La refrigeración de la computadora es necesaria para eliminar el calor residual que producen los componentes de la computadora y mantenerlos dentro de los límites de temperatura de funcionamiento permitidos. Los componentes que son susceptibles a un mal funcionamiento temporal o una falla permanente si se sobrecalientan incluyen circuitos integrados como unidades centrales de procesamiento (CPU), conjuntos de chips , tarjetas gráficas , unidades de disco duro y unidades de estado sólido .
Los componentes suelen estar diseñados para generar la menor cantidad de calor posible, y las computadoras y los sistemas operativos pueden estar diseñados para reducir el consumo de energía y el calentamiento consecuente según la carga de trabajo, pero aún así se puede producir más calor del que se puede eliminar sin prestar atención a la refrigeración. El uso de disipadores de calor enfriados por flujo de aire reduce el aumento de temperatura producido por una cantidad dada de calor. La atención a los patrones de flujo de aire puede prevenir el desarrollo de puntos calientes. Los ventiladores de computadora se usan ampliamente junto con los ventiladores del disipador de calor para reducir la temperatura al expulsar activamente el aire caliente. También existen otras técnicas de refrigeración, como la refrigeración líquida . Todos los procesadores modernos están diseñados para cortar o reducir su voltaje o velocidad de reloj si la temperatura interna del procesador excede un límite especificado. Esto generalmente se conoce como estrangulamiento térmico en el caso de la reducción de las velocidades de reloj, o apagado térmico en el caso de un apagado completo del dispositivo o sistema.
El enfriamiento puede estar diseñado para reducir la temperatura ambiente dentro de la carcasa de una computadora, por ejemplo, mediante la extracción de aire caliente, o para enfriar un solo componente o un área pequeña (enfriamiento localizado). Los componentes que se enfrían de manera individual incluyen la CPU, la unidad de procesamiento gráfico (GPU) y el puente norte .
Los circuitos integrados (por ejemplo, CPU y GPU) son los principales generadores de calor en las computadoras modernas. La generación de calor se puede reducir mediante un diseño eficiente y la selección de parámetros operativos como el voltaje y la frecuencia, pero en última instancia, a menudo solo se puede lograr un rendimiento aceptable si se controla la generación de calor significativa.
Durante el funcionamiento, la temperatura de los componentes de una computadora aumentará hasta que el calor transferido al entorno sea igual al calor producido por el componente, es decir, cuando se alcance el equilibrio térmico . Para un funcionamiento confiable, la temperatura nunca debe exceder un valor máximo permisible específico exclusivo de cada componente. En el caso de los semiconductores, la temperatura instantánea de la unión , en lugar de la temperatura de la carcasa del componente, del disipador de calor o del ambiente, es fundamental.
El enfriamiento puede verse afectado por:
Debido a que las altas temperaturas pueden reducir significativamente la vida útil o causar daños permanentes a los componentes, y la emisión de calor de los componentes a veces puede exceder la capacidad de enfriamiento de la computadora, los fabricantes a menudo toman precauciones adicionales para garantizar que las temperaturas se mantengan dentro de límites seguros. Una computadora con sensores térmicos integrados en la CPU, la placa base, el chipset o la GPU puede apagarse automáticamente cuando se detectan altas temperaturas para evitar daños permanentes, aunque esto puede no garantizar por completo un funcionamiento seguro a largo plazo. Antes de que un componente sobrecalentado llegue a este punto, se lo puede "estrangular" hasta que las temperaturas caigan por debajo de un punto seguro utilizando la tecnología de escala de frecuencia dinámica . La limitación reduce la frecuencia y el voltaje de operación de un circuito integrado o deshabilita las características no esenciales del chip para reducir la emisión de calor, a menudo a costa de un rendimiento leve o significativamente reducido. Para las computadoras de escritorio y portátiles, la limitación a menudo se controla a nivel de BIOS . La limitación también se usa comúnmente para administrar las temperaturas en teléfonos inteligentes y tabletas, donde los componentes están empaquetados firmemente juntos con poco o ningún enfriamiento activo, y con calor adicional transferido desde la mano del usuario. [1]
El usuario también puede realizar varias tareas para prevenir daños de forma preventiva. Puede realizar una inspección visual de los ventiladores del disipador y del chasis. Si alguno de ellos no gira correctamente, es probable que sea necesario reemplazarlo. El usuario también debe limpiar los ventiladores a fondo, ya que el polvo y los residuos pueden aumentar la temperatura ambiente del chasis y afectar el rendimiento del ventilador. La mejor forma de hacerlo es con aire comprimido en un espacio abierto. Otra técnica preventiva para evitar daños es reemplazar la pasta térmica con regularidad. [2]
A medida que las computadoras electrónicas se hicieron más grandes y complejas, la refrigeración de los componentes activos se convirtió en un factor crítico para un funcionamiento confiable. Las primeras computadoras de tubos de vacío, con gabinetes relativamente grandes, podían depender de la circulación de aire natural o forzada para la refrigeración. Sin embargo, los dispositivos de estado sólido estaban empaquetados de manera mucho más densa y tenían temperaturas de funcionamiento permitidas más bajas.
A partir de 1965, IBM y otros fabricantes de ordenadores centrales patrocinaron una intensa investigación sobre la física de la refrigeración de circuitos integrados densamente empaquetados. Se idearon e investigaron muchos sistemas de refrigeración por aire y líquido, utilizando métodos como la convección natural y forzada, el impacto directo del aire, la inmersión directa del líquido y la convección forzada, la ebullición en charca, las películas descendentes, la ebullición en flujo y el impacto de chorro de líquido. Se utilizó el análisis matemático para predecir los aumentos de temperatura de los componentes para cada posible geometría del sistema de refrigeración. [3]
IBM desarrolló tres generaciones del módulo de conducción térmica (TCM, por sus siglas en inglés) que utilizaba una placa fría refrigerada por agua en contacto térmico directo con los paquetes de circuitos integrados. Cada paquete tenía un pin conductor térmico presionado sobre él, y chips y pines conductores de calor rodeados de gas helio. El diseño podía eliminar hasta 27 vatios de un chip y hasta 2000 vatios por módulo, manteniendo al mismo tiempo temperaturas del paquete de chip de alrededor de 50 °C (122 °F). Los sistemas que utilizaban TCM eran la familia 3081 (1980), ES/3090 (1984) y algunos modelos de ES/9000 (1990). [3] En el procesador IBM 3081, los TCM permitían hasta 2700 vatios en una sola placa de circuito impreso mientras mantenían la temperatura del chip a 69 °C (156 °F). [4] Los módulos de conducción térmica que utilizaban refrigeración por agua también se utilizaban en sistemas mainframe fabricados por otras empresas, incluidas Mitsubishi y Fujitsu.
La supercomputadora Cray-1 , diseñada en 1976, tenía un sistema de refrigeración particular. La máquina tenía sólo 77 pulgadas (2000 mm) de altura y 56+Tenía un diámetro de 1 ⁄ 2 pulgada (1440 mm) y consumía hasta 115 kilovatios, lo que es comparable al consumo de energía promedio de unas pocas docenas de hogares occidentales o un automóvil de tamaño mediano. Los circuitos integrados utilizados en la máquina eran los más rápidos disponibles en ese momento, utilizando lógica acoplada al emisor ; sin embargo, la velocidad estaba acompañada de un alto consumo de energía en comparación con los dispositivos CMOS posteriores.
