑΤΑ-6, η οποίες έκδοσης έχουν διαφορετικές επιδόσεις. Η χρησιμοποίηση τεσσάρων αντί για δυο συσκευές πρωτοεμφανίστηκε με την σύνδεση σκληρών EIDE με την χρίση ενός δεύτερου IDE-Adapter καθώς και σκληρούς με μέγεθος μεγαλύτερο τον 504-ΜByte. Επίσης την σύνδεση ΕΙDE την ονομάζουμε και καμία φορά ως ATAPI (AT = Attachment Packet Interface). Η σύνδεση ATAPI εκτός από σκληρούς δίσκους μας επιτρέπει και την σύνδεση CD-Rom/DVD-Rom κλπ.
Ένα ΕΙDE καλώδιο μπορεί να έχει μέγιστο μήκος 18” (45,7cm) το οποίο μας επιτρέπει μεταφορά δεδομένων με ταχύτητα 16,7ΜΒ/s.
Ultra-Ata
Μια εξέλιξη που είχαμε ήταν το Ultra-Ata.Το Ultra-Ata χρησιμοποιεί την PCI-1 αξιοποιώντας τα 133ΜΒ/s της ταχύτητας της PCI (φυσικά πάντα θεωρητικά).
Οι σκληροί Ultra-Ata από μια συχνότητα τον 66MHz και πανω για να αποδώσουν 100% χρειάζονται ξεχωριστά καλώδια από αυτά που προαναφέραμε πριν. Εμφανισιακά τα καλώδια δεν έχουν μεγάλες διάφορες. Τα καλώδια για Ultra-Ata είναι ποιο λεπτά σε αντίθεση με τα απλά.
Έτσι λοιπόν αν κάνετε απλών ΕΙDE καλωδίων σε ταχύτερους σκληρούς δεν θα γίνει απολύτως τίποτα, η μόνη αλλαγή θα είναι στην ταχύτητα. Δηλαδή ένας σκληρός Ultra-Ata 100 θα δουλεύει σαν ATA/33.
Κάτι παρά πολύ σημαντικό που ήρθε μαζί με το ΑΤΑ-4 είναι το επονομαζόμενο Overlapped Feature Set. Με αυτό μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το Master και Slave σε ένα σύστημα.
S-ATA
Ο απόγονος του Ultra-Ata είναι το Serial ATA (S-ATA).Σε αυτό το σύστημα καταργείται η παράλληλη μεταφορά δεδομένων και γίνεται σειριακή. Μερικούς από τους S-ATA σκληρούς είναι
S-ATA I : 150Mbyte/s
S-ATA II: 300Mbyte/s
S-ATA III: 600Mbyte/s
Φυσικά είναι μια καλή τεχνολογία οι S-ATA και μπορούν να αποδώσουν μεγάλες ταχύτητες αλλά πάντα περιοριζόμαστε από το PCI-1-Bus όπου μας επιτρέπει ταχύτητες 133Mbytes/s η ακόμη και 100Mbytes/s. Βλέπουμε λοιπόν πως ένας δίσκος ΑΤΑ/133 μπορεί να απόδοση ακριβώς το ίδιο με έναν S-ATA Ι. Το καλώδιο που χρησιμοποιούν οι S-ATA είναι παρά πολύ ποιο λεπτό από αυτό των EIDE και επιτρέπει μήκος καλωδίου έως και 1 μέτρο.
SCSI
Η σύνδεση SCSI επιτρέπει εδώ και χρόνια σύνδεσης συσκευών όπως σκληρούς δίσκους, CD-Rom, σαρωτές κλπ. Δυστυχώς το μεγάλο κόστος των συσκευών αυτών δεν επιτρέπει σε κοινούς χρηστές την αγορά τους, με αποτέλεσμα να τις βλέπουμε κυρίως σε Servers.
Ξεχωρίζουμε διάφορα SCSI . (8-Bit Narrow-SCSI και 16-Bit Wide-SCSI ) καθώς και διάφορες ταχύτητες (Fast, Ultra, Ultra2, U160, U320). Στο Narrow-SCSI μπορούμε να συνδέσουμε έως 7 συσκευές και στο Wide-SCSI 15. To SAS (serial attached SCSI) χρησιμοποιεί επίσης την σειριακή μέθοδο και υποστηρίζει ταχύτητες έως και 600Mbytes/s.
Ένας απόγονος της δισκέτας είναι ο σκληρός δίσκος,o οποίος άρχισε να παίρνει θέση στους υπολογιστές μας το '70. Οι δισκέτες τότε ήταν 8 ίντσες και με χωρητικότητα 80Kbytes κάθε πλευρά της. Τα αρχεία αποθηκεύονται σε ένα μαγνητικό μέσο, γι' αυτό λοιπόν δεν είναι και οτι καλύτερο να αφήνουμε μια δισκέτα σε μέρη που υπάρχουν μαγνητικά πεδία. Μια δισκέτα για τέτοιους λόγους έχει μια διάρκεια ζωής περίπου 10 χρόνων.
H κατασκευή ενός σκληρού δίσκου είναι σχεδόν ίδια με αύτην της δισκέττας. Ας αρχίσουμε όμως με την “ανατομία” μιας δισκέττας.
Μια δισκέτα για να χρησιμοποιηθεί πρέπει να διαμορφωθεί ποιο πριν, κατά την διαμόρφωση μιας 1,44MB δισκέτας “γράφονται” 80 ίχνη (tracks).
Το πόσο κοντά είναι λοιπόν αυτά τα ίχνη, καταγράφεται στο TPI (tracks per inch), αυτό ονομάζεται και ως οριζόντια πυκνότητα. Στην παραπάνω διαμόρφωση ερχόμαστε στα 135 TPI που σημαίνει επίσης ένα πλάτος ίχνους τον 0,115mm.
Ακόμη χωρίζουμε την δισκέτα σε τομείς (sectors), στην δισκέτα αυτή βρίσκονται σε κάθε ίχνος 18 τομείς. Το πόσο κοντά είναι τα αρχεία αναμεταξύ τους καθορίζεται από το BPI (bits per inch).
Σε κάθε τομέα γράφονται 512 Bytes. Με αυτό τον τρόπο λοιπόν μπορούμε εύκολα να υπολογίσουμε την τελική χωρητικότητα της δισκέτας.
