Racirea computerelor este necesara pentru a elimina caldura reziduala produsa de componentele computerului, pentru a mentine componentele in limitele de temperatura de functionare admise. Componentele care sunt susceptibile la defectiuni temporare sau defectiuni permanente daca sunt supraincalzite includ circuite integrate, cum ar fi unitatile centrale de procesare (CPU), chipset-urile, placile grafice si unitatile de hard disk.
Componentele sunt adesea concepute pentru a genera cat mai putina caldura posibil, iar computerele si sistemele de operare pot fi proiectate pentru a reduce consumul de energie si incalzirea ulterioara in functie de sarcina de lucru, dar poate fi totusi produsa mai multa caldura decat poate fi indepartata, daca nu exista o atentie sporita la partea de racire. Utilizarea radiatoarelor racite de fluxul de aer reduce cresterea temperaturii produsa de o anumita cantitate de caldura.
Atentia la modelele fluxului de aer poate impiedica dezvoltarea punctelor fierbinti. Ventilatoarele computerelor sunt utilizate pe scara larga impreuna cu ventilatoarele radiatorului pentru a reduce temperatura, prin evacuarea activa a aerului cald.
Exista si tehnici de racire mai exotice, cum ar fi racirea cu lichid. Toate procesoarele moderne sunt proiectate sa reduca tensiunea sau viteza de ceas daca temperatura interna a procesorului depaseste o limita specificata. Aceasta este cunoscuta in general ca Thermal Throttling, in cazul reducerii vitezei de ceas sau Thermal Shutdown, in cazul unei opriri complete a dispozitivului sau a sistemului.
Racirea poate fi proiectata pentru a reduce temperatura ambianta in cazul unui computer, cum ar fi prin evacuarea aerului cald, sau pentru a raci o singura componenta sau o zona mica (racire la fata locului). Componentele racite in mod obisnuit individual includ CPU, unitatea de procesare grafica (GPU) si Northbridge.
Generatoare de caldura nedorita
Circuitele integrate (de exemplu, CPU si GPU) sunt principalii generatori de caldura in computerele moderne. Generarea de caldura poate fi redusa prin proiectarea eficienta si selectarea parametrilor de functionare, cum ar fi tensiunea si frecventa, dar in cele din urma, performanta acceptabila poate fi atinsa adesea doar prin gestionarea unei generari semnificative de caldura.
In functionare, temperatura componentelor unui computer va creste pana cand caldura transferata in imprejurimi este egala cu caldura produsa de componenta, adica atunci cand se atinge echilibrul termic. Pentru o functionare fiabila, temperatura nu trebuie sa depaseasca niciodata o valoare maxima admisa specificata, unica pentru fiecare componenta. Pentru semiconductori, temperatura jonctiunii instantanee, mai degraba decat carcasa componentei, radiatorul sau temperatura ambianta este critica.
Racirea poate fi afectata de:
- Praful ce actioneaza ca un izolator termic si impiedica fluxul de aer, reducand astfel performanta radiatorului si a ventilatorului.
- Fluxul slab de aer, inclusiv turbulenta datorata frecarii impotriva componentelor care impiedica fluxul de aer, cum ar fi cablurile panglica, sau orientarea incorecta a ventilatoarelor, poate reduce cantitatea de aer care curge printr-o carcasa si chiar poate crea vartejuri localizate de aer cald in carcasa. In unele cazuri de echipamente cu design termic prost, aerul de racire poate curge cu usurinta prin orificiile de „racire” inainte de a trece peste componentele fierbinti; racirea in astfel de cazuri poate fi adesea imbunatatita prin blocarea gaurilor selectate.
- Transfer de caldura slab din cauza contactului termic slab dintre componentele de racit si dispozitivele de racire. Acest lucru poate fi imbunatatit prin utilizarea compusilor termici pentru a uniformiza imperfectiunile suprafetei sau chiar prin netezirea acestei suprafete.
