Refrigeración en sistemas de juegos: PC y consolas

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Refrigeración en sistemas de juegos: PC y consolas

Notapor nikolas » 21 Dic 2016, 10:36

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Un saludo Truegamers

En el siguiente artículo abordaremos un aspecto fundamental en los sistemas de juegos actuales como consolas y PC, como es la disipación del calor.
Se explica porque algunas consolas (en este caso PS4) necesita un mayor nivel de ruido para disipar el calor que otras máquinas, y como las decisiones de diseño han afectado a esto, también estudiaremos los sistemas de refrigeración líquida, cada vez más utilizada en el mundo de PC de altas prestaciones.
Para ello hablaremos primero de la física que hay detrás de un sistema de refrigeración, vital para comprender por qué los componentes mecánicos y electrónicos en un sistema de disipación funcionan, y desarrollaremos esta teoría sobre las consolas actuales (Xbox y PS4)

Generación del calor

A la hora de hablar de un sistema de disipación térmica tendremos que hablar de 4 grandes medios de transferencia del calor, o dicho de otra manera, cuatro maneras de “mover” el calor desde un chip hacia el exterior:
1. Transferencia por flujo forzado (un ventilador mueve el aire)
2. Transferencia por flujo natural (no hay ventilador o es irrelevante a nivel térmico)
3. Sistemas mixtos por aire
4. Sistemas con agua o refrigerante liquido

En primer lugar explicaremos que produce el calor dentro de un sistema electrónico, el motivo es bien conocido; el paso de corriente por un cable eléctrico, produce un calentamiento del mismo, lo que se conoce como efecto Joule, que depende entre otras cosas de la resistencia eléctrica que ofrece el propio cable, esta es la razón por las que las revisiones con un menor metraje, genera un menor cantidad de calor (menos cobre equivale a menos resistencia eléctrica)

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Una vez comprendido por que se genera calor dentro de un chip, se pasa a explicar cómo posibilitar el movimiento del mismo:

1. Convención en flujo forzado

En este tipo de sistemas, tendremos una corriente de aire, movida por un ventilador que obliga al aire a moverse a través de un radiador o sistema de aletas.
Revisamos en primer lugar las ecuaciones que determinan la transferencia en este tipo de sistemas, ya que esto es fundamental para entender por el funcionamiento de estos sistemas, la característica básica viene determinada por la expresión de Reynolds donde v es la velocidad a la que se mueve el aire a través del sistema de disipación:


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Cuando mayor sea este número, mayor será la capacidad de extracción del sistema de refrigeración; la viscosidad del aire es un valor constante y el diámetro es una medida que viene determinado por el tamaño el disipador, de esta manera si queremos aumentar la transferencia de calor la única solución posible es aumentar la velocidad del fluido (V) que lo atraviesa, o dicho de otra manera, que el ventilador gire a mayores revoluciones, lo que aumenta el ruido y las vibraciones de todo el sistema.

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Para un sistema de convección forzado, necesito grandes superficies de contacto (cuanto más mejor) y sobre todo altas velocidades del fluido (aire o agua)

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Disipador o heatsink de convección forzada


Los disipadores de convección forzada son ampliamente utilizados en la industria, sus ventajas son la facilidad de diseño, control electrónico, alta sensibilidad a picos de calor y poder ser utilizados en sistemas de espacio reducido.
Por otro lado cuenta con importantes inconveniente como son la perdida de eficiencia con el uso (debido a suciedad y degradación de los elementos mecánicos) y sobre todo una pérdida de rendimiento a medida que la temperatura del chip aumenta, debido a que el aire que lo rodea se precalienta, lo que impide la trasferencia de calor, forzado al sistema a trabajar a muy altas revoluciones, lo que produce ruido y vibraciones considerables.

A continuación se detalla la curva característica de un sistema de refrigeración ideal por convección forzada:
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El sonido (DBs) se va haciendo mayor según aumenta la potencia térmica, provocando grandes picos en su zona final, debido a la pérdida de eficacia del disipador.

2. Convección en flujo natural

En los sistemas de ventilación natural se usa ningún medio mecánico que mueva el aire, dicho de otra manera; no existe ningún tipo de ventilador que mueva el flujo de aire, con lo que tanto los ruidos como las vibraciones son totalmente nulas, a diferencia de los sistemas de ventilación forzada la transferencia de calor esta determina por el número de Raleigh

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En este caso observamos que la transferencia de calor ya no depende de la velocidad con la que se mueve el fluido, si no de la diferencia de temperatura entre el disipador y el exterior, pero sobre todo del área del propio disipador (L), es decir manera si queremos aumentar la transferencia de calor la única solución posible es aumentar el área del propio disipador.