Χωρητικότητα = 512Bytes x 18 x 80 x 2 = 1.474.560Bytes = 1,44(1MB = 10242)
Ο ρυθμός μεταφοράς δεδομένων λόγο της αργής σειριακής σύνδεσης βρίσκεται περίπου στα 60Kbytes/s για αυτό τον λόγο λοιπόν δεν μπορούμε να φανταστούμε και να κατασκευαστούν μεγάλες χωρητικότητες σε δισκέτες.
Ο σκληρός δίσκος είναι σχεδόν παρόμοιος με την δισκέττα. Η κυριότερη διάφορα ανάμεσα σε αυτά τα δυο μέσα αποθήκευσης είναι προφανώς εμφανής. Ο σκληρός δίσκος αποτελείται από έναν μεταλλικό σκληρό δίσκο, σε αντίθεση με την δισκέτα όπου κατασκευάζεται με ένα εύκαμπτο υλικό. Οι σκληροί δίσκοι είναι ποιο αξιόπιστοι όσο αναφορά την ασφάλεια και παρέχουν μεγαλύτερες ταχύτητες και γρηγορότερες προσβάσεις στα αρχεία.
Οι σύγχρονοι σκληροί δίσκοι κατασκευάζονται ποια μόνο από έναν δίσκο (εσωτερικά) και επιτρέπουν έγγραφες έως και 200GB χωρίς κανένα απόλυτος πρόβλημα. Οι δίσκοι αποτελούνται κυρίως από αλουμίνιο και είναι επιστρωμένοι με μαγνητικό υλικό όπως FE-II-Oxid / FE-III-Oxid. Η επίστρωση αυτή είναι μόλις μερικά άτομα παχιά.
Μέσα σε έναν σκληρό δίσκο υπάρχει περίπτωση να βρέθουν παραπάνω άπο ένας μέταλικοι δίσκοι όπου όνομαζονται Platters. Λόγο όμως της μήχανικης τους λειτουργείας αποφέρουν μεγάλες θερμοκρασίες , με αποτέλεσμα η χρίση πάνω από 8 δίσκους να είναι σχεδόν αδύνατη.
Τώρα ανάλογα με το αν γράφεται ένα 1 η 0, μαγνητίζεται στην συγκεκριμένη θέση προς την μια κατεύθυνση η την αντίστροφη.
Για τους κύλινδρους και τις κεφαλές θα μιλήσουμε παρακάτω.
ΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΣΗ
Στους σκληρούς δίσκους έχουμε μερικά Ίδη κωδικοποιήσης.
FM: Frequency Modulation. Ενα 1 χαρακτηρίζει μια αλλαγή της μαγνητικής ροής, σε ένα 0 δεν υπάρχει καμία απόλυτος αλλαγή. Για λόγους ασφάλειας χρησιμοποιείται ένα Bit οδηγός το οποίο έχει πάντα την τιμή 1, με αλλά λόγια παρουσιάζεται μια αλλαγή μαγνητικής ροής. Με αυτό τον τρόπο λοιπόν χρειαζόμαστε σε ένα 1 , 2 αλλαγές ροής, ενώ στο 0 μόνο μια, έτσι ώστε ένα 1 να κατέχει την διπλή συχνότητα ενός 0.
MFM: Modified Frequency Modulation. To MFM χρησιμοποιείται στις δισκέτες.
Ο ρυθμός “αποθηκεύεται” στα δεδομένα, κάτι το οποίο ανεβάζει και την πυκνότητα αποθήκευσης. Ένα 1 χαρακτηρίζει μια ώθηση στο κέντρο του χρονοδιαγράμματος των Bits.Το 0 έρχεται χωρίς να φέρει καμία αλλαγή μόνο όταν δεν έρχεται μετά από αυτό ένα 1. Σε περίπτωση που έρθει ένα 0, τότε έχουμε μια ώθηση στην αρχή του Βit. Έτσι έχουμε λοιπόν μια αλλαγή ροής ανά Bit.
RLL: Run length limited. Γνωστό και ως RLL 2.7 Στην μέθοδο αυτή έχουμε διάφορους συνδυασμούς των Bit οι οποίοι αντικαθιστούνται με άλλους συνδυασμούς έτσι ώστε να καταφέρουμε μεγάλες σειρές με Bit χωρίς αλλαγή ροής και επίσης να μειώσουμε τον αριθμό αλλαγή ροής.
ARLL: Advanced Run length Limited. Ονομαζόμενοι και RLL 3.9. Αυτή η μέθοδος λειτουργεί όπως και στην παραπάνω με την μόνη διάφορα ότι τοποθετεί 3 έως 9 μηδενικά ανάμεσα στα 1. Με αυτό τον τρόπο καταφέρνουμε μια πύκνωση 4 φορές μεγαλύτερη από αυτήν της FM μεθόδου.
ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΑΡΧΕΙΩΝ
Στους σκληρούς δίσκους σχεδιάζουμε τα αρχεία σε tracks. Επειδή μπορεί να τύχει η περίπτωση να δημιουργήσουμε μια στοιβάδα με πολλούς δίσκους ο ένας πάνω από τον άλλον, τότε ονομάζουμε τα tracks που βρίσκονται το ένα πάνω από το άλλο , κύλινδρο (cylinder).
Τα tracks μπορούν να βρίσκονται στην πάνω η στην κάτω πλευρά του δίσκου , side 0 , side 1 και αριθμούνται από έξω προς τα μέσα. Για κάθε πλευρά του δίσκου υπάρχει μια κεφαλή έγγραφης-ανάγνωσης. (head)
Δίνοντας την αποθηκευτική θέση των αρχείων με την μέθοδο “cylinder-head-sector” τότε μιλάμε για ένα CHS-Addressing.
Ο αποθηκευτικός χορός υπολογίζεται ως εξής.
Capacity = No. Of Tracks x No. of sectors per track x No. of Bytes per sector x No. of heads
ΣΥΝΔΕΣΕΙΣ
Στους σκληρούς δίσκους βρίσκουμε τις εξής συνδέσεις.
Eide = Enhanced intergrated device electronic.
SCSI = Small computer system interface
S-ATA = Serial ATA.