La eliminación del calor era fundamental. El refrigerante circulaba a través de tuberías empotradas en barras de refrigeración verticales en doce secciones en forma de columna de la máquina. Cada uno de los 1662 módulos de circuitos impresos de la máquina tenía un núcleo de cobre y estaba sujeto a la barra de refrigeración. El sistema estaba diseñado para mantener las carcasas de los circuitos integrados a no más de 54 °C (129 °F), con el refrigerante circulando a 21 °C (70 °F). La eliminación final del calor se realizaba a través de un condensador refrigerado por agua. [5] Las tuberías, los intercambiadores de calor y las bombas para el sistema de refrigeración estaban dispuestos en un asiento tapizado alrededor del exterior de la base de la computadora. Alrededor del 20 por ciento del peso de la máquina en funcionamiento era refrigerante. [6]
En el Cray-2 posterior, con sus módulos más densamente empaquetados, Seymour Cray tuvo problemas para enfriar eficazmente la máquina utilizando la técnica de conducción de metal con refrigeración mecánica, por lo que cambió a la refrigeración por "inmersión en líquido". Este método implicaba llenar el chasis del Cray-2 con un líquido llamado Fluorinert . Fluorinert, como su nombre lo indica, es un líquido inerte que no interfiere con el funcionamiento de los componentes electrónicos. A medida que los componentes alcanzaban la temperatura de funcionamiento, el calor se disipaba en el Fluorinert, que se bombeaba fuera de la máquina a un intercambiador de calor de agua fría. [7]
El rendimiento por vatio de los sistemas modernos ha mejorado mucho; se pueden realizar muchos más cálculos con un consumo de energía determinado de lo que era posible con los circuitos integrados de los años 1980 y 1990. Los proyectos de supercomputadoras recientes, como Blue Gene, se basan en refrigeración por aire, lo que reduce el costo, la complejidad y el tamaño de los sistemas en comparación con la refrigeración líquida.
Los ventiladores se utilizan cuando la convección natural no es suficiente para eliminar el calor. Los ventiladores pueden instalarse en la carcasa del ordenador o conectarse a las CPU, GPU, chipsets, unidades de suministro de energía (PSU), discos duros o como tarjetas conectadas a una ranura de expansión. Los tamaños de ventilador más comunes incluyen 40, 60, 80, 92, 120 y 140 mm. Los ventiladores de 200, 230, 250 y 300 mm se utilizan a veces en ordenadores personales de alto rendimiento.
Una computadora tiene cierta resistencia al flujo de aire a través del chasis y los componentes. Esta es la suma de todos los impedimentos más pequeños al flujo de aire, como las aberturas de entrada y salida, los filtros de aire, el chasis interno y los componentes electrónicos. Los ventiladores son bombas de aire simples que proporcionan presión al aire del lado de entrada en relación con el lado de salida. Esa diferencia de presión mueve el aire a través del chasis, y el aire fluye hacia áreas de menor presión.
Los ventiladores suelen tener dos especificaciones publicadas: flujo de aire libre y presión diferencial máxima. El flujo de aire libre es la cantidad de aire que un ventilador moverá con cero contrapresión. La presión diferencial máxima es la cantidad de presión que un ventilador puede generar cuando está completamente bloqueado. Entre estos dos extremos hay una serie de mediciones correspondientes de flujo versus presión que generalmente se presentan como un gráfico. Cada modelo de ventilador tendrá una curva única, como las curvas discontinuas en la ilustración adyacente. [8]
Los ventiladores se pueden instalar en paralelo, en serie o en una combinación de ambos. La instalación en paralelo sería la de los ventiladores montados uno al lado del otro. La instalación en serie sería la de un segundo ventilador en línea con otro ventilador, como un ventilador de entrada y un ventilador de salida. Para simplificar la explicación, se supone que los ventiladores son del mismo modelo.
Los ventiladores en paralelo proporcionarán el doble de flujo de aire libre, pero no una presión de impulsión adicional. Por otro lado, la instalación en serie duplicará la presión estática disponible, pero no aumentará el caudal de aire libre. La ilustración adyacente muestra un solo ventilador en comparación con dos ventiladores en paralelo con una presión máxima de 0,15 pulgadas (3,8 mm) de agua y un caudal duplicado de aproximadamente 72 pies cúbicos por minuto (2,0 m 3 /min).
Tenga en cuenta que el flujo de aire cambia como la raíz cuadrada de la presión. Por lo tanto, duplicar la presión solo aumentará el flujo 1,41 ( √ 2 ) veces, no el doble como podría suponerse. Otra forma de ver esto es que la presión debe aumentar por un factor de cuatro para duplicar el caudal.
Para determinar el caudal a través de un chasis, se puede medir la curva de impedancia del chasis imponiendo una presión arbitraria en la entrada del chasis y midiendo el caudal a través del chasis. Esto requiere un equipo bastante sofisticado. Una vez determinada la curva de impedancia del chasis (representada por las líneas continuas rojas y negras en la curva adyacente), el caudal real a través del chasis generado por una configuración particular de ventilador se muestra gráficamente donde la curva de impedancia del chasis se cruza con la curva del ventilador. La pendiente de la curva de impedancia del chasis es una función de raíz cuadrada, donde duplicar el caudal requiere cuatro veces la presión diferencial.
En este ejemplo en particular, la incorporación de un segundo ventilador proporcionó una mejora marginal, ya que el caudal para ambas configuraciones fue de aproximadamente 27 a 28 pies cúbicos por minuto (0,76 a 0,79 m 3 /min). Si bien no se muestra en el gráfico, un segundo ventilador en serie proporcionaría un rendimiento ligeramente mejor que la instalación en paralelo. [ cita requerida ]
La ecuación para el flujo de aire requerido a través de un chasis es
dónde
Una regla empírica conservadora simple para los requisitos de flujo de enfriamiento, que descarta efectos como la pérdida de calor a través de las paredes del chasis y el flujo laminar versus el turbulento, y tiene en cuenta las constantes de calor específico y densidad al nivel del mar es:
Por ejemplo, un chasis típico con 500 vatios de carga, 130 °F (54 °C) de temperatura interna máxima en un ambiente de 100 °F (38 °C), es decir, una diferencia de 30 °F (17 °C):
Este sería el flujo real a través del chasis y no la capacidad nominal de aire libre del ventilador. También debe tenerse en cuenta que "Q", el calor transferido, es una función de la eficiencia de transferencia de calor de un enfriador de CPU o GPU al flujo de aire.
Un "dual piezo cooling jet", patentado por GE , utiliza vibraciones para bombear aire a través del dispositivo. El dispositivo inicial tiene tres milímetros de espesor y consta de dos discos de níquel que están conectados a cada lado a una lámina de cerámica piezoeléctrica. Una corriente alterna que pasa a través del componente cerámico hace que este se expanda y contraiga hasta 150 veces por segundo, de modo que los discos de níquel actúan como un fuelle. Al contraerse, los bordes de los discos se separan y succionan aire caliente. Al expandirse, los discos de níquel se juntan, expulsando el aire a alta velocidad.
