La refrigeración de la computadora es necesaria para eliminar el calor residual producido por los componentes de la computadora y mantener los componentes dentro de los límites de temperatura de funcionamiento permitidos . Los componentes que son susceptibles a un mal funcionamiento temporal o 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 diseñarse para reducir el consumo de energía y el consiguiente calentamiento 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 determinada cantidad de calor. La atención a los patrones de flujo de aire puede prevenir el desarrollo de puntos críticos. Los ventiladores de computadora se utilizan 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 específico. Esto se conoce generalmente como Throttling térmico en el caso de una reducción de la velocidad del reloj, o Apagado térmico en el caso de un apagado completo del dispositivo o sistema.
La refrigeración puede diseñarse para reducir la temperatura ambiente dentro de la carcasa de una computadora, por ejemplo expulsando aire caliente, o para enfriar un solo componente o un área pequeña (enfriamiento puntual). Los componentes comúnmente refrigerados individualmente incluyen la CPU, la unidad de procesamiento de gráficos (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 gestionando una 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 permitido específico único para cada componente. Para los semiconductores, la temperatura de unión instantánea , en lugar de la caja del componente, el disipador de calor o la temperatura 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 producción 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 permanezcan 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 es posible que esto no garantice completamente un funcionamiento seguro a largo plazo. Antes de que un componente sobrecalentado alcance este punto, se puede "estrangular" hasta que las temperaturas caigan por debajo de un punto seguro utilizando tecnología de escalado de frecuencia dinámica . La limitación reduce la frecuencia de funcionamiento y el voltaje de un circuito integrado o desactiva funciones no esenciales del chip para reducir la producción de calor, a menudo a costa de una reducción leve o significativa del rendimiento. En el caso de las computadoras de escritorio y portátiles, la aceleración suele controlarse en el nivel del BIOS . La regulación también se utiliza comúnmente para gestionar las temperaturas en teléfonos inteligentes y tabletas, donde los componentes están muy juntos con poco o ningún enfriamiento activo y con calor adicional transferido desde la mano del usuario. [1]
El usuario también puede hacer muchas cosas para evitar de forma preventiva que se produzcan daños. Pueden realizar una inspección visual del refrigerador y de los ventiladores de la caja. Si alguno de ellos no gira correctamente, es probable que sea necesario reemplazarlo. El usuario también debe limpiar minuciosamente los ventiladores, ya que el polvo y la suciedad pueden aumentar la temperatura ambiente de la carcasa 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 sustituir la pasta térmica periódicamente. [2]
A medida que las computadoras electrónicas se hicieron más grandes y complejas, el enfriamiento 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 enfriarse. 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 computadoras centrales patrocinaron una investigación intensiva sobre la física del enfriamiento 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 en líquido y la convección forzada, la ebullición en piscina, la caída de películas, la ebullición por flujo y el impacto por chorro de líquido. Se utilizó análisis matemático para predecir aumentos de temperatura de los componentes para cada posible geometría del sistema de enfriamiento. [3]
IBM desarrolló tres generaciones del Módulo de Conducción Térmica (TCM) que utilizaba una placa fría refrigerada por agua en contacto térmico directo con paquetes de circuitos integrados. Cada paquete tenía presionado un pin conductor térmico y gas helio rodeado de chips y pines conductores de calor. El diseño podría eliminar hasta 27 vatios de un chip y hasta 2000 vatios por módulo, manteniendo al mismo tiempo temperaturas del paquete del chip de alrededor de 50 °C (122 °F). Los sistemas que utilizaban TCM eran la familia 3081 (1980), ES/3090 (1984) y algunos modelos del 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 utilizan refrigeración por agua también se utilizaron en sistemas mainframe fabricados por otras empresas, incluidas Mitsubishi y Fujitsu.
La supercomputadora Cray-1 diseñada en 1976 tenía un sistema de enfriamiento distintivo. La máquina tenía sólo 77 pulgadas (2000 mm) de altura y 56+1 ⁄ 2 pulgadas (1440 mm) de diámetro y consumía hasta 115 kilovatios; esto es comparable al consumo medio de energía de unas pocas docenas de hogares occidentales o de un coche de tamaño medio. Los circuitos integrados utilizados en la máquina eran los más rápidos disponibles en ese momento y utilizaban lógica de emisor acoplado ; sin embargo, la velocidad estuvo acompañada de un alto consumo de energía en comparación con los dispositivos CMOS posteriores .