IDE
H (E)IDE έχει της ρίζες της στους επεξεργαστές 80286 , τον PC/AT (Personal computer/ advanced thecnology). Σε αυτόν “διαλεγμένα” σήματα μας κατέληξαν στο ISA-Slot όπου μετά καταλήξαμε
με διάφορες μεθόδους στην IDE. Αυτό είναι λοιπόν το τμήμα που ενώνει τον σκληρό δίσκο με τον Host adapter. Εδώ και μερικά χρόνια πια η ISA έχει αντικατασταθεί με την PCI πάνω στην οποία δουλεύουν η σκληροί δίσκοι.
EΙDE/ATA/ATAPI
Την σύνδεση IDE καταφέραμε να την επεκτείνουμε σε EIDE.Κύριος γνωστή είναι και ως ATA.
Υπάρχουν διάφορες έκδοσης της ΑΤΑ. Από ΑΤΑ-1 έως ΑΤΑ-6, η οποίες έκδοσης έχουν διαφορετικές επιδόσεις. Η χρησιμοποίηση τεσσάρων αντί για δυο συσκευές πρωτοεμφανίστηκε με την σύνδεση σκληρών EIDE με την χρίση ενός δεύτερου IDE-Adapter καθώς και σκληρούς με μέγεθος μεγαλύτερο τον 504-ΜByte. Επίσης την σύνδεση ΕΙDE την ονομάζουμε και καμία φορά ως ATAPI (AT = Attachment Packet Interface). Η σύνδεση ATAPI εκτός από σκληρούς δίσκους μας επιτρέπει και την σύνδεση CD-Rom/DVD-Rom κλπ.
Ένα ΕΙDE καλώδιο μπορεί να έχει μέγιστο μήκος 18” (45,7cm) το οποίο μας επιτρέπει μεταφορά δεδομένων με ταχύτητα 16,7ΜΒ/s.
Ultra-Ata
Μια εξέλιξη που είχαμε ήταν το Ultra-Ata.Το Ultra-Ata χρησιμοποιεί την PCI-1 αξιοποιώντας τα 133ΜΒ/s της ταχύτητας της PCI (φυσικά πάντα θεωρητικά).
Οι σκληροί Ultra-Ata από μια συχνότητα τον 66MHz και πανω για να αποδώσουν 100% χρειάζονται ξεχωριστά καλώδια από αυτά που προαναφέραμε πριν. Εμφανισιακά τα καλώδια δεν έχουν μεγάλες διάφορες. Τα καλώδια για Ultra-Ata είναι ποιο λεπτά σε αντίθεση με τα απλά.
Έτσι λοιπόν αν κάνετε απλών ΕΙDE καλωδίων σε ταχύτερους σκληρούς δεν θα γίνει απολύτως τίποτα, η μόνη αλλαγή θα είναι στην ταχύτητα. Δηλαδή ένας σκληρός Ultra-Ata 100 θα δουλεύει σαν ATA/33.
Κάτι παρά πολύ σημαντικό που ήρθε μαζί με το ΑΤΑ-4 είναι το επονομαζόμενο Overlapped Feature Set. Με αυτό μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το Master και Slave σε ένα σύστημα.
S-ATA
Ο απόγονος του Ultra-Ata είναι το Serial ATA (S-ATA).Σε αυτό το σύστημα καταργείται η παράλληλη μεταφορά δεδομένων και γίνεται σειριακή. Μερικούς από τους S-ATA σκληρούς είναι
S-ATA I : 150Mbyte/s
S-ATA II: 300Mbyte/s
S-ATA III: 600Mbyte/s
Φυσικά είναι μια καλή τεχνολογία οι S-ATA και μπορούν να αποδώσουν μεγάλες ταχύτητες αλλά πάντα περιοριζόμαστε από το PCI-1-Bus όπου μας επιτρέπει ταχύτητες 133Mbytes/s η ακόμη και 100Mbytes/s. Βλέπουμε λοιπόν πως ένας δίσκος ΑΤΑ/133 μπορεί να απόδοση ακριβώς το ίδιο με έναν S-ATA Ι. Το καλώδιο που χρησιμοποιούν οι S-ATA είναι παρά πολύ ποιο λεπτό από αυτό των EIDE και επιτρέπει μήκος καλωδίου έως και 1 μέτρο.
SCSI
Η σύνδεση SCSI επιτρέπει εδώ και χρόνια σύνδεσης συσκευών όπως σκληρούς δίσκους, CD-Rom, σαρωτές κλπ. Δυστυχώς το μεγάλο κόστος των συσκευών αυτών δεν επιτρέπει σε κοινούς χρηστές την αγορά τους, με αποτέλεσμα να τις βλέπουμε κυρίως σε Servers.
Ξεχωρίζουμε διάφορα SCSI . (8-Bit Narrow-SCSI και 16-Bit Wide-SCSI ) καθώς και διάφορες ταχύτητες (Fast, Ultra, Ultra2, U160, U320). Στο Narrow-SCSI μπορούμε να συνδέσουμε έως 7 συσκευές και στο Wide-SCSI 15. To SAS (serial attached SCSI) χρησιμοποιεί επίσης την σειριακή μέθοδο και υποστηρίζει ταχύτητες έως και 600Mbytes/s.
Συστοιχίες Δίσκων RAID (part 1)
Δέκα Eπίπεδα για μία Λύση
Από το '87 μέχρι σήμερα έχει κυλήσει πολύ νερό στο αυλάκι. Τα πέντε επίπεδα έγιναν δέκα, εκ των οποίων έξι έχουν προτυποποιηθεί (0, 1, 2, 3, 4 και 5), ενώ τα υπόλοιπα αποτελούν παραλλαγές ή προτάσεις μεμονωμένων κατασκευαστών (6, 7, 10 και 53).
