Ultra-silent office PC with Intel Core i7 — проект ПК с пассивным охлаждением

Проект ПК с пассивной системой охлаждения и мощным восьмиядерным процессором Intel Core i7 для домашней работы возник благодаря свежим идеям минимализма, популяризации направления Small Form Factor PC (SFFPC) и желаниям создать бесшумный мультимедийный центр для офисных задач.

В голове складывалась картинка внешнего вида, общего дизайна и кабель-менеджмента. Оставалось определиться с компонентами, придумать как создать оригинальный каркас-корпус, определиться с характеристиками. На основе полученных данных основной список комплектующих быстро обрел очертания, которые вылились в следующие характеристики:

Конфигурация проекта

• Корпус: My 3D Model (PETG пластик)
• Процессор: Intel Core i7-10700T
• Пассивный кулер: Arctic Cooling Alpine 12 Passive
• Материнская плата: MSI MEG Z490i Unify
• Оперативная память: Team Group T-Force Xtreem ARGB
• Накопитель: Team Group T-Force Cardea Zero Z440 1TB
• Блок питания: PicoPSU Rgeek 250P + Rgeek 200W (LD120180)
  

Основные компоненты

В качестве материнской платы мой выбор остановился на модели MSI MEG Z490i Unify благодаря превосходному функционалу и уникальному строгому дизайну с отличной системой охлаждения VRM, широким перечнем настроек BIOS для гибкой настройки. Среди комплектов оперативной памяти мне давно приглянулась Team Group T-Force Xtreem ARGB 4000 МГц на чипах Samsung B-die с красивым внешним видом, подсветкой и хорошим оверклокерским потенциалом.

Честь твердотельного накопителя защищала модель T-Force Cardea Zero Z440 объемом 1 Тбайт того же производителя с интерфейсом PCIe 4.0 для раскрытия текущего потенциала, достижения максимальных скоростных показателей PCIe 3.0 и последующего апгрейда на процессор Intel Gen11.

В свою очередь, сам процессор представлен восьмиядерной моделью Intel Core i7-10700T десятого поколения с урезанными Power Limit на отметке TDP = 35W и тактовой частотой 2.0 ГГц. Однако столь низкие частоты наблюдаются только при троттлинге, а благодаря гибким настройкам BIOS процессор стабильно функционирует на отметке 3700 МГц на все ядра в тяжелых нагрузках при напряжении 1,04 В.

Замыкает основную пятерку недооцененный пассивный кулер Arctic Cooling Alpine 12 Passive массой ~500 г и массивным оребрением, чего достаточно для теплоотведения и конвекции естественным путем для охлаждения процессоров с показателем TDP 35W и реальным потреблением до 75 Вт согласно моим тестам.

Благодаря внутренним замерам энергопотребление всего стенда варьируется в диапазоне 90-125 Вт при максимальной нагрузке и 25-50 Вт при офисной работе. Для таких задач хватит качественной Pico PSU мощностью 150-180 Вт по линии +12V и ноутбучного блока питания ~200 Вт.

Проект корпуса на 3D принтере Ender 3 Pro

И теперь начнем с самого интересного!

Моей основной хотелкой было желание попробовать нечто новое в корпусном деле и прибегнуть не к готовым решениям, а попробовать создать что-то свое. Металлический корпус слегка дорог в производстве и его изготовление занимает некоторое время, вариант из фанеры прост, но не универсален и достаточно хрупок. Следующей инстанцией было 3D моделирование и изготовление корпуса из пластика, к чему я с энтузиазмом приступил.

В качестве платформы остановился на принтере Ender 3 Pro, сочетающем простоту сборки и хорошее качество выходной продукции, рабочее пространство 220 х 220 х 250 мм, чего хватит на корпуса формата mini-ITX или склейки из пары деталей чего-нибудь более крупного. Первые наработки  и эксперименты на простых фигурках вызывали восторг, но далее пошли и первые сложности.