La eliminación del calor fue fundamental. El refrigerante circulaba a través de tuberías incrustadas en barras de enfriamiento verticales en doce secciones columnares de la máquina. Cada uno de los 1662 módulos de circuito impreso de la máquina tenía un núcleo de cobre y estaba sujeto a la barra de enfriamiento. El sistema fue diseñado para mantener las cajas de circuitos integrados a no más de 54 °C (129 °F), con refrigerante circulando a 21 °C (70 °F). El rechazo final del calor se realizó a través de un condensador enfriado por agua. [5] Las tuberías, los intercambiadores de calor y las bombas para el sistema de refrigeración estaban dispuestos en un banco 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 último Cray-2, con sus módulos más densamente empaquetados, Seymour Cray tuvo problemas para enfriar eficazmente la máquina utilizando la técnica de conducción metálica con refrigeración mecánica, por lo que cambió al enfriamiento por "inmersión líquida". Este método consistía en llenar el chasis del Cray-2 con un líquido llamado Fluorinert . Fluorinert, como su nombre 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 enfriada. [7]
El rendimiento por vatio de los sistemas modernos ha mejorado enormemente; Se pueden realizar muchos más cálculos con un consumo de energía determinado que los que eran posibles con los circuitos integrados de los años 1980 y 1990. Proyectos recientes de supercomputadoras, como Blue Gene , se basan en la 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 es insuficiente para eliminar el calor. Los ventiladores pueden instalarse en la carcasa de la computadora o conectarse a CPU, GPU, conjuntos de chips, unidades de fuente de alimentación (PSU), discos duros o como tarjetas conectadas a una ranura de expansión. Los tamaños de ventilador comunes incluyen 40, 60, 80, 92, 120 y 140 mm. A veces se utilizan ventiladores de 200, 230, 250 y 300 mm en ordenadores personales de alto rendimiento.
Una computadora tiene cierta resistencia al aire que fluye 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 generalmente tienen dos especificaciones publicadas: flujo de aire libre y presión diferencial máxima. El flujo de aire libre es la cantidad de aire que moverá un ventilador sin contrapresión cero. 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 presenta 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 paralelos entre sí, en serie o una combinación de ambos. La instalación paralela sería ventiladores montados uno al lado del otro. La instalación en serie sería un segundo ventilador en línea con otro ventilador, como un ventilador de entrada y un ventilador de extracción. Para simplificar la discusión, se supone que los ventiladores son del mismo modelo.
Los ventiladores paralelos proporcionarán el doble de flujo de aire libre pero sin presión de conducción adicional. La instalación en serie, por otro lado, duplicará la presión estática disponible pero no aumentará el caudal de aire libre. La ilustración adyacente muestra un solo ventilador frente a 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 con la raíz cuadrada de la presión. Por lo tanto, duplicar la presión solo aumentará el flujo 1,41 ( √ 2 ) veces, no el doble como se podría suponer. Otra forma de ver esto es que la presión debe aumentar en un factor de cuatro para duplicar el caudal.
Para determinar el caudal a través de un chasis, la curva de impedancia del chasis se puede medir imponiendo una presión arbitraria en la entrada al chasis y midiendo el flujo a través del chasis. Esto requiere equipos bastante sofisticados. Una vez determinada la curva de impedancia del chasis (representada por las líneas continuas rojas y negras en la curva adyacente), el flujo real a través del chasis generado por una configuración de ventilador particular se muestra gráficamente donde la curva de impedancia del chasis cruza 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 particular, agregar un segundo ventilador proporcionó una mejora marginal, ya que el flujo 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 la gráfica, un segundo ventilador en serie proporcionaría un rendimiento ligeramente mejor que la instalación en paralelo. [ cita necesaria ]
La ecuación para el flujo de aire requerido a través de un chasis es
dónde
Una regla general conservadora simple para los requisitos de flujo de enfriamiento, descontando efectos como la pérdida de calor a través de las paredes del chasis y el flujo laminar versus turbulento, y teniendo en cuenta las constantes de calor específico y densidad al nivel del mar es:
Por ejemplo, un chasis típico con 500 vatios de carga, temperatura interna máxima de 130 °F (54 °C) 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 clasificación de aire libre del ventilador. También cabe señalar 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 "chorro de enfriamiento piezoeléctrico dual", 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 conectados a cada lado a una astilla de cerámica piezoeléctrica. Una corriente alterna que pasa a través del componente cerámico hace que éste 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 aspiran aire caliente. La expansión junta los discos de níquel, expulsando el aire a alta velocidad.