El dispositivo no tiene cojinetes y no necesita motor. Es más delgado y consume menos energía que los ventiladores tradicionales. El chorro puede mover la misma cantidad de aire que un ventilador de refrigeración del doble de su tamaño, consumiendo la mitad de electricidad y a un coste menor. [9]
El enfriamiento pasivo por disipador de calor implica fijar un bloque de metal mecanizado o extruido a la pieza que necesita enfriamiento. Se puede utilizar un adhesivo térmico. Más comúnmente, en el caso de la CPU de una computadora personal, una abrazadera sostiene el disipador de calor directamente sobre el chip, con una grasa térmica o una almohadilla térmica distribuida entre ellos. Este bloque tiene aletas y crestas para aumentar su área de superficie. La conductividad térmica del metal es mucho mejor que la del aire, e irradia calor mejor que el componente que está protegiendo (generalmente un circuito integrado o una CPU). Los disipadores de calor de aluminio refrigerados por ventilador fueron originalmente la norma para las computadoras de escritorio, pero hoy en día muchos disipadores de calor tienen placas base de cobre o están hechos completamente de cobre.
La acumulación de polvo entre las aletas metálicas de un disipador de calor reduce gradualmente la eficiencia, pero se puede contrarrestar con un limpiador a gas que sople el polvo junto con cualquier otro exceso de material no deseado.
Los disipadores de calor pasivos se encuentran comúnmente en CPU más antiguas, piezas que no se calientan mucho (como el chipset), computadoras de bajo consumo y dispositivos integrados.
Por lo general, se conecta un disipador térmico al difusor térmico integrado (IHS), que es básicamente una placa grande y plana conectada a la CPU, con una capa de pasta conductora entre ellas. Esto disipa o distribuye el calor de forma local. A diferencia de un disipador térmico, un difusor está pensado para redistribuir el calor, no para eliminarlo. Además, el IHS protege la frágil CPU.
El enfriamiento pasivo no implica ruido de ventilador, ya que las fuerzas de convección mueven el aire sobre el disipador de calor.
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Otra tendencia creciente debido a la creciente densidad térmica de las computadoras, GPU, FPGA y ASIC es sumergir la computadora entera o componentes seleccionados en un líquido conductor térmico, pero no eléctrico . Aunque rara vez se utiliza para la refrigeración de computadoras personales, [10] la inmersión en líquido es un método rutinario para enfriar grandes componentes de distribución de energía como transformadores . También se está volviendo popular en los centros de datos. [11] [12] Las computadoras personales enfriadas de esta manera pueden no requerir ventiladores o bombas, y pueden enfriarse exclusivamente por intercambio de calor pasivo entre el hardware de la computadora y el gabinete en el que se coloca. [12] [13] Sin embargo, aún puede ser necesario un intercambiador de calor (es decir, núcleo calefactor o radiador), y las tuberías también deben colocarse correctamente. [14]
El refrigerante utilizado debe tener una conductividad eléctrica lo suficientemente baja como para no interferir con el funcionamiento normal del ordenador. Si el líquido es algo conductor de electricidad, puede provocar cortocircuitos eléctricos entre componentes o pistas y dañarlos permanentemente. [15] Por estas razones, se prefiere que el líquido sea un aislante ( dieléctrico ) y no que conduzca electricidad.
Existe una amplia variedad de líquidos para este propósito, incluidos aceites para transformadores , refrigerantes dieléctricos sintéticos monofásicos y bifásicos como 3M Fluorinert o 3M Novec. Los aceites no destinados a usos múltiples, incluidos los aceites de cocina, de motor y de silicona , se han utilizado con éxito para enfriar computadoras personales.
Algunos fluidos utilizados en refrigeración por inmersión, especialmente materiales basados en hidrocarburos como aceites minerales, aceites de cocina y ésteres orgánicos, pueden degradar algunos materiales comunes utilizados en computadoras como cauchos, cloruro de polivinilo (PVC) y grasas térmicas . Por lo tanto, es fundamental revisar la compatibilidad de materiales de dichos fluidos antes de su uso. Se ha descubierto que el aceite mineral en particular tiene efectos negativos en el aislamiento de cables a base de PVC y caucho. [16] Se ha informado que las pastas térmicas utilizadas para transferir calor a los disipadores de calor desde procesadores y tarjetas gráficas se disuelven en algunos líquidos, sin embargo con un impacto insignificante en la refrigeración, a menos que los componentes se hayan quitado y operado en el aire. [17]
La evaporación, especialmente en el caso de los refrigerantes bifásicos, puede suponer un problema [18] y es posible que sea necesario rellenar el líquido periódicamente o sellarlo dentro de la carcasa del ordenador. La refrigeración por inmersión puede permitir valores de PUE extremadamente bajos de 1,05, frente a los 1,35 de la refrigeración por aire, y permite hasta 100 KW de potencia informática (disipación de calor, TDP) por rack de 19 pulgadas , a diferencia de la refrigeración por aire, que normalmente maneja hasta 23 KW. [19]
En los casos en que no se necesitan ordenadores potentes con muchas funciones, se pueden utilizar ordenadores menos potentes o con menos funciones. A partir de 2011, [actualizar]una placa base VIA EPIA con CPU disipa normalmente unos 25 vatios de calor, mientras que una placa base Pentium 4 y una CPU más capaces disipan normalmente unos 140 vatios. Los ordenadores pueden alimentarse con corriente continua desde una fuente de alimentación externa que no genera calor en el interior de la carcasa del ordenador. La sustitución de las pantallas de tubo de rayos catódicos (CRT) por pantallas de cristal líquido (LCD) de pantalla fina más eficientes a principios del siglo XXI ha reducido significativamente el consumo de energía.
Un componente puede estar instalado en buen contacto térmico con un disipador de calor, un dispositivo pasivo con gran capacidad térmica y con una gran área superficial en relación con su volumen. Los disipadores de calor suelen estar hechos de un metal con alta conductividad térmica , como aluminio o cobre, [20] e incorporan aletas para aumentar el área superficial. El calor de un componente relativamente pequeño se transfiere al disipador de calor más grande; la temperatura de equilibrio del componente más el disipador de calor es mucho menor que la del componente solo. El calor se aleja del disipador de calor mediante un flujo de aire convectivo o forzado por ventilador. La refrigeración por ventilador se utiliza a menudo para enfriar procesadores y tarjetas gráficas que consumen cantidades significativas de energía eléctrica. En una computadora, un componente típico generador de calor puede fabricarse con una superficie plana. Un bloque de metal con una superficie plana correspondiente y una construcción con aletas, a veces con un ventilador adjunto, se sujeta al componente. Para llenar los espacios de aire mal conductores debido a superficies imperfectamente planas y lisas, se puede colocar una capa delgada de grasa térmica , una almohadilla térmica o un adhesivo térmico entre el componente y el disipador de calor.