Το RAID 0 από πολλούς δεν θεωρείται γνήσιο μέλος της οικογένειας. Ο λόγος είναι ότι δεν προσφέρει καμία ασφάλεια των δεδομένων. Αυτό που κάνει είναι το λεγόμενο striping. Τα δεδομένα κάθε αρχείου μοιράζονται σε όσους δίσκους είναι διαθέσιμοι, με αποτέλεσμα να επιταχύνεται η διαδικασία εγγραφής. Ομοίως βέβαια και η ανάγνωση είναι ταχύτατη, εφόσον όλες οι μονάδες διαβάζουν ταυτόχρονα. Για να κατανοήσουμε καλύτερα τη λογική του RAID 0, θα αναφέρουμε ένα απλό παράδειγμα. Έστω ότι έχουμε μια συστοιχία με τρεις δίσκους και ένα αρχείο το οποίο καταλαμβάνει χώρο εννέα τομέων. Η διασπορά του θα γίνει ως εξής: ο πρώτος τομέας θα αποθηκευτεί στον πρώτο δίσκο, ο δεύτερος στο δεύτερο, ο τρίτος στον τρίτο, ο τέταρτος στον πρώτο, ο πέμπτος στο δεύτερο κ.ο.κ. Όπως καταλαβαίνουμε, εφόσον τα δεδομένα εγγράφονται μόνο μία φορά, χωρίς να υπάρχει πλεονάζουσα πληροφορία, το σύστημα δεν παρέχει προστασία. Αν σε ένα δίσκο παρουσιαστεί πρόβλημα, η ανάκτηση των δεδομένων είναι αδύνατη. Το επίπεδο 0 λειτουργεί βέλτιστα όταν ο κάθε δίσκος έχει το δικό του ελεγκτή. Σε κάθε περίπτωση πάντως, τα πλεονεκτήματα είναι, πέρα από τις πολύ καλές επιδόσεις, η απλή σχεδίαση και υλοποίηση, για την οποία το ελάχιστο πλήθος δίσκων που απαιτείται είναι δύο. Το RAID 0 συνιστάται σε εφαρμογές που απαιτούν ιδιαίτερα υψηλή διαμεταγωγή δεδομένων, όπως η παραγωγή και η επεξεργασία video ή εικόνας, η ψηφιακή σελιδοποίηση κ.λπ.
RAID 1 ονομάζουμε το λεγόμενο mirroring. Απαιτεί και αυτό τουλάχιστον δύο δίσκους, όμως προσφέρει τη μέγιστη δυνατή προστασία των δεδομένων. Η φιλοσοφία του είναι η απλούστερη από όλα τα υπάρχοντα επίπεδα. Αυτό που κάνει είναι να δημιουργεί ακριβές αντίγραφο ενός δίσκου σε κάποιον άλλο. Στην περίπτωση των τεσσάρων δίσκων, λόγου χάρη, μόνο οι δύο διατίθενται ως αποθηκευτικός χώρος, ενώ οι υπόλοιποι είναι πιστά αντίγραφα αυτών. Κατ' αυτό τον τρόπο ό,τι αποθηκεύουμε σε μία μονάδα, αυτόματα και ταυτόχρονα αποθηκεύεται σε μια δεύτερη. Πρόκειται λοιπόν για δημιουργία backup σε πραγματικό χρόνο, με τη διαφορά ότι το backup αυτό δημιουργείται ταυτόχρονα με το υποτιθέμενο πρωτότυπο. Ακόμη και η ανάγνωση γίνεται ταυτόχρονα και από τις δύο μονάδες δίσκων, ώστε να επιταχύνεται η διαδικασία. Κατ' αυτό τον τρόπο επιτυγχάνουμε ίδια ταχύτητα εγγραφής σε σύγκριση με την περίπτωση του απλού δίσκου, αλλά διπλάσια ταχύτητα ανάγνωσης. Πλεονέκτημα του RAID 1 αποτελεί και το γεγονός της απλούστατης σχεδίασης που προϋποθέτει. Το κακό της υπόθεσης όμως είναι ότι αυτή η απλότητα οδηγεί συνήθως στην υιοθέτηση της υλοποίησης software και όχι της hardware. Έτσι, τις περισσότερες φορές δεν υποστηρίζονται λειτουργίες όπως, ας πούμε, το hot swap, στο οποίο θα αναφερθούμε παρακάτω. Συμπερασματικά πάντως, το RAID 1 συνιστάται ιδιαίτερα σε περιπτώσεις που οι προδιαγραφές του συστήματος δεν επιτρέπουν την παραμικρή απώλεια δεδομένων ούτε την αναμονή σε περίπτωση βλάβης.
Το RAID 2 χρησιμοποιείται σπάνια σε εμπορικές εφαρμογές. Παρ' όλα αυτά προσφέρει υψηλούς ρυθμούς διαμεταγωγής δεδομένων και αυτόματη διαδικασία διόρθωσης σφαλμάτων. Προβλέπει διάκριση μεταξύ μονάδων αποθήκευσης δεδομένων και μονάδων κώδικα διόρθωσης. Οι μονάδες αποθήκευσης δεν είναι τίποτα άλλο από τους δίσκους όπου φυλάσσονται τα δεδομένα μας. Υπάρχουν όμως και άλλοι δίσκοι στους οποίους αποθηκεύονται πληροφορίες (κωδικοποιημένες σύμφωνα με τον κώδικα διόρθωσης Hamming) κατάλληλες να διορθώσουν τυχόν σφάλματα στους δίσκους δεδομένων. Τα αρχεία χωρίζονται σε λέξεις, για καθεμία από τις οποίες παράγεται ο κώδικας διόρθωσης, ο οποίος και καταγράφεται στις αντίστοιχες μονάδες. Κατά τη διαδικασία της ανάγνωσης, ο αλγόριθμος του κώδικα καλείται να ελέγξει την ακεραιότητα των δεδομένων και να διορθώσει τυχόν σφάλματα.
Τα πλεονεκτήματα αυτής της μεθόδου είναι σημαντικά. Η ταχύτητα διαμεταγωγής δεδομένων που επιτυγχάνεται κυμαίνεται σε υψηλά επίπεδα. Μάλιστα, όσο καλύτερη είναι η αναλογία δίσκων δεδομένων προς δίσκους διόρθωσης (όπως συμβαίνει στις μεγάλες συστοιχίες), τόσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα αυτή. Η σχεδίαση του απαιτούμενου ελεγκτή είναι απλή, αν συγκριθεί με τους ελεγκτές των επιπέδων 3, 4 και 5, στους οποίους θα αναφερθούμε στη συνέχεια. Τέλος, η διόρθωση τυχόν σφαλμάτων γίνεται σε πραγματικό χρόνο. Βέβαια, η υλοποίηση του RAID 2 δεν είναι απαλλαγμένη από προβλήματα. Στην περίπτωση που δεν απαιτείται η χρήση πολλών δίσκων, η αναλογία του πλήθους δίσκων δεδομένων προς δίσκους διόρθωσης είναι πολύ μικρή και κατά συνέπεια η συστοιχία είναι μη αποδοτική. Ακόμη, οι δίσκοι που είναι κατάλληλοι για το επίπεδο 2 δεν είναι οι συμβατικοί, γεγονός που συνεπάγεται υψηλό κόστος προμήθειας του απαραίτητου εξοπλισμού.