El dispositivo no tiene rodamientos y no requiere motor. Es más delgado y consume menos energía que los ventiladores típicos. El chorro puede mover la misma cantidad de aire que un ventilador de refrigeración del doble de su tamaño, mientras consume la mitad de electricidad y a un coste menor. [9]
El enfriamiento pasivo del disipador de calor implica colocar 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 extendida entre ellos. Este bloque tiene aletas y crestas para aumentar su superficie. La conductividad térmica del metal es mucho mejor que la del aire e irradia calor mejor que el componente que protege (normalmente un circuito integrado o una CPU). Los disipadores de calor de aluminio refrigerados por ventilador eran originalmente la norma para las computadoras de escritorio, pero hoy en día muchos disipadores de calor cuentan con 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 de gas eliminando 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 adjunta un disipador de calor al disipador de calor integrado (IHS), esencialmente una placa grande y plana unida a la CPU, con una capa de pasta de conducción en el medio. Esto disipa o propaga el calor localmente. A diferencia de un disipador de calor, un esparcidor está destinado a redistribuir el calor, no a eliminarlo. Además, el IHS protege la frágil CPU.
El enfriamiento pasivo no implica ruido del 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 de calor de las computadoras, GPU, FPGA y ASIC es sumergir toda la computadora o componentes seleccionados en un líquido conductor térmico, pero no eléctrico . Aunque rara vez se utiliza para enfriar 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 entre los centros de datos. [11] [12] Las computadoras personales enfriadas de esta manera pueden no requerir ventiladores ni bombas, y pueden enfriarse exclusivamente mediante intercambio de calor pasivo entre el hardware de la computadora y el gabinete en el que están colocadas. [12] [13] Un intercambiador de calor (es decir, el núcleo del calentador o el radiador) aún puede ser necesario, y las tuberías también deben colocarse correctamente. [14]
El refrigerante utilizado debe tener una conductividad eléctrica suficientemente baja para no interferir con el funcionamiento normal de la computadora. 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 conductor de electricidad.
Existe una amplia variedad de líquidos para este fin, incluidos aceites de transformadores , refrigerantes dieléctricos sintéticos monofásicos y bifásicos como 3M Fluorinert o 3M Novec. Los aceites no utilizados, incluidos los aceites de cocina, de motor y de silicona , se han utilizado con éxito para enfriar computadoras personales.
Algunos fluidos utilizados en el enfriamiento por inmersión, especialmente materiales a base de 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 del material de dichos fluidos antes de su uso. Se ha descubierto que el aceite mineral en particular tiene efectos negativos sobre 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 procesadores y tarjetas gráficas se disuelven en algunos líquidos, sin embargo, con un impacto insignificante en la refrigeración, a menos que los componentes se retiren y se operen en el aire. [17]
La evaporación, especialmente para refrigerantes bifásicos, puede plantear un problema, [18] y es posible que sea necesario rellenar o sellar el líquido periódicamente dentro de la carcasa de la computadora. La refrigeración por inmersión puede permitir valores PUE extremadamente bajos de 1,05, frente a los 1,35 de la refrigeración por aire, y permitir hasta 100 KW de potencia informática (disipación de calor, TDP) por rack de 19 pulgadas , a diferencia de la refrigeración por aire, que normalmente admite hasta 23 KW. [19]
Cuando no se requieren computadoras potentes con muchas funciones, se pueden usar computadoras menos potentes o con menos funciones. A partir de 2011, [actualizar]una placa base VIA EPIA con CPU normalmente disipa aproximadamente 25 vatios de calor, mientras que una placa base y CPU Pentium 4 más capaz normalmente disipa alrededor de 140 vatios. Las computadoras pueden alimentarse con corriente continua desde una fuente de alimentación externa que no genera calor dentro de la carcasa de la computadora. La sustitución de las pantallas de tubo de rayos catódicos (CRT) por pantallas de cristal líquido (LCD) de pantalla delgada más eficientes a principios del siglo XXI ha reducido significativamente el consumo de energía.
Se puede montar un componente en buen contacto térmico con un disipador, un dispositivo pasivo con gran capacidad térmica y con una gran superficie en relación con su volumen. Los disipadores de calor suelen estar hechos de un metal con alta conductividad térmica como el aluminio o el cobre, [20] e incorporan aletas para aumentar la superficie. 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 más baja que la del componente solo. El calor se elimina del disipador de calor mediante un flujo de aire convectivo o forzado por un ventilador. La refrigeración por ventilador se utiliza a menudo para enfriar procesadores y tarjetas gráficas que consumen cantidades importantes de energía eléctrica. En una computadora, un componente típico generador de calor puede fabricarse con una superficie plana. Se sujeta al componente un bloque de metal con una superficie plana correspondiente y una construcción con aletas, a veces con un ventilador adjunto. Para rellenar espacios de aire de mala conducción debido a superficies imperfectamente planas y lisas, se puede colocar una capa delgada de grasa térmica , una almohadilla térmica o adhesivo térmico entre el componente y el disipador de calor.