El calor se elimina del disipador térmico por convección , en cierta medida por radiación y posiblemente por conducción si el disipador térmico está en contacto térmico con, por ejemplo, la carcasa metálica. Los disipadores térmicos de aluminio refrigerados por ventilador económicos se utilizan a menudo en las computadoras de escritorio estándar. Los disipadores térmicos con placas base de cobre , o hechos de cobre, tienen mejores características térmicas que los hechos de aluminio. Un disipador térmico de cobre es más efectivo que una unidad de aluminio del mismo tamaño, lo que es relevante con respecto a los componentes de alto consumo de energía utilizados en computadoras de alto rendimiento.
Los disipadores de calor pasivos se encuentran comúnmente en CPU más antiguas, piezas que no disipan mucha energía (como el chipset), computadoras con procesadores de bajo consumo y equipos donde el funcionamiento silencioso es fundamental y el ruido del ventilador es inaceptable.
Por lo general, el disipador térmico se fija al difusor térmico integrado (IHS), una placa metálica plana del tamaño del encapsulado de la CPU que forma parte del conjunto de la CPU y que distribuye el calor de forma local. Se coloca una fina capa de compuesto térmico entre ellos para compensar las imperfecciones de la superficie. El objetivo principal del difusor es redistribuir el calor. Las aletas del disipador térmico mejoran su eficiencia.
Varias marcas de módulos de memoria DRAM DDR2, DDR3, DDR4 y DDR5 están equipadas con un disipador térmico con aletas fijado al borde superior del módulo. La misma técnica se utiliza para las tarjetas de vídeo que utilizan un disipador térmico pasivo con aletas en la GPU.
Los SSD M.2 de gama alta pueden ser propensos a generar calor significativo y, como resultado, pueden venderse con un disipador de calor incluido o, alternativamente, el usuario puede colocar un disipador de calor de terceros durante la instalación.
El polvo tiende a acumularse en las grietas de los disipadores térmicos con aletas, en particular con el alto flujo de aire producido por los ventiladores. Esto mantiene el aire alejado del componente caliente, lo que reduce la eficacia de refrigeración; sin embargo, al eliminar el polvo se restablece la eficacia.
Las uniones Peltier generalmente son solo entre un 10 y un 15 % tan eficientes como el refrigerador ideal ( ciclo de Carnot ), en comparación con el 40-60 % logrado por los sistemas de ciclo de compresión convencionales ( sistemas Rankine inverso que utilizan compresión/expansión). [21] Debido a esta menor eficiencia, el enfriamiento termoeléctrico generalmente solo se usa en entornos donde la naturaleza del estado sólido (sin partes móviles , bajo mantenimiento, tamaño compacto e insensibilidad a la orientación) supera la eficiencia pura.
Los TEC modernos utilizan varias unidades apiladas, cada una compuesta por docenas o cientos de termopares dispuestos uno al lado del otro, lo que permite una cantidad sustancial de transferencia de calor . Una combinación de bismuto y telurio es la que se utiliza más comúnmente para los termopares.
Como bombas de calor activas que consumen energía, los TEC pueden producir temperaturas inferiores a la temperatura ambiente, algo imposible con disipadores pasivos, refrigeración líquida por radiador y HSF con tubos de calor. Sin embargo, al bombear calor, un módulo Peltier normalmente consumirá más energía eléctrica que la cantidad de calor que se bombea.
También es posible utilizar un elemento Peltier junto con un refrigerante de alta presión (refrigeración de dos fases) para enfriar la CPU. [22] [23]
La refrigeración líquida es un método muy eficaz para eliminar el exceso de calor. El fluido de transferencia de calor más común en las PC de escritorio es el agua (destilada). Las ventajas de la refrigeración por agua frente a la refrigeración por aire incluyen una mayor capacidad calorífica específica y conductividad térmica del agua .
El principio utilizado en un sistema de refrigeración líquida (activo) típico para ordenadores es idéntico al utilizado en el motor de combustión interna de un automóvil , en el que el agua circula mediante una bomba de agua a través de un bloque de agua montado en la CPU (y a veces en componentes adicionales como la GPU y el puente norte) [24] y sale a un intercambiador de calor , normalmente un radiador . El radiador suele enfriarse adicionalmente mediante un ventilador [24] , además de un ventilador, también podría enfriarse por otros medios, como un enfriador Peltier (aunque los elementos Peltier se colocan más comúnmente directamente sobre el hardware que se va a enfriar, y el refrigerante se utiliza para conducir el calor lejos del lado caliente del elemento Peltier). [25] [26] A menudo también se conecta un depósito de refrigerante al sistema [27] .
Además de los sistemas de refrigeración líquida activa, a veces también se utilizan sistemas de refrigeración líquida pasiva. [28] [29] [30] [31] [32] Estos sistemas a menudo no incluyen un ventilador o una bomba de agua, lo que teóricamente aumenta su confiabilidad y los hace más silenciosos que los sistemas activos. Las desventajas de estos sistemas son que son mucho menos eficientes a la hora de desechar el calor y, por lo tanto, también necesitan tener mucho más refrigerante (y, por lo tanto, un depósito de refrigerante mucho más grande), lo que le da al refrigerante más tiempo para enfriarse.
Los líquidos permiten la transferencia de más calor de las partes que se enfrían que el aire, lo que hace que la refrigeración líquida sea adecuada para el overclocking y las aplicaciones informáticas de alto rendimiento. [33] En comparación con la refrigeración por aire, la refrigeración líquida también se ve menos influenciada por la temperatura ambiente. [34] El nivel de ruido comparativamente bajo de la refrigeración líquida se compara favorablemente con el de la refrigeración por aire, que puede volverse bastante ruidoso.
Las desventajas de la refrigeración líquida incluyen la complejidad y la posibilidad de una fuga de refrigerante. El agua que se filtra (y cualquier aditivo en el agua) puede dañar los componentes electrónicos con los que entra en contacto, y la necesidad de probar y reparar las fugas hace que las instalaciones sean más complejas y menos confiables. (La primera incursión importante en el campo de las computadoras personales refrigeradas por líquido para uso general, las versiones de gama alta del Power Mac G5 de Apple , finalmente estuvo condenada por una propensión a las fugas de refrigerante. [35] ) Un disipador de calor refrigerado por aire generalmente es mucho más simple de construir, instalar y mantener que una solución de refrigeración por agua, [36] aunque también se pueden encontrar kits de refrigeración por agua específicos para CPU, que pueden ser tan fáciles de instalar como un enfriador de aire. Estos no se limitan a las CPU, y la refrigeración líquida de las tarjetas GPU también es posible. [37]
Aunque originalmente se limitaba a los ordenadores mainframe , la refrigeración líquida se ha convertido en una práctica asociada en gran medida al overclocking en forma de kits todo en uno (AIO) fabricados o configuraciones para hacer uno mismo ensambladas a partir de piezas reunidas individualmente. [38] En los últimos años [ ¿cuándo? ] hemos visto un aumento en la popularidad de la refrigeración líquida en ordenadores de sobremesa preensamblados de rendimiento moderado a alto. Los sistemas sellados ("de circuito cerrado") que incorporan un pequeño radiador precargado, un ventilador y un bloque de agua simplifican la instalación y el mantenimiento de la refrigeración por agua a un ligero coste en la eficacia de refrigeración en relación con configuraciones más grandes y complejas. La refrigeración líquida se suele combinar con la refrigeración por aire, utilizando la refrigeración líquida para los componentes más calientes, como las CPU o las GPU, mientras que se conserva la refrigeración por aire, más sencilla y barata, para los componentes menos exigentes.