Το επόμενο επίπεδο είναι το RAID 3. Η λειτουργία του είναι γνωστή με την περιγραφή «παραλληλισμός με ισοτιμία». Στην ουσία πρόκειται για παραλλαγή του επιπέδου μηδέν, με τη διαφορά ότι στην προκειμένη περίπτωση υπάρχει ένας επιπλέον δίσκος στον οποίο καταχωρίζονται τα δεδομένα της ισοτιμίας. Απαιτεί κατά συνέπεια τρεις μονάδες δίσκων κατ' ελάχιστο. Τα bit της ισοτιμίας αποτελούν την ασφαλιστική δικλίδα του συστήματος. Σε περίπτωση απώλειας κάποιας μονάδας δίσκου, χρησιμοποιούνται *υποβοηθούμενα από τις υπόλοιπες μονάδες* για την ανακατασκευή των δεδομένων. Αυτό δεν απαιτεί κάποιον πολύπλοκο αλγόριθμο αποκωδικοποίησης. Δεδομένου ότι για τον υπολογισμό των δεδομένων ισοτιμίας χρησιμοποιείται η λογική συνάρτηση XOR (Exclusive OR ή «αποκλειστικό ή») της άλγεβρας Boole, η ανακατασκευή πραγματοποιείται κατά κάποιον τρόπο με την αντίστροφη διαδικασία. Ως αποτέλεσμα όλων αυτών, η διαμεταγωγή δεδομένων εγγραφής και ανάγνωσης είναι υψηλή και η απώλεια ενός δίσκου έχει μικρές επιπτώσεις στην απόδοση του συστήματος. Το μεγάλο μειονέκτημα όμως του RAID 3 είναι ο αρκετά σύνθετος ελεγκτής που απαιτείται στην περίπτωση της υλοποίησης με hardware. Η περίπτωση software σχεδόν δεν συζητείται καν, λόγω των δυσκολιών που παρουσιάζει και των υψηλών απαιτήσεων σε πόρους του συστήματος. Χρησιμοποιείται πάντως σε εφαρμογές που το ζητούμενο είναι η υψηλή απόδοση, όπως η παραγωγή και η επεξεργασία video ή εικόνας, το streaming κ.λπ.
Η περίπτωση του RAID 4 διαφέρει ελάχιστα από το 3. Εδώ, ολόκληρο μπλοκ πληροφορίας γράφεται σε ένα δίσκο και δεν μοιράζεται στους διαθέσιμους δίσκους με τη διαδικασία του striping. Η σχεδίαση προσανατολίζεται προς τη βελτιστοποίηση των επιδόσεων σε εφαρμογές κυρίως ανάγνωσης, όπως οι βάσεις δεδομένων, όπου απαιτείται ταχεία προσπέλαση των δεδομένων. Στον αντίποδα, η συνολική απόδοση του συστήματος είναι κατώτερη του RAID 3, η ανάνηψη ύστερα από πτώση κάποιας μονάδας είναι δύσκολη και μη αποδοτική, ενώ η σχεδίαση του ελεγκτή είναι πολύπλοκη.
Ένα από τα πιο συνήθη πρότυπα RAID είναι χωρίς αμφιβολία το RAID 5. Η διαφορά του από το 4 έγκειται στο γεγονός ότι η πληροφορία της ισοτιμίας διαμοιράζεται στους δίσκους των δεδομένων. Για την υλοποίησή του απαιτούνται τουλάχιστον τρεις μονάδες. Η απόδοση του συστήματος κατά την ανάγνωση είναι μεγαλύτερη από αυτήν της εγγραφής. Βασικό ατού του επιπέδου 5 είναι ότι μπορεί και συνδυάζει τα πλεονεκτήματα των RAID 1 και RAID 0. Φυσικά, δεν είναι 100% ασφαλές όσο το RAID 1, όμως υπερτερεί σε απόδοση, ενώ είναι και οικονομικότερο. Το κακό είναι ότι ο ελεγκτής τον οποίο απαιτεί είναι πολύπλοκος, ενώ σε περίπτωση απώλειας ενός δίσκου η αναπαραγωγή των δεδομένων που χάθηκαν δεν είναι εύκολη υπόθεση. Πάντως οι εφαρμογές στις οποίες χρησιμοποιείται το επίπεδο 5 είναι ευρύτατες, με χαρακτηριστικά παραδείγματα τους διακομιστές (server) πάσης φύσεως.
Περνώντας στα τελευταία και λιγότερο διαδεδομένα επίπεδα, συναντάμε πρώτα το RAID 6, το οποίο είναι ουσιαστικά μια επέκταση του 5. Χρησιμοποιώντας μια δεύτερη ανεξάρτητη ομάδα δεδομένων ισοτιμίας αποτελεί έναν ισχυρότερο μηχανισμό αντιμετώπισης σφαλμάτων, ο οποίος μπορεί να ανταποκριθεί ακόμη και σε πολλαπλές, ταυτόχρονες απώλειες δίσκων. Όπως είναι ευνόητο, οι προδιαγραφές αυτές ταιριάζουν γάντι σε περιπτώσεις που η ακεραιότητα των δεδομένων είναι ιδιαίτερα κρίσιμο θέμα. Η πολύπλοκη υλοποίηση όμως του RAID 6 είναι ένα μειονέκτημα που οδηγεί στην κατασκευή εξειδικευμένων και άρα ακριβών ελεγκτών. Επιπλέον, για τη λειτουργία του συστήματος απαιτείται ένας δίσκος παραπάνω από ό,τι στην περίπτωση του RAID 5. Με όλα αυτά, συν την προσθήκη της χαμηλής απόδοσης που επιτυγχάνεται στις εγγραφές, δεν είναι καθόλου περίεργο ότι *από όσο γνωρίζουμε τουλάχιστον* δεν υπάρχουν εμπορικές εφαρμογές που χρησιμοποιούν το RAID 6.
