LA TEMPERATURA COMO PROBLEMA EN LOS PC ACTUALES

Transcripción

1 SISTEMA DE REFRIGERACIÓN LÍQUIDA PARA MICROPROCESADORES, Mod. PIC12L LA TEMPERATURA COMO PROBLEMA EN LOS PC ACTUALES Cuando en 1981 IBM diseñó el primer PC, el calor no era un problema crítico, pero con la aparición de los XT, y la integración de los primeros discos duros comenzó a ser necesario un sistema de refrigeración. Por una parte, el mayor consumo de potencia hacía necesario refrigerar la fuente de alimentación y, por otra, aquellos discos MFM generaban una elevada temperatura durante su funcionamiento. Sin embargo, un ventilador en la fuente de alimentación fue suficiente para resolverlo. En la actualidad son varios los componentes que generan elevadas cantidades de calor que hay que evacuar adecuadamente, en ocasiones, con métodos específicos. En este informe se presenta un proyecto para la refrigeración de Microprocesadores de alto rendimiento. Debido al intenso calor que se genera en el interior de un Microchip, por lo que se hace imprescindible una adecuada refrigeración. Este diseño puede refrigerar una torre con dos Microprocesadores Pentium IV a 3 Ghs o equivalente, que generan aproximadamente 100W de calor cada uno, además de otras placas auxiliares como por ejemplo la VGA o el Chipset de la Placa base, discos duros, etc.

2 Este equipo se basa en la refrigeración de un líquido mediante células Peltier que hace circular el líquido por unos colectores adheridos a los elementos a refrigerar. Todo el sistema está controlado por un Microprocesador, que permite el control de la temperatura del sistema en todo momento, esta temperatura es programable por el usuario y presentada por un display de 2x16 caracteres, ubicado en una bahía de 5 1/4 del frontal de la torre, además se visualiza las temperaturas en tiempo real a que está trabajando el, (o los) Microprocesadores, así como la temperatura del liquido refrigerante. En este próximo capitulo se presentan los conceptos básicos y la necesidad de una óptima refrigeración para conseguir un máximo rendimiento. PRINCIPIO DE LOS REFRIGERADORES MEDIANTE CÉLULAS DE PELTIER Una propiedad termodinámica descubierta en 1834 por Jean Peltier, consiste en utilizar como bomba de calor una corriente eléctrica que atraviesa dos semiconductores diferentes conectados entre sí. o lo que es lo mismo, utilizar una corriente eléctrica para transferir el calor de un extremo de un semiconductor, (tipo-n), a otro y viceversa, (tipo-p), y por tanto poder enfriar en un extremo a base de calentar en el otro. LA TEORIA ES LA SIGUIENTE Cuando se hace pasar una corriente por un circuito compuesto de materiales diferentes cuyas uniones están a la misma temperatura, se absorbe calor en una unión y se desprende en la otra. La parte que se enfría suele estar cerca de los 25º C, mientras que la parte que absorbe calor puede alcanzar rápidamente los 80º