El sistema IBM Aquasar utiliza refrigeración por agua caliente para lograr eficiencia energética , utilizándose el agua también para calentar edificios. [39] [40]
Desde 2011, la eficacia de la refrigeración por agua ha impulsado una serie de soluciones de refrigeración por agua todo en uno (AIO). [41] Las soluciones AIO dan como resultado una unidad mucho más sencilla de instalar, y la mayoría de las unidades han recibido críticas positivas en los sitios de revisión.
Un tubo de calor es un tubo hueco que contiene un líquido de transferencia de calor. El líquido absorbe calor y se evapora en un extremo del tubo. El vapor viaja al otro extremo (más frío) del tubo, donde se condensa, cediendo su calor latente . El líquido regresa al extremo caliente del tubo por gravedad o acción capilar y repite el ciclo. Los tubos de calor tienen una conductividad térmica efectiva mucho mayor que los materiales sólidos. Para su uso en computadoras, el disipador de calor de la CPU está conectado a un disipador de calor de radiador más grande. Ambos disipadores de calor son huecos, al igual que la conexión entre ellos, creando un tubo de calor grande que transfiere calor de la CPU al radiador, que luego se enfría utilizando algún método convencional. Este método generalmente se usa cuando el espacio es reducido, como en PC y portátiles de formato pequeño, o donde no se puede tolerar el ruido del ventilador, como en la producción de audio. Debido a la eficiencia de este método de enfriamiento, muchas CPU y GPU de escritorio, así como chipsets de alta gama, utilizan tubos de calor o cámaras de vapor además de refrigeración activa basada en ventiladores y disipadores de calor pasivos para permanecer dentro de temperaturas de funcionamiento seguras. Una cámara de vapor funciona según los mismos principios que un tubo de calor, pero adopta la forma de una placa o lámina en lugar de un tubo. Los tubos de calor se pueden colocar verticalmente en la parte superior y formar parte de las cámaras de vapor. Las cámaras de vapor también se pueden utilizar en teléfonos inteligentes de alta gama .
La tecnología de refrigeración que están desarrollando Kronos y Thorn Micro Technologies emplea un dispositivo llamado bomba de viento iónica (también conocida como acelerador de fluido electrostático). El principio básico de funcionamiento de una bomba de viento iónica es la descarga de corona , una descarga eléctrica cerca de un conductor cargado causada por la ionización del aire circundante.
El enfriador de descarga de corona desarrollado por Kronos funciona de la siguiente manera: se crea un campo eléctrico alto en la punta del cátodo, que se coloca en un lado de la CPU. El alto potencial de energía hace que las moléculas de oxígeno y nitrógeno en el aire se ionicen (se carguen positivamente) y creen una corona (un halo de partículas cargadas). La colocación de un ánodo conectado a tierra en el extremo opuesto de la CPU hace que los iones cargados en la corona se aceleren hacia el ánodo, chocando con moléculas de aire neutrales en el camino. Durante estas colisiones, el momento se transfiere del gas ionizado a las moléculas de aire neutrales, lo que da como resultado el movimiento del gas hacia el ánodo.
Las ventajas del enfriador basado en corona son la falta de partes móviles, lo que elimina ciertos problemas de confiabilidad y funciona con un nivel de ruido cercano a cero y un consumo de energía moderado. [42]
El enfriamiento suave es la práctica de utilizar software para aprovechar las tecnologías de ahorro de energía de la CPU para minimizar el uso de energía. Esto se hace mediante instrucciones de detención para apagar o poner en estado de espera las subpartes de la CPU que no se están utilizando o mediante el underclocking de la CPU. Si bien esto da como resultado velocidades totales más bajas, esto puede ser muy útil si se hace overclocking de una CPU para mejorar la experiencia del usuario en lugar de aumentar la potencia de procesamiento bruta, ya que puede evitar la necesidad de un enfriamiento más ruidoso. Al contrario de lo que sugiere el término, no es una forma de enfriamiento sino de reducir la creación de calor.
El undervolting es una práctica que consiste en hacer funcionar la CPU o cualquier otro componente con voltajes inferiores a las especificaciones del dispositivo. Un componente con undervolting consume menos energía y, por lo tanto, produce menos calor. La capacidad para hacer esto varía según el fabricante, la línea de productos e incluso las diferentes series de producción del mismo producto (así como la de otros componentes del sistema), pero los procesadores suelen estar especificados para utilizar voltajes superiores a los estrictamente necesarios. Esta tolerancia garantiza que el procesador tendrá una mayor probabilidad de funcionar correctamente en condiciones subóptimas, como una placa base de menor calidad o voltajes de fuente de alimentación bajos. Por debajo de un cierto límite, el procesador no funcionará correctamente, aunque un undervolting excesivo no suele provocar daños permanentes en el hardware (a diferencia del overvolting).
La subtensión se utiliza para sistemas silenciosos , ya que se necesita menos refrigeración debido a la reducción de la producción de calor, lo que permite prescindir de ventiladores ruidosos. También se utiliza cuando se debe maximizar la vida útil de la carga de la batería.
Las técnicas de refrigeración convencionales unen todos sus componentes "enfriadores" al exterior del encapsulado del chip de ordenador. Esta técnica de "fijación" siempre exhibirá cierta resistencia térmica, lo que reduce su eficacia. El calor se puede eliminar de forma más eficiente y rápida enfriando directamente los puntos calientes locales del chip, dentro del encapsulado. En estos lugares, puede producirse una disipación de potencia de más de 300 W/cm2 ( la CPU típica es inferior a 100 W/cm2 ) , aunque se espera que los sistemas futuros superen los 1000 W/cm2 . [ 43] Esta forma de refrigeración local es esencial para desarrollar chips de alta densidad de potencia. Esta ideología ha llevado a la investigación de la integración de elementos de refrigeración en el chip de ordenador. Actualmente existen dos técnicas: disipadores térmicos de microcanales y refrigeración por impacto de chorro.
En los disipadores térmicos de microcanales, se fabrican canales en el chip de silicio (CPU) y se bombea refrigerante a través de ellos. Los canales están diseñados con un área de superficie muy grande, lo que da como resultado grandes transferencias de calor. Se ha informado de una disipación de calor de 3000 W/cm2 con esta técnica. [ 44] La disipación de calor se puede aumentar aún más si se aplica un enfriamiento de flujo de dos fases. Desafortunadamente, el sistema requiere grandes caídas de presión, debido a los canales pequeños, y el flujo de calor es menor con los refrigerantes dieléctricos utilizados en el enfriamiento electrónico.
Otra técnica de refrigeración local de chips es la refrigeración por chorro de aire. En esta técnica, se hace fluir un refrigerante a través de un pequeño orificio para formar un chorro. El chorro se dirige hacia la superficie del chip de la CPU y puede eliminar eficazmente grandes flujos de calor. Se ha informado de una disipación de calor de más de 1000 W/cm2. [ 45] El sistema puede funcionar a una presión menor en comparación con el método de microcanales. La transferencia de calor se puede aumentar aún más utilizando refrigeración por flujo de dos fases e integrando canales de flujo de retorno (híbrido entre disipadores de calor de microcanales y refrigeración por chorro de aire).
