Refroidissement du processeur. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique

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Les dispositifs de refroidissement des unités informatiques modernes sont des structures complexes qui comprennent un système d'échange de chaleur, un ventilateur de liquide de refroidissement, un dispositif de surveillance et de contrôle et un point de fixation à un objet refroidi. Les spécifications de ces systèmes ne sont généralement pas disponibles et l'utilisateur doit se fier à sa propre expérience. L'article porté à l'attention des lecteurs aidera à comprendre les subtilités de l'appareil et l'utilisation des dispositifs de refroidissement.

Comme vous le savez, Intel limite la température de fonctionnement de ses processeurs à +66...78 °С, AMD - à +85...90 °С. À +23 °С dans la pièce, la température de l'air à l'intérieur de l'unité centrale de l'ordinateur est supérieure de 10 à 15 °С et celle du processeur de 20 à 35 °С. En conséquence, la température du processeur peut atteindre +75 °C et par temps chaud (+35...40 °C) - +92 °C.

Il s'ensuit que les processeurs modernes à pleine charge nécessitent un refroidissement efficace, et tous les refroidisseurs (refroidisseur - refroidisseur) ne peuvent pas le fournir. Sans parler de ceux qui aiment extraire tout ce qu'ils peuvent de leur ordinateur. Pour eux, une glacière efficace est un must. Par conséquent, la question se pose souvent, quelle glacière choisir ?

Actuellement, de nombreux types de dispositifs de refroidissement sont produits dans le monde. Ce sont des refroidisseurs dans lesquels le liquide de refroidissement est de l'air, et des dispositifs de refroidissement à eau et thermoélectriques récemment apparus, et des refroidisseurs sur caloducs, et même des refroidisseurs aussi exotiques que les unités de réfrigération à compression de vapeur. Et les amateurs expérimentent même les gaz liquéfiés et la neige carbonique.

Au niveau actuel de production de chaleur, les refroidisseurs qui utilisent l'air comme liquide de refroidissement sont largement utilisés et font face avec succès à la tâche de refroidissement des composants informatiques. Selon le type d'échange de chaleur, ils sont divisés en appareils à convection naturelle et ventilation forcée. Les premiers sont utilisés dans les systèmes avec dégagement de chaleur jusqu'à 10 ... 15 W, les seconds - à des niveaux de dégagement de chaleur jusqu'à 100 W. Dans les refroidisseurs du deuxième groupe, la puissance thermique évacuée est proportionnelle à la surface du radiateur (ci-après, ce terme est utilisé, car il est bien établi dans la littérature informatique), la différence de température entre celui-ci et l'air de refroidissement , et la vitesse du flux d'air. Les plus courants sont les radiateurs à nervures, moins souvent ils utilisent des types de broches et de turbines plus complexes.

Les refroidisseurs de type turbine, du célèbre GoldenOrb aux modèles modernes, ont fait leurs preuves en raison de leur rendement élevé. Le GoldenOrb, qui est utilisé par l'auteur depuis trois ans déjà, malgré la surface assez petite des ailerons, ne s'est montré que du côté positif. Il a été choisi en raison de la propriété de cette conception de créer un flux d'air se propageant du processeur sur la carte mère, ce qui fournit un refroidissement supplémentaire pour les composants qui s'y trouvent. Quelle est la raison de son efficacité ? À la suite de l'analyse, il s'est avéré que pour les radiateurs de type turbine à ailettes à section constante, le canal d'air a une section transversale croissante le long du flux d'air, ce qui assure un débit constant et élevé d'air de chauffage dans celui-ci à faible puissance du ventilateur. De plus, la direction correcte des ailettes se tordant le long du flux d'air réduit sa résistance dynamique au gaz, la vitesse de l'air de refroidissement est plus élevée (jusqu'à 5 m/s) que dans les radiateurs à ailettes (jusqu'à 2 m/s). En conséquence, sa résistance thermique est proportionnelle à la résistance thermique d'un dissipateur thermique à ailettes avec une surface environ 2,5 fois plus grande. L'utilisation d'un refroidisseur en cuivre de ce modèle peut être recommandé pour une dissipation de chaleur jusqu'à 50 W. D'autres refroidisseurs de ce type, par exemple, avec un canal de section constante (nervures - forme trapézoïdale), ont un rendement inférieur.

Les refroidisseurs avec dissipateurs thermiques à aiguilles ont montré une efficacité élevée en raison de leur plus grande surface que les dissipateurs thermiques à ailettes de même taille.

Les refroidisseurs avec dissipateurs thermiques nervurés ont trouvé l'application la plus large. Ils sont faciles à calculer et peu coûteux à fabriquer. Considérons les principales dépendances qui décrivent les caractéristiques de tels dispositifs.