3 El calor (Q), transferido es proporcional a una coeficiente, (Kab), característico de la pareja de semiconductores, y de la intensidad (I),de la corriente eléctrica y el tiempo (t) de funcionamiento Q = Kab I t La razón de este efecto termodinámico, está en que los conductores intentan volver al equilibrio electrónico que existía antes del paso de la corriente, por lo que en un punto los electrones tratan de ganar energía tomándola del material de la soldadura, mientras que en el otro expulsan el exceso. Es un efecto inverso al efecto Seebeck, donde se genera una corriente eléctrica a partir de un diferencial de temperaturas. En el efecto Peltier al paso de la corriente se absorbe la energía de un conector y se desprende en el otro. Si invertimos la polaridad, también cambia la dirección de la transferencia y donde se desprendía calor lo absorberá y donde se absorbía el calor lo desprenderá. Normalmente el principio utilizado en neveras y refrigeradores se basa en el Ciclo de Carnot, mediante el que se traslada la energía calorífica de una cámara de refrigeración al exterior, utilizando un circuito cerrado con un gas, que eleve su temperatura a base de comprimirlo en el exterior de la cámara, haciendo posible disipar el calor al ambiente exterior. Mientras que una vez enfriado, el gas comprimido se le retorna a una cámara de expansión situada en el interior de la zona de refrigeración, y al bajar su temperatura, roba energía calorífica de la cámara, enfriándola. Ambos sistemas, el basado en el efecto Peltier y en el Ciclo de Carnot, consiguen el mismo resultado por medios diferentes, enfriar en un punto y disipar el calor en otro. El módulo Peltier es una bomba de calor estática, si gas ni partes móviles, entre la zona fría y la caliente solo están los semiconductor, no existe el complejo circuito cerrado refrigerador, con un sistema de compresión del fluido refrigerante. Físicamente un módulo Peltier son bloques de 1mm cúbico conectados eléctricamente en serie y térmicamente en paralelo, por tanto a primera vista, los aparatos refrigeradores basados en el efecto Peltier parecen más sencillos y silenciosos que los segundos, que son a la fuerza mecánicamente más complejos. En la realidad, los aparatos basados en el Ciclo de Carnot demostraron ser más eficaces a la hora de disipar grandes cantidades de energía, por ello la inmensa mayoría de los elementos refrigeradores de neveras, acondicionadores y deshumidificadores, existentes en el mercado, llevan asociado un compresor, fuente inevitable de ruidos y vibraciones. Lo que lleva en consecuencia a que en estos aparatos, una de las características que más eleva el precio de los modelos, sea precisamente el menor ruido producido. Otros aparatos que comienzan también a utilizar el efecto Peltier para refrigerar son los refrigeradores de los procesadores de PC, pues al añadir añaden el efecto Peltier a los disipadores estáticos, aumentan mucho su rendimiento, aunque con ello se penaliza el consumo eléctrico, algo de poca importancia en servidores y ordenadores de sobremesa, pero muy crítico en los ordenadores portátiles que dependen de una batería. CONCEPTOS BÁSICOS DE APLICACIÓN La refrigeración de los microprocesadores ha cobrado desde hace un tiempo vital importancia, ya que siempre ha estado unida a la vida y rendimiento del procesador y todos los fabricantes sin excepciones recomiendan o exigen el uso de un disipador en sus procesadores. En el caso del overclocking el calor es su principal enemigo, y si forzamos un procesador, éste como es obvio, generará mas calor. El método de refrigeración por medio de un líquido es el más adecuado además de ser más efectivo y... menos peligroso. Vamos a explicar cual es el proceso de selección de un procesador.intel, Amd y todos los fabricantes no fabrican los procesadores para tal o cual velocidad, los fabrican todos igual, utilizando el mismo proceso, posteriormente antes de marcarlos los someten a una prueba de rendimiento a la máxima velocidad; por ejemplo un PENTIUM II le prueban a 450 Mhz que es su máxima velocidad y si pasa el test (funcionamiento estable y temperatura sobre todo) lo marcan a 450Mhz y si no lo pasa, vuelve a repetir el test a la velocidad inmediatamente inferior, en este caso 400 Mhz...y así sucesivamente, cuando pasa el test a la velocidad que sea, entonces lo marcan a esa velocidad. Dichos tests son muy estrictos y en cuando un procesador supera por 1 grado la temperatura máxima establecida en estos test, para esa

