Por Jeremy Cook
Las computadoras necesitan energía eléctrica para funcionar. A nivel de CPU, gran parte de esta energía de entrada se convierte en calor a medida que se mueve entre 1 y 0. Por lo tanto, los ingenieros deben considerar los problemas térmicos y el enfriamiento de la CPU al diseñar una computadora para evitar “cocinar” el equipo bajo una carga pesada. Es un concepto simple: extraer más calor que la cantidad de energía térmica que genera el procesador, considerando los períodos de mayor uso.
En este artículo, analizaremos los tipos de enfriamiento de CPU disponibles, desde muy simples (o inexistentes) hasta extremos que rara vez se usan en escenarios de la vida real.
Sin enfriamiento adicional de la CPU: está bien (tal vez)
En muchos casos de unidades simples, el enfriamiento de la CPU no es parte del diseño. Considere la serie de microcontroladores ATTiny con eficiencia energética. Sus minúsculos requisitos de energía significan que la pequeña cantidad de calor que se genera se disipa fácilmente. En otros casos, como las computadoras Raspberry Pi de una sola placa (SBC, por sus siglas en inglés), la acumulación de calor puede ser más que un problema. Sin embargo, si no hace nada demasiado intensivo con el procesador, normalmente podrá despojarse de suficiente calor sin problemas. La acumulación y disipación de calor de la CPU son acumulativas; así que, si bien puede que un corto período de actividad máxima no active ninguna alarma térmica, una caga térmica sostenida puede ser un problema.
En el caso de las Raspberry Pi, el funcionamiento de las CPU se regula cuando está demasiado caliente, de modo que (idealmente) no dañe de manera permanente el hardware. Al mismo tiempo, esto significa que se priva del rendimiento al que tendría fácil acceso si contara con enfriamiento adicional.
Enfriamiento básico de la CPU: disipador de calor más ventilador
El método de enfriamiento más básico es utilizar un disipador de calor de manera directa en el procesador, mediante el uso de pasta térmica o cinta térmica (que colectivamente se denominan TIM o material de interfaz térmica). Un disipador de calor, que normalmente está fabricado de cobre o aluminio de alta conductividad térmica, esencialmente multiplica el área de superficie por la cual el calor puede escapar del procesador.
En una función de intercambiador de calor, el cobre ofrece mejor conductividad térmica (~400 W/m*k) que el aluminio (~200 W/m*k). Sin embargo, el cobre es más costoso que el aluminio y más pesado. Si bien no puede seleccionar de manera directa el material al comprar un intercambiador de calor, aún es algo que debe tener en cuenta.
Para mejorar aún más la disipación térmica, el uso de un ventilador de enfriamiento de CPU para soplar aire de manera activa sobre un disipador de calor puede mejorar en gran medida el rendimiento, ya que aire más frío circula de manera constante sobre las aletas. La desventaja en este caso es que los propios ventiladores necesitan energía, un controlador (a menos que funcionen constantemente) y emiten ruido. Los ventiladores también se pueden desgastar con el tiempo y esta constante circulación de aire puede introducir polvo dentro del sistema.
Enfriamiento mejorado de CPU: tubos térmicos y cámaras de vacío (más ventilador)
El siguiente avance desde un disipador de calor de metal sólido es utilizar tubos térmicos o una cámara de vacío. Ambos dispositivos utilizan un fluido térmico (a menudo simplemente agua) que se evapora cuando un procesador lo calienta, absorbiendo así el calor. En el caso de los tubos térmicos, el fluido evaporado transporta energía térmica a través de los tubos hasta una zona más fría. Luego se condensa (liberando energía térmica) y regresa al área más caliente de la CPU por una superficie absorbente por acción capilar.
Una cámara de vacío funciona mediante el uso del mismo ciclo de evaporación o condensación de los tubos térmicos. En lugar de adoptar la forma de un tubo largo (a menudo doblado), las cámaras de vacío suelen adoptar la forma de un cuadrado plano que se asienta directamente sobre un procesador. Dentro de la delgada cámara evacuada, el fluido se evapora y condensa, lo que propaga el calor de un área a otra. Un disipador de calor, ventilador o tubos térmicos se pueden utilizar en conjunto con una cámara de vacío para lograr una configuración de enfriamiento mejorada.
