Di Jeremy Cook
I computer hanno bisogno di energia elettrica per funzionare. A livello di CPU, gran parte di questa energia in ingresso viene trasformata in calore mentre il dispositivo macina dati convertiti in uno e zero. Pertanto, gli ingegneri devono considerare i problemi termici e il raffreddamento della CPU quando progettano un computer, per evitare di "cuocere" le apparecchiature se i carichi sono pesanti. Il concetto è semplice: estrarre più calore rispetto alla quantità di energia termica generata dal processore, tenendo conto dei picchi di utilizzo.
In questo articolo esamineremo i vari tipi di raffreddamento disponibili per una CPU, da quelli molto semplici (o inesistenti) a quelli estremi che vengono applicati raramente nella vita reale.
Nessun raffreddamento della CPU: una buona strategia (forse)
In molti casi con unità semplici, il raffreddamento della CPU non fa parte del progetto. Si consideri la serie di microcontroller ATTiny ad alta efficienza energetica. Il loro limitatissimo fabbisogno energetico fa sì che la piccola quantità di calore generato venga facilmente dissipata. In altri scenari, come nel caso dei computer a scheda singola (SBC) Raspberry Pi, l'accumulo di calore può rappresentare un problema più serio. Tuttavia, se il processore non sta eseguendo operazioni particolarmente intense, in genere è in grado di dissipare facilmente il calore. L'accumulo e la dissipazione termica della CPU sono cumulativi, quindi, se un breve picco di attività potrebbe non attivare alcun allarme termico, un carico termico prolungato può essere una complicazione.
Nel caso del Raspberry Pi, il funzionamento della CPU viene ridotto quando il dispositivo accumula troppo calore, in modo che l'hardware non venga danneggiato permanentemente (o così si spera). Purtroppo, questo meccanismo implica che si è costretti a rinunciare a prestazioni che sarebbero facilmente accessibili con un raffreddamento aggiuntivo.
Raffreddamento base della CPU: un dissipatore di calore e una ventola
Il metodo di raffreddamento più semplice consiste nell'applicare un dissipatore di calore direttamente al processore utilizzando della pasta termica o del nastro termico (collettivamente denominati TIM o materiale di interfaccia termica). Basilarmente, un dissipatore di calore, spesso realizzato in rame o alluminio ad elevata conduttività termica, moltiplica la superficie attraverso la quale il calore prodotto dal processore viene disperso.
Se parliamo di dissipatori, il rame offre una migliore conduttività termica (~400 W/m*k) rispetto all'alluminio (~200 W/m*k). Il rame, tuttavia, è più costoso dell'alluminio e più pesante. Quindi, sebbene si potrebbe non essere chiamati a selezionare direttamente il materiale del dissipatore al momento dell'acquisto, è comunque un elemento di cui essere consapevoli.
Per migliorare ulteriormente la dissipazione termica, è possibile utilizzare una ventola di raffreddamento della CPU che diriga attivamente l'aria sul dissipatore. In questo modo, si possono migliorare notevolmente le prestazioni della CPU, poiché sulle alette del dissipatore viene fatta circolare costantemente dell'aria più fresca. L'altra faccia della medaglia è che le ventole consumano energia, hanno bisogno di un controller (a meno che non funzionino costantemente) e producono rumore. Inoltre, le ventole possono usurarsi nel tempo e questa costante circolazione d'aria può introdurre polvere all'interno del sistema.
Raffreddamento migliorato della CPU: tubi di calore e camere a vuoto (più ventola)
Il passo successivo rispetto a un solido dissipatore di calore in metallo prevede l'utilizzo di tubi di calore e/o di una camera a vuoto. Entrambi i dispositivi utilizzano un fluido termico (spesso semplicemente acqua) che evapora quando riscaldato da un processore, assorbendo così il calore. Nel caso dei tubi di calore, il fluido evaporato trasporta l'energia termica attraverso i tubi in un'area più fresca. Quindi si condensa (rilasciando energia termica) e ritorna nell'area più calda della CPU attraverso una superficie traspirante tramite azione capillare.
Una camera a vuoto funziona utilizzando lo stesso ciclo di evaporazione/condensazione dei tubi di calore. Tuttavia, invece di assumere la forma di un lungo tubo (spesso piegato), le camere a vuoto sono generalmente degli elementi quadrati piatti collocati direttamente sopra il processore. All'interno della sottile camera a vuoto, il fluido evapora e si condensa, trasmettendo il calore da un'area all'altra. È possibile utilizzare un dissipatore di calore, una ventola e/o i tubi di calore insieme a una camera a vuoto per ottimizzare la configurazione di raffreddamento.