El calor se elimina del disipador de calor por convección , hasta cierto punto por radiación y posiblemente por conducción si el disipador de calor está en contacto térmico con, por ejemplo, la carcasa metálica. Los disipadores de calor de aluminio refrigerados por ventilador, económicos, se utilizan a menudo en las computadoras de escritorio estándar. Los disipadores con placa base de cobre , o fabricados en cobre, tienen mejores características térmicas que los fabricados en aluminio. Un disipador de calor de cobre es más efectivo que una unidad de aluminio del mismo tamaño, lo cual es relevante con respecto a los componentes de alto consumo de energía utilizados en las 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, se sujeta un disipador de calor al disipador de calor integrado (IHS), una placa metálica plana del tamaño del paquete de la CPU que forma parte del conjunto de la CPU y distribuye el calor localmente. Entre ellos se coloca una fina capa de compuesto térmico para compensar las imperfecciones de la superficie. El objetivo principal del esparcidor es redistribuir el calor. Las aletas del disipador mejoran su eficiencia.
Varias marcas de módulos de memoria DRAM DDR2, DDR3, DDR4 y DDR5 están equipados con un disipador de calor con aletas sujeto al borde superior del módulo. La misma técnica se utiliza para las tarjetas de video que utilizan un disipador térmico pasivo con aletas en la GPU.
El polvo tiende a acumularse en las grietas de los disipadores de calor con aletas, particularmente con el alto flujo de aire producido por los ventiladores. Esto mantiene el aire alejado del componente caliente, lo que reduce la eficacia del enfriamiento; sin embargo, eliminar el polvo 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 un 40% a un 60% logrado por los sistemas de ciclo de compresión convencionales ( sistemas Rankine inversos 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 . Para los termopares se utiliza más comúnmente una combinación de bismuto y teluro .
Como bombas de calor activas que consumen energía, las TEC pueden producir temperaturas inferiores a la ambiental, algo imposible con disipadores de calor pasivos, refrigeración líquida enfriada por radiadores y HSF con tubo de calor. Sin embargo, mientras bombea 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 (enfriamiento de dos fases) para enfriar la CPU. [22] [23]
La refrigeración líquida es un método muy eficaz para eliminar el exceso de calor; el líquido de transferencia de calor más común en las PC de escritorio es el agua (destilada). Las ventajas del enfriamiento por agua sobre el enfriamiento 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 computadoras es idéntico al utilizado en el motor de combustión interna de un automóvil , donde el agua circula mediante una bomba de agua a través de un bloque de agua montado en la CPU (y a veces componentes adicionales como GPU). y puente norte) [24] y sale a un intercambiador de calor , típicamente un radiador . El propio radiador normalmente se enfría adicionalmente mediante un ventilador . [24] Además de un ventilador, es posible que también se pueda enfriar por otros medios, como un enfriador Peltier (aunque los elementos Peltier se colocan más comúnmente directamente encima del hardware que se va a enfriar, y el refrigerante se usa para conducir el calor). desde el 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 omiten 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 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 piezas que se enfrían que el aire, lo que hace que la refrigeración líquida sea adecuada para overclocking y 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 llegar a ser bastante ruidoso.
Las desventajas de la refrigeración líquida incluyen la complejidad y la posibilidad de que se produzca una fuga de refrigerante. Las fugas de agua (y cualquier aditivo en el agua) pueden dañar los componentes electrónicos con los que entra en contacto, y la necesidad de probar y reparar fugas hace que las instalaciones sean más complejas y menos confiables. (La primera gran incursión en el campo de las computadoras personales refrigeradas por líquido para uso general, las versiones de gama alta del Power Mac G5 de Apple , quedó finalmente condenada al fracaso por la propensión a las fugas de refrigerante. [35] ) Un disipador térmico refrigerado por aire Por lo general, es mucho más sencillo 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, sino que también es posible la refrigeración líquida de las tarjetas GPU. [37]
Aunque originalmente se limitaba a las computadoras centrales , la refrigeración líquida se ha convertido en una práctica asociada en gran medida con el overclocking en forma de kits todo en uno (AIO) fabricados o configuraciones de bricolaje ensambladas a partir de piezas ensambladas individualmente. [38] Los últimos años [ ¿cuándo? ] han visto un aumento en la popularidad de la refrigeración líquida en computadoras de escritorio preensambladas, de rendimiento moderado a alto. Los sistemas sellados ("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 con un ligero coste en la eficacia de la refrigeración en comparación con configuraciones más grandes y complejas. La refrigeración líquida generalmente se combina con la refrigeración por aire, utilizando refrigeración líquida para los componentes más calientes, como CPU o GPU, mientras se conserva la refrigeración por aire, más simple y económica, para los componentes menos exigentes.