El enfriamiento por cambio de fase es una forma extremadamente efectiva de enfriar el procesador. Un enfriador de cambio de fase por compresión de vapor es una unidad que generalmente se ubica debajo de la PC, con un tubo que conduce al procesador. Dentro de la unidad hay un compresor del mismo tipo que en un acondicionador de aire . El compresor comprime un gas (o mezcla de gases) que proviene del evaporador (el enfriador de CPU se analiza a continuación). Luego, el vapor muy caliente a alta presión se empuja hacia el condensador (dispositivo de disipación de calor) donde se condensa de un gas caliente a un líquido, generalmente subenfriado a la salida del condensador. Luego, el líquido se alimenta a un dispositivo de expansión (restricción en el sistema) para provocar una caída de presión y vaporizar el fluido (hacer que alcance una presión donde pueda hervir a la temperatura deseada); el dispositivo de expansión utilizado puede ser un simple tubo capilar o una válvula de expansión térmica más elaborada. El líquido se evapora (cambia de fase), absorbiendo el calor del procesador a medida que extrae energía adicional de su entorno para adaptarse a este cambio (ver calor latente ). La evaporación puede producir temperaturas que oscilan entre -15 y -150 °C (5 y -238 °F). El líquido fluye hacia el evaporador enfriando la CPU, convirtiéndose en vapor a baja presión. Al final del evaporador, este gas fluye hacia el compresor y el ciclo comienza nuevamente. De esta manera, el procesador puede enfriarse a temperaturas que oscilan entre -15 y -150 °C (5 y -238 °F), dependiendo de la carga, la potencia del procesador, el sistema de refrigeración (ver refrigeración ) y la mezcla de gases utilizada. Este tipo de sistema sufre una serie de problemas (costo, peso, tamaño, vibración, mantenimiento, costo de la electricidad, ruido, necesidad de una torre de computadora especializada) pero, principalmente, uno debe preocuparse por el punto de rocío y el aislamiento adecuado de todas las superficies subambientales que deben realizarse (las tuberías sudarán, goteando agua sobre la electrónica sensible).
Como alternativa, se está desarrollando un nuevo tipo de sistema de refrigeración que incorpora una bomba en el circuito termosifón . Esto añade otro grado de flexibilidad al ingeniero de diseño, ya que ahora el calor se puede transportar eficazmente lejos de la fuente de calor y recuperarlo o disiparlo a temperatura ambiente. La temperatura de la unión se puede ajustar modificando la presión del sistema; una presión más alta equivale a temperaturas de saturación del fluido más altas. Esto permite utilizar condensadores más pequeños, ventiladores más pequeños y/o la disipación eficaz del calor en un entorno de temperatura ambiente alta. Estos sistemas son, en esencia, el paradigma de refrigeración por fluidos de próxima generación, ya que son aproximadamente 10 veces más eficientes que el agua monofásica. Dado que el sistema utiliza un dieléctrico como medio de transporte de calor, las fugas no provocan una falla catastrófica del sistema eléctrico.
Este tipo de refrigeración se considera una forma más extrema de enfriar los componentes, ya que las unidades son relativamente caras en comparación con las computadoras de escritorio promedio. También generan una cantidad significativa de ruido, ya que son esencialmente refrigeradores; sin embargo, la elección del compresor y el sistema de refrigeración por aire son los principales determinantes de esto, lo que permite flexibilidad para la reducción de ruido en función de las piezas elegidas.
Un "termosifón" se refiere tradicionalmente a un sistema cerrado que consta de varios tubos y/o cámaras, con una cámara más grande que contiene un pequeño depósito de líquido (que a menudo tiene un punto de ebullición justo por encima de la temperatura ambiente, pero no necesariamente). La cámara más grande está lo más cerca de la fuente de calor y está diseñada para conducir la mayor cantidad posible de calor desde ella hacia el líquido, por ejemplo, una placa de enfriamiento de CPU con la cámara en su interior llena de líquido. Uno o más tubos se extienden hacia arriba hasta algún tipo de radiador o área de disipación de calor similar, y todo esto está configurado de tal manera que la CPU calienta el depósito y el líquido que contiene, que comienza a hervir, y el vapor viaja por el tubo (o tubos) hasta el área del radiador/disipación de calor y luego, después de condensarse, gotea nuevamente hacia el depósito o corre por los lados del tubo. Esto no requiere partes móviles y es algo similar a una bomba de calor, excepto que no se utiliza la acción capilar, lo que lo hace potencialmente mejor en algún sentido (quizás lo más importante, mejor en el sentido de que es mucho más fácil de construir y mucho más personalizable para casos de uso específicos y el flujo de refrigerante/vapor se puede organizar en una variedad mucho más amplia de posiciones y distancias, y tiene una masa térmica y una capacidad máxima mucho mayores en comparación con los tubos de calor que están limitados por la cantidad de refrigerante presente y la velocidad y el caudal de refrigerante que la acción capilar puede lograr con la mecha utilizada, a menudo polvo de cobre sinterizado en las paredes del tubo, que tienen un caudal y una capacidad limitados).
Como el nitrógeno líquido hierve a -196 °C (-320,8 °F), muy por debajo del punto de congelación del agua, es valioso como refrigerante extremo para sesiones cortas de overclocking.
En una instalación típica de refrigeración con nitrógeno líquido, se monta un tubo de cobre o aluminio sobre el procesador o la tarjeta gráfica. Una vez que el sistema ha sido aislado en gran medida contra la condensación, se vierte el nitrógeno líquido en el tubo, lo que da como resultado temperaturas muy por debajo de los -100 °C (-148 °F).
Para contener el nitrógeno y evitar grandes cambios de temperatura se utilizan dispositivos de evaporación que van desde disipadores térmicos recortados con tubos conectados hasta contenedores de cobre fresados a medida. Sin embargo, una vez que el nitrógeno se evapora, hay que rellenarlo. En el ámbito de las computadoras personales, este método de refrigeración rara vez se utiliza en contextos que no sean pruebas de overclocking e intentos de establecer récords, ya que la CPU suele dejar de funcionar en un período de tiempo relativamente corto debido al estrés térmico causado por los cambios en la temperatura interna.
Aunque el nitrógeno líquido no es inflamable, puede condensar el oxígeno directamente del aire. Las mezclas de oxígeno líquido y materiales inflamables pueden ser peligrosamente explosivas .
La refrigeración con nitrógeno líquido se utiliza, por lo general, solo para pruebas comparativas de procesadores, debido a que su uso continuo puede causar daños permanentes a una o más partes del ordenador y, si se maneja de forma descuidada, puede incluso dañar al usuario, provocándole congelación .