Estos métodos satisfacen la mayoría de las necesidades de enfriamiento de computadoras, pero quizás necesita algo incluso mejor. Existen métodos más extremos de enfriamiento de CPU en práctica hoy en día.
Enfriamiento extremo de CPU n.° 1: transporte de calor líquido y bombas de calor
El enfriamiento de CPU por agua funciona de manera similar que el sistema de enfriamiento de un vehículo de combustión interna: al circular un líquido refrigerante (agua) desde una unidad de procesamiento caliente hasta una unidad de enfriamiento radiativa externa. Como con la mayoría de las metodologías, este tipo de enfriamiento de CPU se puede combinar con otros métodos (p. ej., ventiladores, aletas) para aprovecharlo al máximo.
El enfriamiento por agua lo observamos en equipos para videojuegos de alta gama y PC personalizados. Si desea ser más extremo con el transporte de calor líquido, podría implementar una unidad de cambio de fase (es decir, una bomba de calor) que sea mecánicamente similar a un refrigerador. Esto mitigará de manera fácil el calor de prácticamente cualquier procesador, pero es tan poco usual para el enfriamiento de CPU que es más un prototipo costoso o una propuesta de demostración en el momento de redactar este artículo.
Enfriamiento extremo de CPU n.º 2: refrigeración por inmersión en líquidos
Otra opción es sumergir los aparatos electrónicos en un líquido refrigerante, normalmente aceite mineral. El aceite mineral puede absorber energía térmica para mantener los componentes fríos, aunque la eficacia con la que disipa el calor durante cargas de CPU más prolongadas depende de varios factores. No hay ventiladores que mantener, pero el aceite mineral al final se evapora o ensucia. Una tina de líquido listo para caer al suelo o para que lo absorban cables también puede ser problemático.
Si bien el enfriamiento directo por líquido puede ser impracticable para PC domiciliarios o servidores, es en realidad una idea muy antigua por estándares computacionales. La supercomputadora CRAY-2, la computadora más rápida del mundo cuando se lanzó en 1985, utilizó con éxito enfriamiento directo por líquido, lo que permitió que la unidad de procesamiento de gran potencia (para la época) encajara en un diámetro relativamente compacto de 135 cm. El líquido calentado por el procesador se transportaba a una unidad de enfriamiento “de cascada” externa, la que se dice tenía el apodo de “burbujas”.
Enfriamiento extremo de CPU n.° 3: ubicación a temperatura baja
Una solución más extrema: ¿por qué no cambia el procesador desde un ambiente geográfico caliente a uno más frío? A nivel de consumidor, esto rara vez tiene sentido (quizás aparte de mantener su servidor personal en un sótano frío), pero para una gran empresa, vale la pena considerarlo. Meta (entonces Facebook) abrió una granja de servidores cerca del Ártico en 2013 en Luleå, Suecia, a 112,6 km del Círculo Polar Ártico. Según se informa, consume casi un 40 % menos de energía que un centro de datos tradicional. Si bien los beneficios parecen significativos, diez años después no parece haber una fiebre informática en climas fríos, tal vez debido a los desafíos de infraestructura y conectividad. Para obtener más información sobre enfriamiento a nivel de centro de datos, lea este artículo.
Enfriamiento de procesadores: siempre es necesario (pero a menudo es de manera natural)
Al final del día, muchos procesadores funcionarán sin problemas sin un disipador de calor. Según se informa, a las personas se le han ocurrido soluciones creativas, como conectar un centavo a un dispositivo informático para obtener un poco de masa térmica adicional en caso de necesidad. Al mismo tiempo, hay muchos casos en los que no es posible obtener el rendimiento necesario sin preocuparse también por extraer calor. Se vienen a la mente los procesadores sobreacelerados.
Cualquiera sea su uso, no se olvide de las implicancias del calor. Existe una gran variedad de maneras de mantener los equipos fríos cuando es necesario, y puede ser útil retroceder a la etapa de diseño y considerar opciones diferentes.
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