Tout d'abord, voici l'équation du bilan thermique :

où P est la puissance thermique évacuée par le radiateur ; c est la capacité calorifique spécifique de l'air; p - densité de l'air; V - vitesse de l'air dans le canal ; Scan - zone de section de canal ; ΔТ = Тр - Тс - température de chauffage de l'air dans le conduit; Tr - température du radiateur ; Тс est la température du milieu (air); a est le coefficient de transfert de chaleur du radiateur ; S est la surface.

La résistance thermique Rp (elle est numériquement égale à la température de surchauffe du radiateur pour 1 W de puissance d'entrée, °С/W) caractérise la chute de température dans le circuit série de tous les éléments du flux de chaleur, et dans ce cas, la résistance thermique du radiateur-processeur :

où Рр est la puissance fournie au radiateur et dissipée par celui-ci, W; ΔT est la différence de température sur la surface de contact.

Connaissant la résistance thermique de chaque liaison du circuit thermique, nous pouvons estimer la répartition de la température le long de celle-ci, du dissipateur thermique à la puce du processeur :

où Tr est la température du radiateur ; Tc - température cristalline; Rproc - puissance dissipée par le processeur ; RK_K - boîtier de processeur à cristal à résistance thermique ; RK - résistance thermique du boîtier-radiateur du processeur; Rp - résistance thermique radiateur-environnement.

La résistance thermique de la surface de contact lors de l'utilisation d'une pâte thermoconductrice entre deux éléments sur le trajet du flux de chaleur peut être estimée par la formule empirique :

où Sn est l'aire de la surface de contact.

La surface de contact des processeurs existants est d'environ 2 à 15 cm2, la résistance thermique RK est de 1 à 0,15 °C/W, l'utilisation de pâte thermoconductrice la réduit à 0,5...0,07 °C/W.

Lors de l'utilisation d'adhésifs non chargés, il est possible d'atteindre des valeurs RK qui sont au mieux en rapport avec la valeur correspondant aux surfaces de contact sèches, les adhésifs chargés permettent d'atteindre des valeurs RK proches de celles obtenues avec l'utilisation de pâte thermoconductrice. Le fait est que la pâte thermoconductrice non séchante se répand sous la pression du mécanisme de fixation, et nous obtenons sa couche d'épaisseur minimale, et les adhésifs, durcissant rapidement, retiennent l'espace qui s'est formé lors de l'installation initiale, et il détermine en grande partie la résistance thermique. Le principal inconvénient d'une telle liaison est sa rigidité : lorsqu'elle est chauffée, les déformations du radiateur sont transférées sous forme de contraintes mécaniques au boîtier du processeur, les conséquences peuvent être tristes.

Bien sûr, le processus de calcul du régime thermique d'une paire processeur-refroidisseur est beaucoup plus compliqué, mais les formules ci-dessus suffisent à comprendre les processus qui se déroulent dans le système. Et pour effectuer des calculs d'évaluation, vous pouvez vous référer à la littérature spécialisée (voir, par exemple, le Manuel du concepteur de REE, édité par R. G. Varlamov. - M.: Radio soviétique, 1980).

Il existe deux types de refroidisseurs de liquide, la gravité et le pompage forcé. Les premiers, malgré l'utilisation d'un fluide caloporteur (eau) à capacité calorifique supérieure à l'air, présentent des caractéristiques à la hauteur de celles des meilleurs aéroréfrigérants, bien inférieures aux attentes. Cela s'explique par le faible débit du liquide de refroidissement et la différence de température nécessaire pour créer une perte de charge dans l'unité d'évacuation de la chaleur du processeur et de l'échangeur de chaleur. Lorsque le pompage forcé est utilisé, l'évacuation de la chaleur est plus efficace et la température du processeur est inférieure de 10 à 15 °C à celle du cas précédent. Mais si la qualité du raccordement des tubes ne peut être assurée que par la précision, alors en présence de surpression dans les tubes de raccordement, les problèmes d'étanchéité sont plus difficiles à résoudre. Il ne faut pas oublier que l'eau a un coefficient de dilatation volumétrique élevé, il faut donc un récipient supplémentaire, situé au-dessus du nœud le plus haut du système. Selon les règles, ce conteneur doit avoir un dispositif qui égalise la pression de l'air ambiant et dans le système de refroidissement. Dans le cas le plus simple, il s'agit d'un trou qui le met en communication avec l'environnement extérieur. En conséquence, la vapeur d'eau entrera toujours dans le volume de l'unité centrale. L'utilisation de dispositifs d'équilibrage de pression scellés réduit la fiabilité de la conception.

Il existe également des difficultés sur lesquelles les fabricants n'écrivent pas, mais auxquelles tous ceux qui ont travaillé avec des systèmes de refroidissement par eau d'équipements électroniques ont été confrontés. Ce sont des micro-organismes. Pour empêcher leur croissance dans des conditions aussi confortables, il est nécessaire de prendre des mesures spéciales et de rincer le système au moins une fois par an.