Prevenirea daunelor
Deoarece temperaturile ridicate pot reduce semnificativ durata de viata sau pot cauza daune permanente componentelor, iar puterea termica a componentelor poate depasi uneori capacitatea de racire a computerului, producatorii iau adesea masuri de precautie suplimentare pentru a se asigura ca temperaturile raman in limitele de siguranta.
Un computer cu senzori termici integrati in procesor, placa de baza, chipset sau GPU se poate opri singur atunci cand sunt detectate temperaturi ridicate pentru a preveni deteriorarea permanenta, desi acest lucru poate sa nu garanteze complet functionarea in siguranta pe termen lung. Inainte ca o componenta supraincalzita sa atinga acest punct, ea poate fi „reglata” pana cand temperaturile scad sub un punct sigur, utilizand tehnologia de scalare dinamica a frecventei.
Limitarea reduce frecventa de functionare si tensiunea unui circuit integrat sau dezactiveaza caracteristicile neesentiale ale cipului pentru a reduce productia de caldura, adesea cu pretul unei performante usor sau semnificativ reduse.
Pentru computerele desktop si notebook, throttling-ul este adesea controlat la nivel de BIOS. Reglarea este, de asemenea, folosita in mod obisnuit pentru a gestiona temperaturile in smartphone-uri si tablete, unde componentele sunt impachetate strans impreuna, cu putina sau spre deloc racire activa, ceea ce genereaza caldura suplimentara transferata.
Mainframe si supercalculatoare
Pe masura ce calculatoarele electronice au devenit mai mari si mai complexe, racirea componentelor active a devenit un factor critic pentru functionarea fiabila. Calculatoarele timpurii cu tuburi vid, cu dulapuri relativ mari, se puteau baza pe circulatia naturala sau fortata a aerului, pentru racire. Cu toate acestea, dispozitivele erau impachetate mult mai dens si aveau temperaturi de functionare admisibile mai scazute.
Incepand cu 1965, IBM si alti producatori de calculatoare mainframe au sponsorizat cercetari intense in fizica racirii circuitelor integrate dens. Au fost concepute si investigate multe sisteme de racire cu aer si lichid, folosind metode precum convectia naturala si fortata, impactul direct cu aerul, imersiunea directa in lichid si convectia fortata, impactul cu jet de lichid, etc. Analiza matematica a fost utilizata pentru a prezice cresterile de temperatura ale componentelor pentru fiecare geometrie posibila a sistemului de racire.
IBM a dezvoltat trei generatii de modulul de conductie termica (TCM) care a folosit o placa rece racita cu apa, in contact termic direct cu pachetele de circuite integrate. Fiecare pachet avea un stift termoconductiv lipit de el, iar gazul de heliu inconjura cipurile si pinii conductoare de caldura. Designul ar putea elimina pana la 27 de wati dintr-un cip si pana la 2000 de wati pe modul, mentinand in acelasi timp temperaturile pachetului de cip de aproximativ 50 °C (122 °F). Sistemele care utilizeaza TCM au fost familia 3081 (1980), ES/3090 (1984) si unele modele ale ES/9000 (1990).
In procesorul IBM 3081, TCM-urile permiteau pana la 2700 de wati pe o singura placa de circuit imprimat mentinand in acelasi timp temperatura chipului la 69 °C (156 °F). Modulele de conductie termica care utilizeaza racirea cu apa au fost, de asemenea, utilizate in sistemele mainframe fabricate de alte companii, inclusiv Mitsubishi si Fujitsu.
Supercomputerul Cray-1 proiectat in 1976 avea un sistem de racire distinctiv. Masina avea doar 77 de inchi (2.000 mm) inaltime si 56+1⁄2 inci (1.440 mm) in diametru si consuma pana la 115 kilowati; acest consum este comparabil cu consumul mediu de energie a cateva zeci de case occidentale sau a unei masini de dimensiuni medii.
Circuitele integrate utilizate in masina erau cele mai rapide disponibile la momentul respectiv, folosind logica cuplata la emitator; cu toate acestea, viteza a fost insotita de un consum mare de energie in comparatie cu dispozitivele CMOS ulterioare.