El helio líquido , más frío que el nitrógeno líquido, también se ha utilizado para refrigeración. El helio líquido hierve a -269 °C (-452,20 °F), y se han medido temperaturas que van desde -230 a -240 °C (-382,0 a -400,0 °F) desde el disipador de calor. [46] Sin embargo, el helio líquido es más caro y más difícil de almacenar y usar que el nitrógeno líquido. Además, las temperaturas extremadamente bajas pueden hacer que los circuitos integrados dejen de funcionar. Los semiconductores basados en silicio, por ejemplo, se congelarán alrededor de -233 °C (-387,4 °F). [47]
La refrigeración se puede mejorar mediante diversas técnicas que pueden suponer un gasto o esfuerzo adicional. Estas técnicas suelen ser utilizadas, en particular, por quienes hacen funcionar partes de su ordenador (como la CPU y la GPU) a voltajes y frecuencias más altos que los especificados por el fabricante ( overclocking ), lo que aumenta la generación de calor.
La instalación de un sistema de refrigeración de mayor rendimiento que no sea el de fábrica también puede considerarse una modificación . Muchos overclockers simplemente compran combinaciones de ventiladores y disipadores más eficientes y, a menudo, más caras, mientras que otros recurren a formas más exóticas de refrigeración de ordenadores, como refrigeración líquida, bombas de calor de efecto Peltier, tubos de calor o refrigeración por cambio de fase.
También existen algunas prácticas relacionadas que tienen un impacto positivo en la reducción de las temperaturas del sistema:
A menudo llamado material de interfaz térmica (TIM). [48]
Las superficies perfectamente planas en contacto proporcionan una refrigeración óptima, pero la planitud perfecta y la ausencia de huecos de aire microscópicos no son prácticamente posibles, especialmente en equipos fabricados en serie . Una capa muy fina de compuesto térmico , que es mucho más conductor térmico que el aire, aunque mucho menos que el metal, puede mejorar el contacto térmico y la refrigeración rellenando los huecos de aire. Si se utiliza solo una pequeña cantidad de compuesto, la suficiente para rellenar los huecos, se obtendrá la mejor reducción de temperatura.
Existe un gran debate sobre los méritos de los compuestos, y los overclockers a menudo consideran que algunos compuestos son superiores a otros. La consideración principal es utilizar la cantidad mínima de compuesto térmico necesaria para emparejar las superficies, ya que la conductividad térmica del compuesto es típicamente de 1/3 a 1/400 de la del metal, aunque mucho mejor que la del aire. La conductividad del compuesto disipador de calor varía de aproximadamente 0,5 a 80 W/mK [49] (ver artículos); la del aluminio es de aproximadamente 200, la del aire de aproximadamente 0,02. También se utilizan almohadillas conductoras de calor , que a menudo los fabricantes colocan en los disipadores de calor. Son menos efectivas que el compuesto térmico aplicado correctamente, pero más simples de aplicar y, si se fijan al disipador de calor, no pueden ser omitidas por usuarios que no sean conscientes de la importancia de un buen contacto térmico, ni reemplazadas por una capa gruesa e ineficaz de compuesto.
A diferencia de algunas técnicas analizadas aquí, el uso de compuesto o relleno térmico es casi universal cuando se trata de disipar cantidades significativas de calor.
Los disipadores de calor y las bases de los procesadores fabricados en serie nunca son perfectamente planos o lisos; si estas superficies se colocan en el mejor contacto posible, habrá espacios de aire que reducirán la conducción del calor. Esto se puede mitigar fácilmente mediante el uso de un compuesto térmico, pero para obtener los mejores resultados posibles, las superficies deben ser lo más planas posible. Esto se puede lograr mediante un proceso laborioso conocido como lapping , que puede reducir la temperatura de la CPU en aproximadamente 2 °C (4 °F). [50]
La mayoría de las PC antiguas utilizan cables planos para conectar las unidades de almacenamiento ( IDE o SCSI ). Estos cables planos de gran tamaño impiden en gran medida el flujo de aire al provocar resistencia y turbulencia. Los overclockers y modders suelen sustituirlos por cables redondeados, con los cables conductores agrupados firmemente para reducir el área de superficie. En teoría, los hilos paralelos de conductores en un cable plano sirven para reducir la diafonía (los conductores que transportan señales inducen señales en los conductores cercanos), pero no hay evidencia empírica de que los cables redondeados reduzcan el rendimiento. Esto puede deberse a que la longitud del cable es lo suficientemente corta como para que el efecto de la diafonía sea insignificante. Los problemas suelen surgir cuando el cable no está protegido electromagnéticamente y la longitud es considerable, una ocurrencia más frecuente con los cables de red antiguos.
Estos cables de computadora se pueden luego unir al chasis o a otros cables para aumentar aún más el flujo de aire.
Esto es un problema menor con las computadoras nuevas que usan serial ATA , que tiene un cable mucho más estrecho.
Cuanto más frío sea el medio de enfriamiento (el aire), más eficaz será el enfriamiento . La temperatura del aire de enfriamiento se puede mejorar con estas pautas:
El uso de menos ventiladores, pero ubicados estratégicamente, mejorará el flujo de aire dentro de la PC y, por lo tanto, reducirá la temperatura interna general de la carcasa en relación con las condiciones ambientales. El uso de ventiladores más grandes también mejora la eficiencia y reduce la cantidad de calor residual junto con la cantidad de ruido generado por los ventiladores durante el funcionamiento.
Hay poco consenso sobre la eficacia de las diferentes configuraciones de ubicación de los ventiladores y se han realizado pocas pruebas sistemáticas. Para una caja de PC rectangular (ATX), se ha descubierto que un ventilador en la parte delantera con un ventilador en la parte trasera y uno en la parte superior es una configuración adecuada. Sin embargo, las directrices de refrigeración del sistema (algo obsoletas) de AMD señalan que "un ventilador de refrigeración frontal no parece ser esencial. De hecho, en algunas situaciones extremas, las pruebas mostraron que estos ventiladores recirculan aire caliente en lugar de introducir aire frío". [51] Es posible que los ventiladores en los paneles laterales puedan tener un efecto perjudicial similar, posiblemente al interrumpir el flujo de aire normal a través de la caja. Sin embargo, esto no está confirmado y probablemente varíe según la configuración.
En términos generales, la presión positiva significa que la entrada de aire en la caja es más fuerte que la salida de aire de la caja. Esta configuración hace que la presión dentro de la caja sea más alta que en su entorno. La presión negativa significa que la salida de aire es más fuerte que la entrada de aire. Esto hace que la presión de aire interna sea más baja que en el entorno. Ambas configuraciones tienen ventajas y desventajas, siendo la presión positiva la más popular de las dos. La presión negativa hace que la caja succione aire a través de orificios y respiraderos separados de los ventiladores, ya que los gases internos intentarán alcanzar una presión de equilibrio con el entorno. En consecuencia, esto hace que el polvo ingrese al equipo por todos lados. La presión positiva en combinación con la entrada filtrada resuelve este problema, ya que el aire solo tenderá a salir a través de estos orificios y respiraderos para alcanzar un equilibrio con su entorno. El polvo entonces no puede ingresar a la caja excepto a través de los ventiladores de entrada, que deben tener filtros de polvo.