4 velocidad, es rechazado, aunque funcione perfectamente a esa velocidad y pasa a ser marcado con la velocidad inmediatamente inferior. De esto se deduce que la mayoría de los procesadores marcados para una velocidad funcionan perfectamente con otra superior o muy superior, y su calentamiento será totalmente razonable, siempre que lo refrigeremos convenientemente. Esto es verdad a medias, tenga en cuenta que, si un procesador ha pasado el test de 400 Mhz holgadamente, funcionará mucho mejor a 450 Mhz que uno que lo haya pasado "por los pelos", no todos los procesadores marcados con una misma frecuencia son iguales, algunos se les podrá forzar mucho, a otros menos y algunos nada. CÓMO REFRIGERAMOS UN PROCESADOR? La manera mas habitual es con un disipador, existen otros mecanismos, pero son más costosos y más complicados de llevar a cabo. Existen tres tipos de refrigeraciones: pasiva, activa y por software. La pasiva consiste en aplicar un disipador sin nada mas y la activa si aplicamos "algo más" como un ventilador para mejorar el flujo de aire a través del disipador o una célula de refrigeración peltier o agua... etc. La de software consiste en unos programas como waterfall, rain, cpuidle, etc.., que activan los modos de ahorro de energía del procesador y éste entra más o menos en "letargo", aprovechando momentos en los que el procesador está desahogado, éste consume menos energía y obviamente se calienta mucho menos. Dichos programas son muy efectivos (bajan 10 a 15: la temperatura del micro), y no le restan rendimiento.

5 Funcionan solo bajo DOS,WINDOWS 3.1,WINDOWS 95 Y 98 (linux y nt ya lo tienen de serie y no hacen falta). LAS CÉLULAS PELTIER Existen hace mas de 150 años, y se basan en semiconductores que al ser atravesados por una corriente eléctrica transmiten el calor de una parte del semiconductor a otra. Este sistema además de disipar "ENFRIA", posee 2 caras una fría y otra caliente, la fría ha de pegarse contra el procesador para que absorba su calor y lo transmita a la cara caliente y a esta ultima es la que disipa el calor generado y lo transmite al exterior mediante una adecuada evacuación. Detalle de una célula Peltier típica de 115W, con unas medidas de 40x40x5mm VENTAJAS Y PRESTACIONES DE ESTE DISEÑO Este sistema utiliza tres células de Peltier, así como tres fuentes de alimentación de 15v regulables independientes y un depósito de líquido común. Las células que utilizamos tienen una potencia real de apróx. 115W, el sistema está diseñado para ubicar 3 células de este tipo, esto nos proporciona por una parte la ventaja de una gran potencia de frío y por otra la posibilidad de fabricar tres modelos, 115, 230 y 345W, con el mismo sistema dependiendo de las necesidades del mercado. Todo el sistema está controlado por un procesador y se presenta su estado mediante una pantalla LCD ubicada en el frontal del PC. Todo este sistema de refrigeración está ubicado en una caja de plástico inyectado, dando una gran robustez al equipo. El acceso al equipo electrónico se puede hacer por los laterales y el acceso al depósito de líquido refrigerante, fuentes de alimentación, etc por la parte inferior de la caja. Esta caja dispone en su parte posterior de las tomas pertinentes del líquido refrigerante, el cable de alimentación de RED y el cable de control de todo el sistema, además de una pequeña toma para el líquido refrigerante que permite conectar un pequeño depósito de expansión que va colocado en la parte alta del exterior del PC. El sistema está controlado por una placa electrónica que incorpora un Microprocesador para el control de todos los parámetros que intervienen. Por otra parte el equipo utiliza una bomba de bajo ruido y elevado rendimiento, especialmente diseñada para este tipo de equipos, que requieren un alto compromiso de