Indepartarea caldurii a fost critica. Refrigerantul era circulat prin conducte incorporate in bare verticale de racire in douasprezece sectiuni-coloane ale masinii. Fiecare dintre cele 1662 module de circuit imprimat ale masinii avea un miez de cupru si era prins de bara de racire. Sistemul a fost conceput pentru a mentine carcasele circuitelor integrate la cel mult 54 °C (129 °F), cu agentul frigorific care circula la 21 °C (70 °F).
Respingerea finala a caldurii se facea printr-un condensator racit cu apa. Conductele, schimbatoarele de caldura si pompele pentru sistemul de racire au fost aranjate intr-un banc tapitat in jurul exteriorului bazei computerului. Aproximativ 20 la suta din greutatea masinii in functiune era reprezentata de agentul frigorific.
In Cray-2 ulterior, cu modulele sale mai dens ambalate, Seymour Cray a avut probleme la racirea eficienta a masinii folosind tehnica conductiei metalice cu refrigerare mecanica, asa ca a trecut la racirea prin „imersie in lichid”. Aceasta metoda presupunea umplerea sasiului Cray-2 cu un lichid numit Fluorinert. Fluorinert, dupa cum sugereaza si numele, este un lichid inert care nu interfereaza cu functionarea componentelor electronice. Pe masura ce componentele ajungeau la temperatura de functionare, caldura se disipa in Fluorinert, care era pompat din masina intr-un schimbator de caldura cu apa racita.
Performanta per watt a sistemelor moderne s-a imbunatatit considerabil; cu un anumit consum de energie pot fi efectuate mult mai multe calcule decat era posibil.
Racire cu aer
Ventilatoare
Ventilatoarele sunt utilizate atunci cand convectia naturala este insuficienta pentru a elimina caldura. Ventilatoarele pot fi montate pe carcasa computerului sau atasate la procesoare, GPU-uri, chipset-uri, unitati de alimentare (PSU), hard disk-uri sau ca carduri conectate intr-un slot de expansiune. Dimensiunile obisnuite ale ventilatorului includ 40, 60, 80, 92, 120 si 140 mm. Ventilatoarele de 200, 230, 250 si 300 mm sunt uneori folosite in computerele personale de inalta performanta.
Performanta ventilatoarelor in sasiu
Un computer are o anumita rezistenta la aerul care curge prin sasiu si componente. Aceasta este suma tuturor impedimentelor mai mici din calea fluxului de aer, cum ar fi deschiderile de admisie si de evacuare, filtrele de aer, sasiul intern si componentele electronice. Ventilatoarele sunt simple pompe de aer care furnizeaza presiune aerului din partea de admisie in raport cu partea de iesire. Aceasta diferenta de presiune deplaseaza aerul prin sasiu, aerul curgand catre zonele cu presiune mai scazuta.
Ventilatoarele au, in general, doua specificatii publicate: fluxul de aer liber si presiunea diferentiala maxima. Fluxul liber de aer este cantitatea de aer pe care o va misca un ventilator cu contrapresiunea zero. Presiunea diferentiala maxima este cantitatea de presiune pe care o poate genera un ventilator atunci cand este complet blocat. Intre aceste doua extreme se afla o serie de masuratori corespunzatoare ale debitului in functie de presiune, care sunt de obicei prezentate sub forma de grafic.
Instalare paralela vs. instalare in serie
Ventilatoarele pot fi instalate paralel unul cu celalalt, in serie sau o combinatie a ambelor. Instalarea in paralel ar fi ventilatoare montate unul langa altul. Instalarea in serie ar presupune un al doilea ventilator instalat in linie cu un alt ventilator, cum ar fi un ventilator de admisie si un ventilator de evacuare. Pentru a simplifica discutia, se presupune ca ventilatoarele sunt acelasi model.