Μια εντελώς διαφορετική φιλοσοφία αντιμετώπισης των πραγμάτων εισάγεται από το RAID 7. Χρησιμοποιεί ένα μικροεπεξεργαστή και ένα λειτουργικό σύστημα, το οποίο σε πραγματικό χρόνο κάνει τη δουλειά του ελεγκτή ασύγχρονα. Κατά συνέπεια, όλες οι συναλλαγές εισόδου-εξόδου πραγματοποιούνται ασύγχρονα και ελέγχονται ανεξάρτητα μέσω ενός διαύλου υψηλής ταχύτητας, υποστηριζόμενες από προσωρινή μνήμη, όπως σε έναν υπολογιστή. Για την αντιμετώπιση των πιθανών σφαλμάτων χρησιμοποιείται η μέθοδος της ισοτιμίας. Οι επιδόσεις που εξασφαλίζουν όλα τα παραπάνω είναι εξαιρετικά υψηλές, όμως εξίσου υψηλό είναι και το κόστος του συστήματος (στο οποίο θα πρέπει να συνυπολογίσουμε και την αγορά ενός UPS, ώστε να διασφαλίζονται τα δεδομένα της προσωρινής μνήμης).
Ένας συνδυασμός των RAID 0 και 1 είναι το λεγόμενο RAID 10 (διαβάζεται συνήθως «ένα μηδέν»). Απαιτεί το λιγότερο τέσσερις μονάδες δίσκων, εκ των οποίων οι δύο χρησιμοποιούνται για mirroring και οι άλλοι δύο για striping. Σε σύγκριση με το RAID 1 παρέχει την ίδια απόλυτη προστασία δεδομένων και προσφέρει καλύτερες επιδόσεις, όμως όλα αυτά με αυξημένο κόστος. Συνιστάται λοιπόν για εφαρμογές όπως οι διακομιστές βάσεων δεδομένων, οι οποίες προϋποθέτουν υψηλές επιδόσεις και προστασία της πληροφορίας, όχι όμως μεγάλη χωρητικότητα.
Το τελευταίο από τα επίπεδα RAID ονομάζεται RAID 53. Θα μπορούσαμε κάλλιστα βέβαια να το αποκαλούμε 03, καθώς δεν είναι τίποτα άλλο από συστοιχίες επιπέδου 3, οι οποίες συνδέονται με τη μέθοδο striping. Η απόδοση που επιτυγχάνεται κατ' αυτό τον τρόπο είναι ανώτερη του RAID 3, η αντιμετώπιση σφαλμάτων αποδεικνύεται το ίδιο επιτυχημένη, αλλά και το κόστος είναι πολύ υψηλότερο. Συνιστάται μόνο στις περιπτώσεις που είναι κατάλληλο το RAID 3, αλλά απαιτούνται ακόμη καλύτερες επιδόσεις.
Από το '87 μέχρι σήμερα έχει κυλήσει πολύ νερό στο αυλάκι. Τα πέντε επίπεδα έγιναν δέκα, εκ των οποίων έξι έχουν προτυποποιηθεί (0, 1, 2, 3, 4 και 5), ενώ τα υπόλοιπα αποτελούν παραλλαγές ή προτάσεις μεμονωμένων κατασκευαστών (6, 7, 10 και 53).
Το RAID 0 από πολλούς δεν θεωρείται γνήσιο μέλος της οικογένειας. Ο λόγος είναι ότι δεν προσφέρει καμία ασφάλεια των δεδομένων. Αυτό που κάνει είναι το λεγόμενο striping. Τα δεδομένα κάθε αρχείου μοιράζονται σε όσους δίσκους είναι διαθέσιμοι, με αποτέλεσμα να επιταχύνεται η διαδικασία εγγραφής. Ομοίως βέβαια και η ανάγνωση είναι ταχύτατη, εφόσον όλες οι μονάδες διαβάζουν ταυτόχρονα. Για να κατανοήσουμε καλύτερα τη λογική του RAID 0, θα αναφέρουμε ένα απλό παράδειγμα. Έστω ότι έχουμε μια συστοιχία με τρεις δίσκους και ένα αρχείο το οποίο καταλαμβάνει χώρο εννέα τομέων. Η διασπορά του θα γίνει ως εξής: ο πρώτος τομέας θα αποθηκευτεί στον πρώτο δίσκο, ο δεύτερος στο δεύτερο, ο τρίτος στον τρίτο, ο τέταρτος στον πρώτο, ο πέμπτος στο δεύτερο κ.ο.κ. Όπως καταλαβαίνουμε, εφόσον τα δεδομένα εγγράφονται μόνο μία φορά, χωρίς να υπάρχει πλεονάζουσα πληροφορία, το σύστημα δεν παρέχει προστασία. Αν σε ένα δίσκο παρουσιαστεί πρόβλημα, η ανάκτηση των δεδομένων είναι αδύνατη. Το επίπεδο 0 λειτουργεί βέλτιστα όταν ο κάθε δίσκος έχει το δικό του ελεγκτή. Σε κάθε περίπτωση πάντως, τα πλεονεκτήματα είναι, πέρα από τις πολύ καλές επιδόσεις, η απλή σχεδίαση και υλοποίηση, για την οποία το ελάχιστο πλήθος δίσκων που απαιτείται είναι δύο. Το RAID 0 συνιστάται σε εφαρμογές που απαιτούν ιδιαίτερα υψηλή διαμεταγωγή δεδομένων, όπως η παραγωγή και η επεξεργασία video ή εικόνας, η ψηφιακή σελιδοποίηση κ.λπ.