После пластика PLA для более термоустойчивых и твердых изделий я перебрался на пластик ABS и ABS+, выдерживающий нагрев до 100°С, что для пассивной системы выглядит логичным вариантом. Однако у него нашлась слабость: он чертовски плохо печатается на большой площади, постоянно отлипая от поверхности, загибаясь, иногда происходил разрыв слоев. Перепробовал две марки пластика, различные клеи и настройки принтера. Ничего не спасало ситуацию. Но опытные люди посоветовали переключиться на пластик PETG, он и печатается легче, да и температуру держит до 80°С и выше, поэтому перешел на него.

Напечатать корпус из ABS я попросил знакомых коллег, на что ушло около 8 часов при скорости ~ 40 мм/с и сопле 0,4 мм для личного тест-драйва, но они столкнулись с теми же проблемами загиба краев. Сам же я напечатал корпус из PETG с первой попытки за 4.5 часа. 

Слева - корпус ABS со слегка отшлифованными краями наждачкой Р800, справа - необработанный PETG, только что из-под принтера, горяченький. 

Корпус печатался при скорости 45 мм/с с 25% заполнением соплом 0.6 мм и слоем 0.3 мм.

Единственная особенность печати 3D принтера заключена в наплывающих слоях, что является его и "фишкой" (можно использовать в дизайне/оформлении), и недостатком. Убираются механической обработкой.

А вот сквозные монтажные прорези получили "наплывы" и я устранял их сверлом. Для кабелей использовал отверстия 3.5 мм, но с учетом натекающего пластика надо было остановиться на 3.7-3.8 мм.

После шлифовки наждачкой первого слоя грунтовки я распечатал и наклеил контур детали для проводов, чтобы подчеркнуть их место соприкосновения с корпусом. 

После небольшой покраски и обработки поверхности.

Отдельно распечатаны четыре стойки для винтового крепления материнской платы к корпусу. Конструкция корпуса же подразумевает, что плата устанавливается на каркас и фиксируется бортиком 1 мм по периметру, не позволяющим ей проваливаться, а винтами они стягиваются.

Своего друга Алексея aka ModPC я попросил подготовить комплект кабелей в качественной оплетке 24-Pin для материнской платы, 8-Pin для процессора длиной 15 см для широкой дуги и 13 см для внутреннего радиуса.

Первые наброски и оценка кабель-менеджмента выявили свои достоинства и недостатки, например, трудности в подключении коннекторов и симпатичный внешний вид, совмещенный с простотой и минимализмом дизайна.

Завершающие штрихи подключения проводов и держателей.

Финальная сборка проекта Ultra-silent office PC

На материнской плате MSI MEG Z490i Unify накопитель Team Group T-Force Cardea Zero Z440 1TB прячется под толстым пассивным радиатором M.2 Shield. Установлена операционная система Windows 10 20H2.

Оперативная память Team Group T-Force Xtreem ARGB мне понравилась за симпатичный переливающийся синий контур с зеркальным отблеском, но для более олдскульных пользователей под рукой всегда находилась Team Group T-Force Xtreem 8Pack (или можно заменить на Kingston HyperX Fury Black).

Первая сборка и совмещение деталей корпуса продемонстрировала состоятельность такого проекта и удачность конструкции. Непосредственно высота корпуса выбиралась исключительно интуитивно, она позволяет как уменьшить, так приподнять ПК. 

С кабель-менеджментом тоже оказалось все достаточно легко: провода подключаются в соответствующие коннекторы и прячутся внутри корпуса, делая всю сборку максимально минималистичной. 

Для задней предустановленной панели портов ввода-вывода подготовлено отдельное посадочное место, которое в совокупности является универсальным. Коннектор питания выведен сзади.

"Некрасивая" сторона находится на основании и прячет Pico PSU и лишние неотсоединяющиеся провода. Для Pico PSU при такой нагрузке требуется доработка: либо дополнительный обдув, либо установка радиаторов, либо не выходить за пределы 80-100 Вт в продолжительной нагрузке или 120-130 Вт не длительнее 5-7 минут.