El sistema IBM Aquasar utiliza refrigeración por agua caliente para lograr eficiencia energética , y el agua también se utiliza 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 resultan en una instalación mucho más sencilla de la unidad, y la mayoría de las unidades han sido revisadas positivamente por los sitios de revisión.
Un tubo de calor es un tubo hueco que contiene un líquido caloportador. El líquido absorbe calor y se evapora en un extremo de la tubería. El vapor viaja al otro extremo (más frío) del tubo, donde se condensa y desprende su calor latente . El líquido regresa al extremo caliente del tubo por gravedad o acción capilar y repite el ciclo. Los heatpipes 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, lo que crea un gran tubo de calor que transfiere calor desde la CPU al radiador, que luego se enfría mediante algún método convencional. Este método se utiliza normalmente cuando el espacio es reducido, como en las PC y portátiles de formato pequeño, o cuando 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 conjuntos de chips de alta gama, utilizan tubos de calor o cámaras de vapor además de enfriamiento activo basado 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 losa o lámina en lugar de un tubo. Los tubos de calor pueden colocarse verticalmente encima y formar parte de cámaras de vapor. Las cámaras de vapor también se pueden utilizar en teléfonos inteligentes de alta gama .
La tecnología de enfriamiento 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 de funcionamiento básico de una bomba de viento iónica es la descarga en corona , una descarga eléctrica cerca de un conductor cargado provocada por la ionización del aire circundante.
El enfriador de descarga en corona desarrollado por Kronos funciona de la siguiente manera: se crea un campo eléctrico intenso en la punta del cátodo, que se encuentra en un lado de la CPU. El alto potencial energético hace que las moléculas de oxígeno y nitrógeno del aire se ionicen (se carguen positivamente) y creen una corona (un halo de partículas cargadas). Colocar un ánodo conectado a tierra en el extremo opuesto de la CPU hace que los iones cargados en la corona aceleren hacia el ánodo, chocando con moléculas de aire neutras en el camino. Durante estas colisiones, el impulso se transfiere del gas ionizado a las moléculas de aire neutras, lo que provoca el movimiento del gas hacia el ánodo.
Las ventajas del enfriador basado en corona son la falta de piezas 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 usando instrucciones de detención para apagar o poner en estado de espera las subpartes de la CPU que no se están utilizando o reduciendo la frecuencia de la CPU. Si bien da como resultado velocidades totales más bajas, esto puede ser muy útil si se realiza 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 una refrigeración más ruidosa. Al contrario de lo que sugiere el término, no se trata de una forma de enfriar sino de reducir la creación de calor.
El subvoltaje es una práctica de ejecutar la CPU o cualquier otro componente con voltajes por debajo de las especificaciones del dispositivo. Un componente con poca tensión consume menos energía y, por lo tanto, produce menos calor. La capacidad de 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 a menudo están especificados para utilizar voltajes superiores a los estrictamente necesarios. Esta tolerancia garantiza que el procesador tendrá más posibilidades de funcionar correctamente en condiciones subóptimas, como una placa base de menor calidad o voltajes de fuente de alimentación bajos. Por debajo de cierto límite, el procesador no funcionará correctamente, aunque una tensión demasiado baja no suele provocar daños permanentes en el hardware (a diferencia de la tensión excesiva).
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 omitir los ventiladores ruidosos. También se utiliza cuando se debe maximizar la vida útil de la carga de la batería.
Todas las técnicas de enfriamiento convencionales colocan su componente de "enfriamiento" en el exterior del paquete del chip de computadora. Esta técnica de "fijación" siempre presentará cierta resistencia térmica, lo que reducirá su eficacia. El calor se puede eliminar de manera más eficiente y rápida enfriando directamente los puntos calientes locales del chip, dentro del paquete. En estas ubicaciones, puede producirse una disipación de energía de más de 300 W/cm 2 (la CPU típica es inferior a 100 W/cm 2 ), aunque se espera que los sistemas futuros superen los 1000 W/cm 2 . [43] Esta forma de enfriamiento 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 del ordenador. Actualmente existen dos técnicas: disipadores de calor de microcanales y enfriamiento por impacto de chorro.