RAID 1 ονομάζουμε το λεγόμενο mirroring. Απαιτεί και αυτό τουλάχιστον δύο δίσκους, όμως προσφέρει τη μέγιστη δυνατή προστασία των δεδομένων. Η φιλοσοφία του είναι η απλούστερη από όλα τα υπάρχοντα επίπεδα. Αυτό που κάνει είναι να δημιουργεί ακριβές αντίγραφο ενός δίσκου σε κάποιον άλλο. Στην περίπτωση των τεσσάρων δίσκων, λόγου χάρη, μόνο οι δύο διατίθενται ως αποθηκευτικός χώρος, ενώ οι υπόλοιποι είναι πιστά αντίγραφα αυτών. Κατ' αυτό τον τρόπο ό,τι αποθηκεύουμε σε μία μονάδα, αυτόματα και ταυτόχρονα αποθηκεύεται σε μια δεύτερη. Πρόκειται λοιπόν για δημιουργία backup σε πραγματικό χρόνο, με τη διαφορά ότι το backup αυτό δημιουργείται ταυτόχρονα με το υποτιθέμενο πρωτότυπο. Ακόμη και η ανάγνωση γίνεται ταυτόχρονα και από τις δύο μονάδες δίσκων, ώστε να επιταχύνεται η διαδικασία. Κατ' αυτό τον τρόπο επιτυγχάνουμε ίδια ταχύτητα εγγραφής σε σύγκριση με την περίπτωση του απλού δίσκου, αλλά διπλάσια ταχύτητα ανάγνωσης. Πλεονέκτημα του RAID 1 αποτελεί και το γεγονός της απλούστατης σχεδίασης που προϋποθέτει. Το κακό της υπόθεσης όμως είναι ότι αυτή η απλότητα οδηγεί συνήθως στην υιοθέτηση της υλοποίησης software και όχι της hardware. Έτσι, τις περισσότερες φορές δεν υποστηρίζονται λειτουργίες όπως, ας πούμε, το hot swap, στο οποίο θα αναφερθούμε παρακάτω. Συμπερασματικά πάντως, το RAID 1 συνιστάται ιδιαίτερα σε περιπτώσεις που οι προδιαγραφές του συστήματος δεν επιτρέπουν την παραμικρή απώλεια δεδομένων ούτε την αναμονή σε περίπτωση βλάβης.
Το RAID 2 χρησιμοποιείται σπάνια σε εμπορικές εφαρμογές. Παρ' όλα αυτά προσφέρει υψηλούς ρυθμούς διαμεταγωγής δεδομένων και αυτόματη διαδικασία διόρθωσης σφαλμάτων. Προβλέπει διάκριση μεταξύ μονάδων αποθήκευσης δεδομένων και μονάδων κώδικα διόρθωσης. Οι μονάδες αποθήκευσης δεν είναι τίποτα άλλο από τους δίσκους όπου φυλάσσονται τα δεδομένα μας. Υπάρχουν όμως και άλλοι δίσκοι στους οποίους αποθηκεύονται πληροφορίες (κωδικοποιημένες σύμφωνα με τον κώδικα διόρθωσης Hamming) κατάλληλες να διορθώσουν τυχόν σφάλματα στους δίσκους δεδομένων. Τα αρχεία χωρίζονται σε λέξεις, για καθεμία από τις οποίες παράγεται ο κώδικας διόρθωσης, ο οποίος και καταγράφεται στις αντίστοιχες μονάδες. Κατά τη διαδικασία της ανάγνωσης, ο αλγόριθμος του κώδικα καλείται να ελέγξει την ακεραιότητα των δεδομένων και να διορθώσει τυχόν σφάλματα.
Τα πλεονεκτήματα αυτής της μεθόδου είναι σημαντικά. Η ταχύτητα διαμεταγωγής δεδομένων που επιτυγχάνεται κυμαίνεται σε υψηλά επίπεδα. Μάλιστα, όσο καλύτερη είναι η αναλογία δίσκων δεδομένων προς δίσκους διόρθωσης (όπως συμβαίνει στις μεγάλες συστοιχίες), τόσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα αυτή. Η σχεδίαση του απαιτούμενου ελεγκτή είναι απλή, αν συγκριθεί με τους ελεγκτές των επιπέδων 3, 4 και 5, στους οποίους θα αναφερθούμε στη συνέχεια. Τέλος, η διόρθωση τυχόν σφαλμάτων γίνεται σε πραγματικό χρόνο. Βέβαια, η υλοποίηση του RAID 2 δεν είναι απαλλαγμένη από προβλήματα. Στην περίπτωση που δεν απαιτείται η χρήση πολλών δίσκων, η αναλογία του πλήθους δίσκων δεδομένων προς δίσκους διόρθωσης είναι πολύ μικρή και κατά συνέπεια η συστοιχία είναι μη αποδοτική. Ακόμη, οι δίσκοι που είναι κατάλληλοι για το επίπεδο 2 δεν είναι οι συμβατικοί, γεγονός που συνεπάγεται υψηλό κόστος προμήθειας του απαραίτητου εξοπλισμού.
Το επόμενο επίπεδο είναι το RAID 3. Η λειτουργία του είναι γνωστή με την περιγραφή «παραλληλισμός με ισοτιμία». Στην ουσία πρόκειται για παραλλαγή του επιπέδου μηδέν, με τη διαφορά ότι στην προκειμένη περίπτωση υπάρχει ένας επιπλέον δίσκος στον οποίο καταχωρίζονται τα δεδομένα της ισοτιμίας. Απαιτεί κατά συνέπεια τρεις μονάδες δίσκων κατ' ελάχιστο. Τα bit της ισοτιμίας αποτελούν την ασφαλιστική δικλίδα του συστήματος. Σε περίπτωση απώλειας κάποιας μονάδας δίσκου, χρησιμοποιούνται *υποβοηθούμενα από τις υπόλοιπες μονάδες* για την ανακατασκευή των δεδομένων. Αυτό δεν απαιτεί κάποιον πολύπλοκο αλγόριθμο αποκωδικοποίησης. Δεδομένου ότι για τον υπολογισμό των δεδομένων ισοτιμίας χρησιμοποιείται η λογική συνάρτηση XOR (Exclusive OR ή «αποκλειστικό ή») της άλγεβρας Boole, η ανακατασκευή πραγματοποιείται κατά κάποιον τρόπο με την αντίστροφη διαδικασία. Ως αποτέλεσμα όλων αυτών, η διαμεταγωγή δεδομένων εγγραφής και ανάγνωσης είναι υψηλή και η απώλεια ενός δίσκου έχει μικρές επιπτώσεις στην απόδοση του συστήματος. Το μεγάλο μειονέκτημα όμως του RAID 3 είναι ο αρκετά σύνθετος ελεγκτής που απαιτείται στην περίπτωση της υλοποίησης με hardware. Η περίπτωση software σχεδόν δεν συζητείται καν, λόγω των δυσκολιών που παρουσιάζει και των υψηλών απαιτήσεων σε πόρους του συστήματος. Χρησιμοποιείται πάντως σε εφαρμογές που το ζητούμενο είναι η υψηλή απόδοση, όπως η παραγωγή και η επεξεργασία video ή εικόνας, το streaming κ.λπ.