L'utilisation de refroidisseurs de liquide est efficace à des puissances supérieures à 1000 watts. Ils ne sont pas recommandés pour le refroidissement des processeurs en raison de la faible puissance de sortie et de la complexité de fonctionnement.

Un autre type de refroidisseurs sont des dispositifs utilisant des éléments thermoélectriques Peltier. Un exemple est le refroidisseur refroidi par air MCX462+T de SwiftTech pour des charges thermiques jusqu'à 100W. Le produit est destiné à être utilisé dans des systèmes où le refroidissement par liquide est inacceptable. Les 127 thermoéléments de ce refroidisseur sont alimentés par l'alimentation Meanwell S320-12 recommandée par la société avec une tension de sortie de 15,2 V et un courant de charge de 24 A. L'appareil fournit une capacité de refroidissement maximale de 226 W et une différence de température de plus de 67°C. Son prix sans ventilateur est d'environ 90 $ et le prix d'un ensemble complet est de 130 à 170 $.

En fait, l'élément Peltier est une pompe à chaleur. Il assure le transfert de chaleur du processeur au dissipateur thermique, en y dépensant de l'énergie et en ajoutant sa propre chaleur à la chaleur générée par le processeur, qui, avec une efficacité d'environ 50%, est proportionnelle à la sortie, ce qui augmente la dissipation de chaleur dans l'unité système.

Il est également nécessaire de prévoir un contrôle "intelligent" de la thermopile, en fonction de l'échauffement du processeur, pour éviter une baisse excessive de sa température et, par conséquent, une condensation d'humidité sur celle-ci. Le réglage de la capacité de refroidissement des éléments thermiques vous permet de surveiller de manière flexible la dissipation thermique du processeur et d'optimiser la consommation d'énergie.

Les avantages des refroidisseurs à base d'éléments Peltier incluent leur capacité à abaisser la température de fonctionnement du processeur de 67 ° C, les inconvénients sont une consommation électrique élevée (jusqu'à 100 W) et une dissipation thermique, une complexité de conception et l'absence de cartes mères équipées d'automatique appareils de controle. Sans contrôle de la température du processeur, celui-ci et la carte mère peuvent tomber en panne. Ce type de refroidisseurs, lorsqu'ils fonctionnent avec un dispositif de contrôle, peuvent être recommandés pour des expériences avec des microprocesseurs "overclockés".

Je voudrais vous mettre en garde contre l'installation d'un tel refroidisseur vous-même : dans le "meilleur" des cas, vous perdrez le processeur, et dans le pire des cas, la carte mère également. Le fait est que pour un refroidissement efficace, il est nécessaire de faire correspondre deux paires de surfaces (processeur-thermoélément et thermoélément-radiateur) avec une résistance thermique minimale à une force de compression strictement spécifiée. Avec une haute qualité, cela ne peut être fait que par un spécialiste qui possède une vaste expérience de travail avec de tels appareils. En cas de panne, l'utilisation d'un tel refroidisseur n'apportera que des problèmes supplémentaires.

Pour évaluer les caractéristiques thermiques d'un refroidisseur d'air standard avec un dissipateur à ailettes et son efficacité, en fonction du matériau du dissipateur (alliage d'aluminium, cuivre), un calcul a été effectué en mettant l'accent sur le refroidisseur du processeur P4 conformément à la méthodologie décrite dans le manuel de référence mentionné ci-dessus.

Données initiales: radiateur à nervures avec une surface soufflée de 1560 cm2, surface - rugueuse, noircie, fixation - standard; dissipation de puissance - 80 W, température de l'air - +40 °С, vitesse de soufflage - environ 1 m/s. Les résultats des calculs sont illustrés par le tableau et les graphiques présentés sur la figure. Les désignations suivantes sont acceptées dans le tableau: ΔTr_cr - différence de température à la jonction radiateur-cristal (valeur inférieure - lors de l'utilisation d'une pâte thermoconductrice, plus grande - sans elle); Тcr - température cristalline dans les mêmes cas; Рras - puissance totale dissipée par le radiateur; Rras. izl. noir - puissance dissipée par rayonnement par un radiateur noirci.

Comme on peut le voir sur la figure, un radiateur en alliage d'aluminium (AI) fournit (ceteris paribus) environ 77 W de puissance calorifique à une température de radiateur de +52 ° C, et le cuivre (Cu) - près de 80 W à une température de radiateur de environ +34,5, 1,5 °C. Autrement dit, dans le cas considéré, à puissance thermique identique, la température du radiateur en cuivre est 1 fois inférieure. Cela permet de recommander l'utilisation de dissipateurs thermiques en cuivre dans les refroidisseurs pour refroidir les processeurs puissants. Ils font face avec succès à la tâche (avec une épaisseur d'ailette de plus de XNUMX mm), sans les inconvénients de l'eau et des appareils thermoélectriques. Le tableau permet d'estimer la température du cristal pour ces points.