En los disipadores de calor de microcanales, se fabrican canales en el chip de silicio (CPU) y se bombea refrigerante a través de ellos. Los canales están diseñados con una superficie muy grande, lo que da como resultado grandes transferencias de calor. Con esta técnica se ha informado de una disipación de calor de 3000 W/cm 2 . [44] La disipación de calor se puede aumentar aún más si se aplica 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 la refrigeración electrónica.
Otra técnica de enfriamiento local de virutas es el enfriamiento por impacto de chorro. 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/cm 2 . [45] El sistema puede funcionar a una presión más baja en comparación con el método de microcanales. La transferencia de calor se puede aumentar aún más utilizando enfriamiento de flujo de dos fases e integrando canales de flujo de retorno (híbridos entre disipadores de calor de microcanales y enfriamiento por impacto de chorro).
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 encuentra debajo de la PC, con un tubo que conduce al procesador. Dentro de la unidad hay un compresor del mismo tipo que en un aire acondicionado . El compresor comprime un gas (o una mezcla de gases) que proviene del evaporador (el enfriador de la 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 desde un simple tubo capilar hasta una válvula de expansión térmica más elaborada. El líquido se evapora (cambia de fase), absorbiendo el calor del procesador mientras extrae energía adicional de su entorno para adaptarse a este cambio (ver calor latente ). La evaporación puede producir temperaturas que alcanzan alrededor de -15 a -150 °C (5 a -238 °F). El líquido fluye hacia el evaporador que enfría la CPU y se convierte en vapor a baja presión. Al final del evaporador, este gas fluye hacia el compresor y el ciclo comienza de nuevo. De esta manera, el procesador se puede enfriar a temperaturas que oscilan entre -15 y -150 °C (5 a -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 adolece de una serie de cuestiones (coste, peso, tamaño, vibración, mantenimiento, coste de la electricidad, ruido, necesidad de una torre informática especializada) pero, principalmente, hay que preocuparse por el punto de rocío y el aislamiento adecuado de todas las superficies subambientales que deben limpiarse (las tuberías sudarán y gotearán agua sobre los componentes electrónicos sensibles).
Alternativamente, se está desarrollando una nueva generación de sistema de enfriamiento, insertando una bomba en el circuito de termosifón . Esto añade otro grado de flexibilidad para el ingeniero de diseño, ya que el calor ahora puede transportarse eficazmente lejos de la fuente de calor y recuperarse o disiparse al ambiente. La temperatura de la unión se puede ajustar ajustando la presión del sistema; Una presión más alta equivale a temperaturas de saturación del fluido más altas. Esto permite 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 líquida 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 causan una falla catastrófica del sistema eléctrico.
Este tipo de refrigeración se considera una forma más extrema de enfriar componentes, ya que las unidades son relativamente caras en comparación con las computadoras de escritorio promedio. También generan una cantidad importante de ruido, ya que son esencialmente frigoríficos; sin embargo, la elección del compresor y el sistema de refrigeración por aire es el principal determinante de esto, lo que permite flexibilidad para la reducción del ruido según las piezas elegidas.
Un "termosifón" se refiere tradicionalmente a un sistema cerrado que consta de varias tuberías 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 de calor posible al líquido, por ejemplo, una placa fría de CPU con la cámara en su interior llena con el 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 manera que la CPU calienta el depósito y el líquido que contiene, que comienza a hervir, y el vapor sube por los tubos hasta el área de disipación de calor/radiador y luego, después de condensarse, gotea nuevamente hacia el depósito o corre por los lados del tubo. No requiere piezas móviles y es algo similar a una bomba de calor, excepto que no se utiliza acción capilar, lo que la hace potencialmente mejor en cierto sentido (quizás lo más importante es que es mucho más fácil de construir y mucho más personalizable para Los casos de uso específicos y el flujo de refrigerante/vapor se pueden organizar en una variedad mucho más amplia de posiciones y distancias, y tienen 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 flujo. (Tasa 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 una tasa de flujo y capacidad limitadas).
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 encima del procesador o la tarjeta gráfica. Una vez que el sistema ha sido fuertemente aislado contra la condensación, el nitrógeno líquido se vierte en la tubería, lo que da como resultado temperaturas muy por debajo de -100 °C (-148 °F).