Las computadoras de escritorio suelen utilizar uno o más ventiladores para enfriarse. Si bien casi todas las fuentes de alimentación de escritorio tienen al menos un ventilador incorporado, las fuentes de alimentación nunca deben extraer aire caliente del interior de la carcasa, ya que esto da como resultado temperaturas de funcionamiento más altas de la fuente de alimentación, lo que reduce la eficiencia energética, la confiabilidad y la capacidad general de la fuente de alimentación para proporcionar un suministro constante de energía a los componentes internos de la computadora. Por este motivo, todas las carcasas ATX modernas (con algunas excepciones que se encuentran en las carcasas de presupuesto ultrabajo) cuentan con un soporte para fuente de alimentación en la parte inferior, con una entrada de aire dedicada para la fuente de alimentación (a menudo con su propio filtro) debajo de la ubicación de montaje, lo que permite que la fuente de alimentación extraiga aire frío de debajo de la carcasa.
La mayoría de los fabricantes recomiendan introducir aire fresco por la parte inferior delantera de la caja y expulsar el aire caliente por la parte superior trasera [ cita requerida ] . Si se instalan ventiladores para forzar la entrada de aire a la caja de forma más eficaz de lo que se elimina, la presión en el interior se vuelve más alta que en el exterior, lo que se conoce como flujo de aire "positivo" (el caso opuesto se denomina flujo de aire "negativo"). Vale la pena señalar que la presión interna positiva solo evita que se acumule polvo en la caja si las entradas de aire están equipadas con filtros de polvo. [52] Una caja con presión interna negativa sufrirá una mayor tasa de acumulación de polvo incluso si las entradas de aire están filtradas, ya que la presión negativa atraerá el polvo a través de cualquier abertura disponible en la caja.
El flujo de aire dentro de una caja de escritorio típica no suele ser lo suficientemente fuerte para un disipador de calor pasivo para CPU. La mayoría de los disipadores de calor de escritorio son activos e incluyen uno o incluso varios ventiladores o sopladores conectados directamente.
Cada servidor puede tener un sistema de refrigeración interno independiente; los ventiladores de refrigeración del servidor en los gabinetes (1 U ) generalmente se ubican en el medio del gabinete, entre los discos duros en la parte frontal y los disipadores de calor pasivos de la CPU en la parte posterior. Los gabinetes más grandes (altos) también tienen ventiladores de extracción y, a partir de aproximadamente 4 U, pueden tener disipadores de calor activos. Las fuentes de alimentación generalmente tienen sus propios ventiladores de extracción orientados hacia atrás.
Un gabinete de rack es un gabinete típico para servidores montados horizontalmente. El aire generalmente se aspira por la parte delantera del rack y se expulsa por la parte trasera. Cada gabinete puede tener opciones de refrigeración adicionales; por ejemplo, pueden tener un módulo acoplable de refrigeración de acoplamiento cerrado o integrado con elementos del gabinete (como puertas de refrigeración en el rack de servidores iDataPlex ).
Otra forma de alojar un gran número de sistemas en un espacio reducido es utilizar chasis blade , orientados verticalmente en lugar de horizontalmente, para facilitar la convección . El aire calentado por los componentes calientes tiende a ascender, creando un flujo de aire natural a lo largo de las placas ( efecto pila ), enfriándolas. Algunos fabricantes aprovechan este efecto. [53] [54]
Debido a que los centros de datos suelen contener una gran cantidad de computadoras y otros dispositivos que disipan energía, corren el riesgo de sobrecalentarse; se utilizan amplios sistemas de HVAC para evitar esto. A menudo se utiliza un piso elevado para que el área debajo del piso se pueda utilizar como un gran plenum para el aire enfriado de un CRAC (aire acondicionado de sala de computadoras) o un CRAH (manejador de aire de sala de computadoras) [55] y el cableado eléctrico. También puede haber un plenum hecho con un falso techo. [55] La contención de pasillo caliente o la contención de pasillo frío también se utilizan en los centros de datos para mejorar la eficiencia de enfriamiento. [56] Alternativamente, se pueden usar pisos de losa que son similares a los pisos convencionales, y se pueden usar conductos elevados para enfriar. [57] [58]
El enfriamiento líquido de contacto directo ha resultado ser más eficiente que las opciones de enfriamiento por aire, lo que resulta en un espacio más pequeño, menores requisitos de capital y menores costos operativos que el enfriamiento por aire. Utiliza líquido tibio en lugar de aire para alejar el calor de los componentes más calientes. Las ganancias de eficiencia energética del enfriamiento líquido también están impulsando su adopción. [59] [60] También se han propuesto para su uso en centros de datos el enfriamiento por inmersión/tina abierta monofásica y dual/bifásica y el enfriamiento por inmersión monofásica y dual directa al chip [61], así como el enfriamiento por inmersión confinado a servidores blade individuales [62] [63] . [64] [65] También se pueden utilizar el enfriamiento en fila, [66] [67] [68] el enfriamiento en rack, [69] [70] los intercambiadores de calor de puerta trasera, [71] el enfriamiento en rack que coloca intercambiadores de calor sobre el rack, [72] [73] el enfriamiento superior sobre los pasillos [74] [75] o las paredes de ventiladores/paredes térmicas en un centro de datos [76] [77] . La refrigeración líquida directa (DLC) con placas frías para enfriar chips en servidores se puede utilizar debido a las mayores capacidades de eliminación de calor de estos sistemas. [61] Estos sistemas pueden enfriar algunos o todos los componentes de un servidor, utilizando tubos de caucho o cobre respectivamente. [78] [70] [79] Los intercambiadores de calor de puerta trasera se usaban tradicionalmente para enfriar altas densidades de calor en centros de datos, pero no se adoptaron ampliamente. [80] Se pueden enfriar con refrigerante [81] o agua helada. [82] Los enfriados con agua helada pueden ser activos, que tienen ventiladores, [83] o pasivos, que no tienen ventiladores. [84] Los intercambiadores de calor de líquido a aire (radiadores) se pueden utilizar para enfriar servidores enfriados con refrigeración líquida directa al chip, con el fin de evitar la instalación de tuberías de agua en las instalaciones. Estos intercambiadores de calor se pueden instalar por separado de los bastidores o como una puerta trasera en un bastidor. [85] [86] [87] [88]
Los portátiles presentan un diseño mecánico complicado en cuanto a flujo de aire, disipación de energía y refrigeración. Las limitaciones específicas de los portátiles incluyen: el dispositivo en su conjunto tiene que ser lo más ligero posible; el formato tiene que estar diseñado en torno a la disposición estándar del teclado; los usuarios están muy cerca, por lo que el ruido debe mantenerse al mínimo, y la temperatura exterior de la carcasa debe mantenerse lo suficientemente baja como para poder utilizarla sobre las piernas. La refrigeración suele utilizar refrigeración por aire forzado, pero también son habituales los tubos de calor y el uso del chasis o la carcasa de metal como disipador térmico pasivo. Las soluciones para reducir el calor incluyen el uso de procesadores ARM o Intel Atom de menor consumo energético .
Los dispositivos móviles, como los teléfonos, no suelen tener sistemas de refrigeración discretos, ya que los chips de CPU y GPU móviles están diseñados para lograr la máxima eficiencia energética debido a las limitaciones de la batería del dispositivo. Algunos dispositivos de mayor rendimiento pueden incluir un disipador de calor que ayuda a transferir el calor a la carcasa externa de un teléfono o tableta.