Мои рекомендации для данной конфигурации: использовать штатный профиль с PL=35W (потребление до 125 Вт в краткосрочные периоды) или установка пассивного охлаждения. 

Внешний вид и подсветка Ultra-silent office PC

Первый запуск Ultra-silent office PC with Intel Core i7 самый волнительный!

Хлопка нет, паленой пластмассой не пахнет - можно тестировать =) Но сначала пара слов о внешнем дизайне.

В итоговой модификации я остановился на оперативной памяти Team Group T-Force Xtreem ARGB с приятной ненавязчивой подсветкой.

 

Модули синхронно волнообразно переливаются различными оттенками, рисуя картинку эквалайзера плеера Winamp из прошлого, выжимая слезу бывалых ПК-пользователей.

 

 

 

Тестовый стенд

• Корпус: My 3D Model (PETG пластик)
• Процессор: Intel Core i7-10700T
• Пассивный кулер: Arctic Cooling Alpine 12 Passive
• Материнская плата: MSI MEG Z490i Unify
• Оперативная память: Team Group T-Force Xtreem ARGB
• Накопитель: Team Group T-Force Cardea Zero Z440 1TB
• Блок питания: PicoPSU Rgeek 250P + Rgeek 200W 

Изучение возможностей и кастомизация

Отличительной особенностью последних BIOS плат компании MSI является новая функция "CPU Cooler Tuning" - настройка системы охлаждения путем оптимизации лимита мощности. И мне приятно, что при пассивном кулере система не определяет отсутствие подключенных вентиляторов и по умолчанию предлагает выставить расширенный лимит мощности почти 300 Вт. Кулер Arctic Cooling Alpine 12 Passive польщен, а я слегка в напряжении из-за возможных перегревов, так как наш малыш рассчитан на CPU с теплопакетом до 47 Вт, но никак не гипотетические 288 Вт.

На момент подготовки проекта MSI MEG Z490i Unify поддерживала только Beta-BIOS версии 162.

В стоке процессор Intel Core i7-10700T функционирует при базовой частоте 2000 МГц с турбо-бустом до 4400 МГц при напряжении 0,8-1,14 В.

Параметры BIOS по умолчанию.

Расширенные опции CPU Configuration с лимитами потребления.

Процессоры Intel с заниженным тепловым пакетом отмечаются литерой "Т" в наименовании, являются крайне редкими гостями полок магазинов и хоть в каком-то ассортименте представлены в немецком магазине ComputerUniverse, поэтому я своим долгом считаю продемонстрировать все его характеристики и детальные параметры.

Intel Core i7-10700T обладает восемью физическими ядрами и 16 потоками. Базовая частота составляет 2000 МГц, турбо-буст до 4400 МГц на все ядра при низкой нагрузке: турбо-буст на одно ядро заявлен до 4,5 ГГц, но я ни разу не видел подобной отметки. Что характерно, на предтестовой плате от ASUS при высокой нагрузке на все ядра частота процессора составляет всего 2400-2500 МГц, а на данной модели MSI MEG Z490i Unify буст работает более агрессивно и составляет 3700 МГц, что почти в полтора раза выше (как и производительность). Возможно, дело в оптимизации BIOS с процессором "Т" на ASUS.

Более детальные характеристики процессора Intel Core i7-10700T в диагностической утилите HWInfo64.

Для спортивного интереса и общего тест-драйва я прогнал тесты процессора Intel Core i7-10700T с показателями PL=35-123W и PL=288W для оценки быстродействия.

Полученные результаты слегка удивляют и сведены в единую таблицу.

Для многих тестов оказалось достаточно теплового пакета и лимита мощности на отметке 35-123 Вт при нагрузке до 30 сек - успевали просчитаться многие потоки информации (офис, обработка фотографии, архивирование). Исключением является рендеринг видео, где производительность снижается на 25-30%, что в теории не критично, учитывая пассивную работу нашей системы! 