Questi metodi soddisfano la maggior parte delle esigenze di raffreddamento dei computer, ma in alcuni casi c'è bisogno di soluzioni più performanti. Oggi, di fatto, esistono altri tre metodi che consentono il massimo raffreddamento della CPU.
Raffreddamento massimo della CPU n. 1: raffreddamento a liquido con pompe di calore
Il raffreddamento a liquido della CPU funziona in modo simile al sistema di raffreddamento dei veicoli a combustione interna: fa circolare un fluido di raffreddamento (acqua) da un'unità di elaborazione calda a un'unità di raffreddamento radiativa esterna. Come con la maggior parte dei metodi, questo tipo di raffreddamento a liquido della CPU può essere combinato con altri sistemi (ad esempio ventole, alette) per ottimizzarne lo sfruttamento.
Il raffreddamento a liquido è presente nelle piattaforme di gioco di fascia alta e nei PC personalizzati. Se si vuole ottenere un risultato migliore con il raffreddamento a liquido, è possibile implementare un sistema a cambiamento di fase (ovvero una pompa di calore) che è meccanicamente simile a un frigorifero. Questo metodo ridurrà facilmente il calore di quasi tutti i processori, ma il suo utilizzo è così insolito per il raffreddamento delle CPU che è da considerarsi più un costoso prototipo e/o una proposta dimostrativa, al momento della stesura di questo articolo.
Raffreddamento massimo della CPU n. 2: raffreddamento a immersione in liquido
Un'altra opzione consiste nell'immergere i componenti elettronici in un fluido di raffreddamento, in genere olio minerale. L'olio minerale è in grado di assorbire l'energia termica per mantenere raffreddati i componenti, anche se la sua capacità di dissipare il calore in caso di carico prolungato della CPU dipende da diversi fattori. Non ci sono ventole a cui fare manutenzione, ma l'olio minerale prima o poi evapora e/o si sporca. Inoltre, un contenitore pieno di liquido pronto a esplodere o a fuoriuscire attraverso i cavi può risultare problematico.
Sebbene il raffreddamento diretto a liquido possa essere poco pratico per i PC domestici o i server, in realtà si tratta di un'idea datata per gli standard informatici. Il supercomputer CRAY-2, il computer più veloce al mondo quando fu lanciato nel 1985, utilizzava proprio il raffreddamento diretto a liquido, consentendo alla sua unità di elaborazione estremamente potente (per l'epoca) di essere alloggiata in un diametro relativamente compatto di "soli" 53 pollici (135 cm). Il liquido riscaldato dal processore veniva trasportato in un'unità di raffreddamento esterna a "cascata", che si guadagnò il soprannome di "bubbles" (bolle).
Raffreddamento massimo della CPU n. 3: ambiente a basse temperature
Un'altra soluzione estrema? Perché non spostare semplicemente il processore da un ambiente geografico caldo a uno più fresco? A livello consumer, questo metodo raramente ha senso (a parte forse nel caso in cui si desideri tenere il proprio server personale in un seminterrato freddo), ma per una grande azienda vale la pena prenderlo in considerazione. Nel 2013, Meta (allora Facebook) aprì una server farm a Luleå, in Svezia, a 70 miglia (112 km) dal circolo polare artico. Secondo quanto riferito, tale sito utilizza quasi il 40% di energia in meno rispetto a un data center tradizionale. Sebbene i benefici appaiano significativi, dieci anni dopo non sembra essersi verificata una corsa all'informatica nei climi freddi, forse a causa delle relative sfide infrastrutturali e di connettività. Per ulteriori informazioni sul raffreddamento dei server a livello di data center, non dimenticare di leggere questo articolo.
Raffreddamento del processore: è sempre necessario (ma spesso avviene in modo naturale)
In fin dei conti, molti processori saranno in grado di funzionare facilmente anche senza un dissipatore di calore. A quanto pare, molte persone hanno escogitato soluzioni creative, come attaccare una monetina in rame a un dispositivo informatico, per ottenere un po' di massa termica in più in caso di necessità. Allo stesso tempo, ci sono molti casi in cui non è possibile ottenere le prestazioni richieste senza preoccuparsi anche della dissipazione del calore. Come nel caso dei processori sottoposti a overclock.
Qualunque sia l'applicazione scelta, è bene non dimenticare mai le implicazioni termiche. Esistono molti modi per mantenere i componenti raffreddati quando necessario e può essere utile tornare al tavolo da disegno e considerare attentamente tutte le opzioni.
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