Le radiateur calculé a une résistance thermique de contact RK = 0,2 °С/W avec pâte thermoconductrice et 0,4 °С/W sans elle. La résistance thermique d'un radiateur en alliage d'aluminium est de 0,67 °C/W, de cuivre - 0,45 °C/W (dans les deux cas à puissance nominale)

En analysant l'équation du bilan thermique (1) et sur la base de l'expérience d'exploitation des systèmes de refroidissement, nous pouvons recommander :

• utiliser un ventilateur soufflant dans l'unité centrale. L'utilisation d'un échappement fait baisser la pression dans le bloc et nuit au refroidissement de tous ses nœuds ;
• les nœuds et les câbles doivent être placés dans l'unité centrale de manière à fournir des espaces libres pour le passage des flux d'air de refroidissement vers les nœuds générateurs de chaleur et plus loin à l'extérieur de l'unité centrale ;
• choisissez un refroidisseur avec la zone optimale des canaux de radiateur. Il doit être proportionnel à la surface de passage du ventilateur soufflant, dans ce cas le débit d'air sera uniforme et le ventilateur assurera un soufflage sans consommation d'énergie excessive. Le dépôt de poussière sur le ventilateur et dans les canaux du radiateur indique une surpression ou un flux d'air instable à l'endroit de son accumulation, il est donc nécessaire de rationaliser son flux. Il est vain d'augmenter la vitesse de l'air, car dans cette section, elle n'est déterminée que par la chute de pression le long du trajet d'écoulement. Et la pression créée par les ventilateurs axiaux ne dépasse pas 2 ... 5 mm de colonne d'eau et n'augmente pratiquement pas avec une augmentation de la puissance de son moteur électrique;
• utiliser des ventilateurs à pales multiples (sept ou plus) ;
• abaissez la température dans l'unité centrale, en la plaçant le plus loin possible des sources de chaleur (plus la température de l'air sur le site d'installation de l'unité est basse, plus elle est basse à l'intérieur et plus le processeur est froid);
• choisissez un radiateur avec la hauteur et l'épaisseur optimales des ailettes. En raison de la résistance thermique élevée, la température des ailettes très fines est bien inférieure à la température de la base, de sorte que l'efficacité du refroidissement diminue malgré leur grande surface. Avec une épaisseur d'ailette d'environ 1 mm, il faut privilégier un radiateur en cuivre, car il est plus efficace ;
• utiliser des radiateurs à ailettes dont la forme de la section assure une évacuation de la chaleur quasi uniforme sur toute la surface de l'ailette. Tels sont, par exemple, les dissipateurs thermiques des refroidisseurs Spire 9T207B1H3G de Fanner Tech. En coupe transversale, leurs côtes sont un trapèze avec un rapport de base de 2: 1 (1,2 et 0,6 mm). La température à la surface d'une telle ailette est plus uniforme, ce qui augmente son efficacité par rapport à une ailette rectangulaire ;
• et enfin (c'est pour les développeurs et les fabricants) d'inclure la résistance thermique dans la liste des caractéristiques du refroidisseur en tant que paramètre obligatoire.

Et une recommandation générale, qui n'a pu être discutée en raison de son écueil, mais la pratique montre que tous les professionnels n'y adhèrent pas. Appliquez correctement de la pâte thermique, cela facilitera le fonctionnement du processeur. Lors du retrait du refroidisseur, une fine couche de pâte presque transparente doit être visible sur toute la surface de contact. J'ai dû à plusieurs reprises ne voir qu'une gifle au centre. Une telle utilisation de la pâte ne fait qu'aggraver les conditions de refroidissement.

Résumons. Pour comprendre comment la puissance thermique est retirée du processeur, vous devez connaître certaines dispositions et dépendances :

1. La consommation électrique est toujours supérieure à la puissance thermique générée par le processeur.
2. La puissance thermique dissipée par le processeur évolue au cours de son fonctionnement et dépend de sa charge, il a donc des composantes statiques et dynamiques. Le premier d'entre eux est la puissance dissipée par le processeur en mode veille, ne dépend que du modèle de processeur (sa structure interne) et n'est pas égale à zéro pour les processeurs AMD et Intel modernes. La seconde change au cours du fonctionnement du processeur, ne dépend que de sa charge et est la différence entre la puissance thermique totale et sa partie statique.
3. Une partie de la puissance thermique générée par le processeur est dissipée par le dispositif de refroidissement par rayonnement.
4. L'efficacité de tout refroidisseur se caractérise par sa résistance thermique.

Auteur: A.Sorokin, Raduzhny, région de Vladimir

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