Температурный режим оказался следующим: при PL=35-123W процессор равномерно прогревается до 73°С и держит данную отметку. После снятия нагрузки температура падает до 44°С. Твердотельный накопитель греется до 50-64°С, подсистема питания греется всего лишь до 56°С, а вот труднее всего приходится чипсету, охлаждаемому крошечным радиатором: нагрев составляет 60-70°С.

Если выставить "безлимитный" порог 288 Вт, то Intel Core i7-10700T греется до 90-100°С, порой достигая отметки троттлинга, сбрасывая частоты. Производительность в многопоточных нагрузках возрастает на 25-30% и вряд ли создатели Arctic Cooling Alpine 12 Passive на такое рассчитывали: все же TDP 125W не равно рекомендуемому TDP 47W. 

Boxed Cooler (Limited) PL1=35W PL2=123W	Water Cooler (Unlimited) PL1=288W PL2=288W

Стоит отметить, что неоднократно поднимался вопрос "TDP не равно реальному энергопотреблению". И в моем случае процессор Intel Core i7-10700T максимально потреблял 83 Вт (показатель CPU Package Power) при PL=288W, ограничивался до 75 Вт при PL=123W и опускался до 30-35 Вт при PL=35W.

Казалось бы, стоило остановиться, но нас ждет еще оверклокинг! xD

Несмотря на то, что у нас процессор non-"K", оперативную память разгонять на них можно, имея системную логику чипсета Z. Но здесь ждал неприятный сюрприз: система категорически отказывалась запускаться с частотой DRAM выше 3333 МГц. Есть несколько причин: либо отвратнейший контроллер памяти внутри кристалла, либо плата MSI так плохо работает с процессорами Т, либо все вместе. И прошивка на старый BIOS не помогла решить проблему. Поэтому я пошел другим путем.

При частоте оперативной памяти 3200 МГц я выставил самые низкие стабильные тайминги и достиг "дна" при "13-13-13 28-Т2" при напряжении 1.35 В! Team Group T-Force Xtreem ARGB не подвела.

Тест бенчмарка CPU-Z.

Производительность с работой памяти возросла 32-35%, а задержка упала до 43,9 нс!

Бенчмарк Cinebench R20 - быстродействие изменилось в районе погрешности.

Бенчмарк Cinebench R23 - быстродействие изменилось в районе погрешности.

WinRAR 6.00 x64 - производительность возросла на 16,5%.

Заключение

Работа над проектом "Ultra-silent office PC with Intel Core i7" оказалась значительно интереснее и захватывающее, нежели я предугадывал раньше, а сам мини-ПК продемонстрировал свою состоятельность, быстродействие и, что удивительно, он оказался менее горячим и способным работать на заявленных частотах! 

Во-первых, внешний вид и дизайн готового решения оказались выше всяких похвал и предполагаемых набросков, что я рисовал в голове. Во-вторых, сама идея - рабочая, быстродействие - высокое, температурный режим в установленных рамках TDP 35W - в рамках разумного, при этом мы задействуем только пассивное охлаждение!

Небольшой пластмассовый каркас-корпус, распечатанный на обычном 3D принтере, оказался тоже очень хорош. На портале Reddit на момент публикации поста проект набрал 2.7к лайков и 150 комментариев, 9 наград и заинтересовал форумчан. Некоторые пользователи попросили версию с крышкой (от пыли), а кто-то не поверил в пассивное охлаждение. Что ж, для неверующего Фомы есть модификация с вентилятором Noctua NF-A9x14 HS-PWM chromax.black.swap

Работа над проектом "Ultra-silent office PC with Intel Core i7" завершена на положительной ноте, и может показаться, что история не будет иметь продолжения. Однако это была лишь проба пера и изучение тонкостей 3D печати, и скоро будут не менее интересные мои работы.