Se utilizan dispositivos de evaporación que van desde disipadores de calor recortados con tuberías conectadas hasta contenedores de cobre fresados personalizados para retener el nitrógeno y evitar grandes cambios de temperatura. Sin embargo, una vez que el nitrógeno se evapora, es necesario rellenarlo. En el ámbito de las computadoras personales, este método de enfriamiento rara vez se usa en contextos que no sean pruebas de overclocking e intentos de establecer récords, ya que la CPU generalmente caducará dentro de un período de tiempo relativamente corto debido al estrés de temperatura causado por cambios en los componentes internos. temperatura.
Aunque el nitrógeno líquido no es inflamable, puede condensar oxígeno directamente del aire. Las mezclas de oxígeno líquido y materiales inflamables pueden ser peligrosamente explosivas .
El enfriamiento con nitrógeno líquido, generalmente, solo se utiliza para realizar evaluaciones comparativas de procesadores, debido a que el uso continuo puede causar daños permanentes a una o más partes de la computadora y, si se maneja de manera descuidada, puede incluso dañar al usuario, provocando congelación .
También se ha utilizado para refrigeración el helio líquido , más frío que el nitrógeno líquido. El helio líquido hierve a -269 °C (-452,20 °F) y se han medido temperaturas que oscilan entre -230 y -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 utilizar que el nitrógeno líquido. Además, las temperaturas extremadamente bajas pueden provocar que los circuitos integrados dejen de funcionar. Los semiconductores basados en silicio, por ejemplo, se congelarán a unos -233 °C (-387,4 °F). [47]
El enfriamiento se puede mejorar mediante varias técnicas que pueden implicar gastos o esfuerzos adicionales. 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 superiores a las especificadas por el fabricante ( overclocking ), lo que aumenta la generación de calor.
La instalación de refrigeración no disponible de mayor rendimiento también puede considerarse modificación . Muchos overclockers simplemente compran combinaciones de ventilador y disipador de calor más eficientes y, a menudo, más caras, mientras que otros recurren a formas más exóticas de enfriar la computadora, como la refrigeración líquida, las bombas de calor con efecto Peltier, los tubos de calor o la 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 una planitud perfecta y la ausencia de espacios de aire microscópicos no es prácticamente posible, especialmente en equipos producidos en masa . 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 el enfriamiento al llenar los espacios de aire. Si sólo se utiliza una pequeña cantidad de compuesto suficiente para llenar los huecos, se obtendrá la mejor reducción de temperatura.
Hay mucho debate sobre las ventajas 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 nivelar las superficies, ya que la conductividad térmica del compuesto suele ser de 1/3 a 1/400 de la del metal, aunque mucho mejor que la del aire. La conductividad del compuesto disipador de calor oscila entre aproximadamente 0,5 y 80 W/mK [49] (ver artículos); el del aluminio es de unos 200, el del aire de unos 0,02. También se utilizan almohadillas conductoras de calor , que los fabricantes suelen instalar en los disipadores de calor. Son menos eficaces que el compuesto térmico aplicado correctamente, pero son más sencillos de aplicar y, si se fijan al disipador de calor, los usuarios que no son conscientes de la importancia de un buen contacto térmico no pueden omitirlos ni sustituirlos por una capa gruesa e ineficaz de compuesto.
A diferencia de algunas técnicas analizadas aquí, el uso de compuestos térmicos o acolchados es casi universal cuando se disipan cantidades significativas de calor.
Los disipadores de calor de CPU y las bases de disipadores de calor producidos en masa 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 laborioso proceso conocido como lapeado , que puede reducir la temperatura de la CPU normalmente en 2 °C (4 °F). [50]
La mayoría de las PC más antiguas utilizan cables planos para conectar unidades de almacenamiento ( IDE o SCSI ). Estos grandes cables planos impiden en gran medida el flujo de aire al provocar resistencia y turbulencia. Los overclockers y modders a menudo los reemplazan con cables redondeados, con los cables conductores agrupados firmemente para reducir el área de superficie. En teoría, los hilos paralelos de los 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, algo que ocurre más frecuentemente con cables de red más antiguos.
Estos cables de computadora luego se pueden atar al chasis u 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 esté el medio refrigerante (el aire), más eficaz será el enfriamiento . La temperatura del aire de refrigeración se puede mejorar con estas pautas:
Menos ventiladores, pero ubicados estratégicamente, mejorarán el flujo de aire interno dentro de la PC y, por lo tanto, reducirán 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 mientras están en funcionamiento.
Hay poco acuerdo sobre la efectividad 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 una configuración adecuada es un ventilador en la parte delantera, otro en la parte trasera y uno en la parte superior. Sin embargo, las pautas de enfriamiento del sistema (algo obsoletas) de AMD señalan que "un ventilador de enfriamiento 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] Puede ser 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 varía según la configuración.