Ventilatoarele paralele vor oferi dublul fluxului de aer liber, dar nu vor genera presiune suplimentara. Instalarea in serie, pe de alta parte, va dubla presiunea statica disponibila, dar nu va creste debitul de aer liber. Retineti ca fluxul de aer se modifica ca radacina patrata a presiunii. Astfel, dublarea presiunii va creste debitul doar de 1,41 (√2) ori, nu de doua ori decat s-ar putea presupune. Un alt mod de a privi acest lucru este ca presiunea trebuie sa creasca cu un factor de patru, pentru a dubla debitul.
Pentru a determina debitul printr-un sasiu, curba de impedanta a sasiului poate fi masurata prin impunerea unei presiuni arbitrare la intrarea in sasiu si masurarea debitului prin sasiu. Acest lucru necesita echipamente destul de sofisticate. Cu curba de impedanta a sasiului (reprezentata prin liniile continue de pe curba adiacenta) determinata, fluxul real prin sasiu, asa cum este generat de o anumita configuratie a ventilatorului, este afisat grafic acolo unde curba de impedanta a sasiului traverseaza curba ventilatorului. Panta curbei de impedanta a sasiului este o functie de radacina patrata, in care dublarea debitului inmulteste de patru ori presiunea diferentiala.
Pompa piezoelectrica
Un „jet de racire piezo dual”, patentat de GE, utilizeaza vibratii pentru a pompa aer prin dispozitiv. Dispozitivul initial are o grosime de trei milimetri si este format din doua discuri de nichel care sunt conectate pe ambele parti la o bucata de ceramica piezoelectrica. Un curent alternativ care trece prin componenta ceramica face ca aceasta sa se extinda si sa se contracte de pana la 150 de ori pe secunda, astfel incat discurile de nichel actioneaza ca un burduf.
Contractate, marginile discurilor sunt impinse impreuna si aspira aer cald. Expandarea aduce discurile de nichel impreuna, expulzand aerul cu viteza mare. Aparatul nu are rulmenti si nu necesita motor. Este mai subtire si consuma mai putina energie decat ventilatoarele obisnuite. Jetul poate misca aceeasi cantitate de aer ca un ventilator de racire cu de doua ori dimensiunea sa, consumand jumatate din energia electrica pe care o consuma un ventilator, la un cost mai mic.
Racire pasiva
Racirea pasiva a radiatorului implica atasarea unui bloc de metal prelucrat sau extrudat la piesa care necesita racire. Se poate folosi un adeziv termic. Mai frecvent, pentru un procesor de computer personal, o clema tine radiatorul direct peste cip, cu o grasime termica sau un tampon termic raspandit intre ele. Acest bloc are aripioare si creste, pentru a-si mari suprafata.
Conductivitatea termica a metalului este mult mai buna decat cea a aerului si radiaza caldura mai bine decat componenta pe care o protejeaza (de obicei, un circuit integrat sau CPU). Radiatoarele din aluminiu racite cu ventilator au fost initial norma pentru computerele desktop, dar in prezent multe radiatoare folosesc placi din cupru sau sunt realizate in intregime din cupru.
Acumularea de praf intre aripioarele metalice ale unui radiator reduce treptat eficienta, dar poate fi contracarata prin eliminarea prafului impreuna cu orice alt material in exces nedorit. Radiatoarele pasive se gasesc in mod obisnuit pe procesoarele mai vechi, pe piese care nu se incalzesc foarte mult (cum ar fi chipset-ul) si pe computerele cu putere redusa. De obicei, un radiator este atasat la distribuitorul de caldura integrat (IHS), in esenta o placa mare, plata atasata la procesor, cu pasta de conductie stratificata intre ele.
Aceasta disipeaza sau imprastie caldura local. Spre deosebire de un radiator, un distribuitor este menit sa redistribuie caldura, nu sa o elimine. In plus, IHS protejeaza CPU-ul fragil. Racirea pasiva nu implica zgomotul unui ventilator, deoarece fortele de convectie deplaseaza aerul peste radiator.