Η περίπτωση του RAID 4 διαφέρει ελάχιστα από το 3. Εδώ, ολόκληρο μπλοκ πληροφορίας γράφεται σε ένα δίσκο και δεν μοιράζεται στους διαθέσιμους δίσκους με τη διαδικασία του striping. Η σχεδίαση προσανατολίζεται προς τη βελτιστοποίηση των επιδόσεων σε εφαρμογές κυρίως ανάγνωσης, όπως οι βάσεις δεδομένων, όπου απαιτείται ταχεία προσπέλαση των δεδομένων. Στον αντίποδα, η συνολική απόδοση του συστήματος είναι κατώτερη του RAID 3, η ανάνηψη ύστερα από πτώση κάποιας μονάδας είναι δύσκολη και μη αποδοτική, ενώ η σχεδίαση του ελεγκτή είναι πολύπλοκη.
Ένα από τα πιο συνήθη πρότυπα RAID είναι χωρίς αμφιβολία το RAID 5. Η διαφορά του από το 4 έγκειται στο γεγονός ότι η πληροφορία της ισοτιμίας διαμοιράζεται στους δίσκους των δεδομένων. Για την υλοποίησή του απαιτούνται τουλάχιστον τρεις μονάδες. Η απόδοση του συστήματος κατά την ανάγνωση είναι μεγαλύτερη από αυτήν της εγγραφής. Βασικό ατού του επιπέδου 5 είναι ότι μπορεί και συνδυάζει τα πλεονεκτήματα των RAID 1 και RAID 0. Φυσικά, δεν είναι 100% ασφαλές όσο το RAID 1, όμως υπερτερεί σε απόδοση, ενώ είναι και οικονομικότερο. Το κακό είναι ότι ο ελεγκτής τον οποίο απαιτεί είναι πολύπλοκος, ενώ σε περίπτωση απώλειας ενός δίσκου η αναπαραγωγή των δεδομένων που χάθηκαν δεν είναι εύκολη υπόθεση. Πάντως οι εφαρμογές στις οποίες χρησιμοποιείται το επίπεδο 5 είναι ευρύτατες, με χαρακτηριστικά παραδείγματα τους διακομιστές (server) πάσης φύσεως.
Περνώντας στα τελευταία και λιγότερο διαδεδομένα επίπεδα, συναντάμε πρώτα το RAID 6, το οποίο είναι ουσιαστικά μια επέκταση του 5. Χρησιμοποιώντας μια δεύτερη ανεξάρτητη ομάδα δεδομένων ισοτιμίας αποτελεί έναν ισχυρότερο μηχανισμό αντιμετώπισης σφαλμάτων, ο οποίος μπορεί να ανταποκριθεί ακόμη και σε πολλαπλές, ταυτόχρονες απώλειες δίσκων. Όπως είναι ευνόητο, οι προδιαγραφές αυτές ταιριάζουν γάντι σε περιπτώσεις που η ακεραιότητα των δεδομένων είναι ιδιαίτερα κρίσιμο θέμα. Η πολύπλοκη υλοποίηση όμως του RAID 6 είναι ένα μειονέκτημα που οδηγεί στην κατασκευή εξειδικευμένων και άρα ακριβών ελεγκτών. Επιπλέον, για τη λειτουργία του συστήματος απαιτείται ένας δίσκος παραπάνω από ό,τι στην περίπτωση του RAID 5. Με όλα αυτά, συν την προσθήκη της χαμηλής απόδοσης που επιτυγχάνεται στις εγγραφές, δεν είναι καθόλου περίεργο ότι *από όσο γνωρίζουμε τουλάχιστον* δεν υπάρχουν εμπορικές εφαρμογές που χρησιμοποιούν το RAID 6.
Μια εντελώς διαφορετική φιλοσοφία αντιμετώπισης των πραγμάτων εισάγεται από το RAID 7. Χρησιμοποιεί ένα μικροεπεξεργαστή και ένα λειτουργικό σύστημα, το οποίο σε πραγματικό χρόνο κάνει τη δουλειά του ελεγκτή ασύγχρονα. Κατά συνέπεια, όλες οι συναλλαγές εισόδου-εξόδου πραγματοποιούνται ασύγχρονα και ελέγχονται ανεξάρτητα μέσω ενός διαύλου υψηλής ταχύτητας, υποστηριζόμενες από προσωρινή μνήμη, όπως σε έναν υπολογιστή. Για την αντιμετώπιση των πιθανών σφαλμάτων χρησιμοποιείται η μέθοδος της ισοτιμίας. Οι επιδόσεις που εξασφαλίζουν όλα τα παραπάνω είναι εξαιρετικά υψηλές, όμως εξίσου υψηλό είναι και το κόστος του συστήματος (στο οποίο θα πρέπει να συνυπολογίσουμε και την αγορά ενός UPS, ώστε να διασφαλίζονται τα δεδομένα της προσωρινής μνήμης).
Ένας συνδυασμός των RAID 0 και 1 είναι το λεγόμενο RAID 10 (διαβάζεται συνήθως «ένα μηδέν»). Απαιτεί το λιγότερο τέσσερις μονάδες δίσκων, εκ των οποίων οι δύο χρησιμοποιούνται για mirroring και οι άλλοι δύο για striping. Σε σύγκριση με το RAID 1 παρέχει την ίδια απόλυτη προστασία δεδομένων και προσφέρει καλύτερες επιδόσεις, όμως όλα αυτά με αυξημένο κόστος. Συνιστάται λοιπόν για εφαρμογές όπως οι διακομιστές βάσεων δεδομένων, οι οποίες προϋποθέτουν υψηλές επιδόσεις και προστασία της πληροφορίας, όχι όμως μεγάλη χωρητικότητα.
Το τελευταίο από τα επίπεδα RAID ονομάζεται RAID 53. Θα μπορούσαμε κάλλιστα βέβαια να το αποκαλούμε 03, καθώς δεν είναι τίποτα άλλο από συστοιχίες επιπέδου 3, οι οποίες συνδέονται με τη μέθοδο striping. Η απόδοση που επιτυγχάνεται κατ' αυτό τον τρόπο είναι ανώτερη του RAID 3, η αντιμετώπιση σφαλμάτων αποδεικνύεται το ίδιο επιτυχημένη, αλλά και το κόστος είναι πολύ υψηλότερο. Συνιστάται μόνο στις περιπτώσεις που είναι κατάλληλο το RAID 3, αλλά απαιτούνται ακόμη καλύτερες επιδόσεις.
Εγγραφή σε:
Αναρτήσεις (Atom)