En términos generales, la presión positiva significa que la entrada al gabinete es más fuerte que el escape del gabinete. Esta configuración da como resultado que la presión dentro de la caja sea mayor que en su entorno. La presión negativa significa que el escape es más fuerte que la admisión. Esto da como resultado que la presión del aire interna sea menor que la del ambiente. Ambas configuraciones tienen ventajas y desventajas, siendo la presión positiva la más popular de las dos configuraciones. La presión negativa hace que la caja extraiga aire a través de orificios y respiraderos separados de los ventiladores, ya que los gases internos intentarán alcanzar una presión de equilibrio con el medio ambiente. En consecuencia, esto provoca que entre polvo en el ordenador por todas partes. La presión positiva en combinación con la entrada filtrada resuelve este problema, ya que el aire sólo tenderá a salir a través de estos orificios y respiraderos para alcanzar un equilibrio con su entorno. Entonces el polvo no puede entrar en la carcasa excepto a través de los ventiladores de entrada, que deben poseer filtros de polvo.
Las computadoras de escritorio suelen utilizar uno o más ventiladores para enfriar. 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 disminuye la eficiencia energética, la confiabilidad y la capacidad general de la fuente de alimentación para proporcionar un suministro estable. suministro de energía a los componentes internos de la computadora. Por esta razón, todas las cajas ATX modernas (con algunas excepciones que se encuentran en cajas de presupuesto ultrabajo) cuentan con un soporte para fuente de alimentación en la parte inferior, con una entrada de aire dedicada para la PSU (a menudo con su propio filtro) debajo de la ubicación de montaje, lo que permite PSU para extraer aire frío desde debajo de la carcasa.
La mayoría de los fabricantes recomiendan introducir aire fresco por la parte inferior frontal de la carcasa y expulsar el aire caliente por la parte superior trasera [ cita requerida ] . Si se instalan ventiladores para forzar el ingreso de aire a la carcasa de manera más efectiva 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 llama flujo de aire "negativo"). Vale la pena señalar que la presión interna positiva solo evita la acumulación de polvo 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 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 carcasa de escritorio típica no suele ser lo suficientemente fuerte para un disipador térmico de CPU pasivo. La mayoría de los disipadores de calor de escritorio están 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 gabinetes (1 U ) generalmente están ubicados en el medio del gabinete, entre los discos duros en la parte frontal y los disipadores térmicos pasivos de la CPU en la parte posterior. Los gabinetes más grandes (más altos) también tienen extractores de aire y, a partir de 4U aproximadamente, pueden tener disipadores de calor activos. Las fuentes de alimentación generalmente tienen sus propios extractores orientados hacia atrás.
El gabinete en rack es un gabinete típico para servidores montados horizontalmente. El aire normalmente entra por la parte delantera del bastidor y sale por la parte trasera. Cada gabinete puede tener opciones de enfriamiento adicionales; por ejemplo, pueden tener un módulo acoplable de refrigeración de acoplamiento cerrado o integrarse con elementos del gabinete (como puertas de refrigeración en el rack de servidores iDataPlex ).
Otra forma de acomodar una gran cantidad de sistemas en un espacio pequeño es utilizar chasis de láminas , 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 tablas ( 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 que el equipo se sobrecaliente; Se utilizan amplios sistemas HVAC para evitar esto. A menudo se utiliza un piso elevado para que el área debajo del piso pueda usarse como una gran cámara para aire frío y cableado de energía.
La refrigeración líquida por contacto directo ha resultado ser más eficiente que las opciones de refrigeración por aire, lo que da como resultado una huella más pequeña, menores requisitos de capital y menores costos operativos que la refrigeración por aire. Utiliza líquido tibio en lugar de aire para alejar el calor de los componentes más calientes. Las ganancias en eficiencia energética derivadas de la refrigeración líquida también están impulsando su adopción. [55] [56]
Las computadoras portátiles presentan un difícil desafío mecánico de diseño de flujo de aire, disipación de energía y enfriamiento. Las limitaciones específicas de los portátiles incluyen: el dispositivo en su conjunto debe ser lo más ligero posible; el factor de forma debe basarse en la distribución del teclado estándar; 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 en el regazo. La refrigeración generalmente utiliza refrigeración por aire forzado, pero también son comunes los tubos de calor y el uso del chasis o caja de metal como disipador de calor pasivo. Las soluciones para reducir el calor incluyen el uso de procesadores ARM o Intel Atom de menor consumo de energía .
Los dispositivos móviles generalmente no tienen sistemas de enfriamiento 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 calor a la carcasa externa de un teléfono o tableta.