6 durabilidad y fiabilidad, la bomba está dentro de la caja principal, junto al depósito del líquido refrigerante. Detalle de la Bomba CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DEL EQUIPO - Caudal de líquido de 14 litros/minuto. - 3 Células Peltier de 15V/125W. - Tensión de alimentación 220Vac. - Control de temperatura programable. - Presentación de datos mediante display LCD de 2x16 caracteres. - Posibilidad de programación de la temperatura de trabajo. - Lectura de la temperatura de los dos micros por separado, en caso de ser un equipo Dual. - Posibilidad de una tercera lectura de temperatura para refrigeración de placas auxiliares, VGA, discos duros, etc. - 3 fuentes de Alimentación de 15VDC/160W, regulables. - El equipo solo se pone en marcha si las temperaturas de los Micros lo requieren. - La evacuación del calor se hace a través de la caja mediante un ventilador. TEMPERATURAS MÁXIMAS OPERATIVAS DE UN PROCESADOR Las temperaturas máximas operativas de los procesadores actuales más comunes rondan los siguientes valores: CPU s AMD Athlon y Duron Socket A (Athlon, Duron) hasta 1GHz 90 C Socket A (Athlon "Thunderbird") 1.1GHz o más 95 C Socket A (Athlon XP, Sempron) 1.33GHz o más 90 C Socket A (Athlon MP) 1.33GHz o más 95 C All Slot A (Athlon clásico, Athlon Thunderbird) 70 C CPU s AMD serie K6 Todos los K6 ( MHz) y la mayoría de los K6-2/K6-III 70 C K6-2/K6-III, con el modelo terminando en X (ej. K AFX) 65 C K AFQ (bastante raro) 60 C K6-2+, K6-III+, y la mayoría de los móviles K6/K C móviles K6/K6-2 con el modelo terminando en K (ej. móvil K6-2-P-400AFK) 80 C Intel Pentium 4 (Willamette/Northwood) La temperatura máxima depende mayormente del modelo y la velocidad del reloj, pero no se da un patrón fácilmente identificable. Consulte las especificaciones técnicas de Intel para un modelo en particular.

7 (Mínima: P4 Northwood ("A") 1.5GHz con 66 C, Máxima: P4 Willamette 1.8GHz con 78 C. 66 C - 78 C Intel Pentium III Pentium III Socket MHz, Pentium III Slot 1 (primera generación, OLGA) MHz, Pentium III Slot 1 ("Coppermine") MHz C dependiendo del modelo Pentium III Socket 370 y Slot 1, 933MHz 75 C Pentium III Slot 1 933MHz 60 C Pentium III Slot 1 1GHz 70 C para versiones más nuevas 60 C para la versión más vieja Pentium III Slot GHz (primera versión) 62 C Intel Pentium II Pentium II (1era generación, "Klamath") C dependiendo de los Mhz. Pentium II (2a generación, 2.0V core), MHz 65 C Pentium II ( MHz) 75 C Pentium II (450MHz) 70 C Intel Celeron / Celeron Celeron MHz 85 C ( temperatura máxima del estuche del CPU) Celeron MHz (0.25µ) 70 C ( temperatura máxima del estuche del CPU) Celeron MHz ("Coppermine) 90 C Celeron 633 y 667MHz 82 C Celeron 700MHz y mayores 80 C Las temperaturas del Celeron y del Pentium III son las máximas de la juntura térmica del CPU excepto en los casos explicitados. Las temperaturas de los Pentium II son las máximas de la placa de transferencia térmica (sobre la cual se apoya el disipador). OTROS ACCESORIOS QUE SE PUEDEN REFRIGERAR: Además de los Microprocesadores de un PC, también se pueden refrigerar para optimizar el rendimiento, otros chips ubicados en otras placas, como por ejemplo la VGA, el Chipset de la Placa Base, discos duros, etc. Pensando en todo esto se ha desarrollado este enfriador y se le ha dotado de la potencia necesaria de frío para poder dar estas prestaciones. Las tres imágenes que se presentan pueden ser tres ejemplos de refrigeradores líquidos que se adhieren al Microprocesador. Algunos de estos se elementos se fabrican por firmas especializadas. Estos ejemplos forman parte de un amplio abanico de posibilidades para refrigerar el Microprocesador, tarjetas VGA, discos duros, etc..

8 Coletor para la distribución de varios circuitos de líquido refrigerante. Otros elementos específicos como por ejemplo la refrigeración de una tarjeta VGA, el Chipset de la placa Base, etc. Las fotografías mostradas debajo de estas líneas corresponden a tarjetas VGA.

9 Detalle de una placa VGA con la refrigeración del Micro y el Chipset, con configuraciones diferentes.

10 En estas dos fotografías se ve claramente los dos tubos por donde entra y sale el líquido refrigerante y se distribuye por los diferentes elementos a refrigerar de la placa. C/Ramón i Cajal, El Palau D Anglesola (Lleida) Tels atencionalcliente@balasalinnova.com Web:

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