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Los disipadores de convección natural son utilizados en la industria sobre todo para sistemas de baja-media potencia, aunque está en investigación su uso en sistemas de alta potencia térmica (incluso en centrales nucleares) su ventajas son la fiabilidad a largo plazo (la transferencia apenas se ve afectada por la fatiga de los materiales, y no utiliza ningún elemento mecánico que pueda fallar) y sobre todo una mejora de rendimiento a medida que la temperatura del chip aumenta.
En contrapartida, posee grandes inconvenientes, como necesitar grandes áreas para funcionar y no ser controlable eléctricamente, lo que la hace muy poco sensible a picos de temperatura.

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Disipador o heatsink de convección natural montado en una placa de PC


3. Sistemas Mixtos

Es posible diseñar un sistema de disipación que combine tanto la ventilación natural como la convección forzada, es decir que el sistema evacue calor tanto por el flujo forzado del ventilador, como por la convección natural del flujo hacia arriba, este tipo de disipadores tienen un funcionamiento más silencioso, mayor y más estable rendimiento y unas menores vibraciones.
Sin embargo, este tipo de disipadores requieren de un diseño bastante más complejo a nivel de diseño, ya que hay que conseguir grandes velocidades del flujo del aire en sistemas con grandes superficies, y abiertas en su zona superior.
Normalmente, es necesario definir rangos de funcionamiento donde el disipador funciona como prácticamente de flujo natural (en temperaturas bajas), una zona mixta (temperaturas medias) y donde el disipador es prácticamente de flujo forzado (altas temperaturas) y basar en esto los parámetros geométricos de diseño.
Revisando el diseño de las consolas actuales, es sencillo determinar qué tipo de disipador montan:

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En el primer caso vemos el disipador de ps4, que bloquea el flujo natural del calor, dejando todo el trabajo de disipación a la convección forzada (flecha azul en dirección horizontal)
En el segundo caso tenemos el disipador de Xbox, de mayor tamaño para favorecer el flujo natural de aire (flecha verde) y diseñado para disipar calor tanto por flujo natural, como por flujo forzado (flechas azules en dirección horizontal, verde y azul en dirección vertical)
En la práctica esto significa que Xbox One dispone de un sistema de disipación que puede evacuar el calor de una manera más eficaz, uniforme y con menor cantidad de ruido, tanto en su funcionamiento normal como en los picos de temperatura.
En consecuencia, obtenemos las siguientes curvas de Sonido VS Potencia en estas consolas siendo la línea azul la correspondiente a PS4 (convección únicamente forzada) y la verde a XBOX (convección mixta)

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Al igual que en el caso de convección forzada, el sonido (DBs) se va haciendo mayor según aumenta la potencia térmica, provocando grandes picos en su zona final, debido a la pérdida de eficacia del disipador, en el caso de la convección mixta, estos picos son menos pronunciados debido a la convección natural, y hay una zona de silencio hasta los 80 W, debido a que la convección forzada no es necesaria, el ventilador está parado o girando a bajísimas revoluciones.

4. Refrigeración por cambio de fase

Dentro de los sistemas de refrigeración por cambio de fase tenemos de nuevo que el fluido utilizado (normalmente agua o refrigerante industrial) puede ser movido por distintos métodos:
1. Movimiento natural por cambio de fase dentro de un tubo de calor o heat pipe*
2. Forzado por una bomba sin cambio de fase
2.1 Tubos de calor o heat pipes
En el bloque anterior explicamos como un disipador es capaz de eliminar el calor que me llega al mismo, mediante un flujo de aire, que como ya se detalló pueden funcionar mediante un sistema de flujo natural o de flujo forzado. En este apartado se desarrollara como llevar esa potencia térmica desde el chip (CPU, GPU o APU) hasta el propio disipador, para esto se utilizan los heat pipes:

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Un heat pipe es un tubo cerrado en donde un líquido refrigerante se calienta en la base, en contacto con el chip, se evapora, sube por una tubería hasta el disipador, donde se enfría, se condensa y baja como líquido a la base nuevamente, repitiendo el ciclo de manera continua.
El transporte de calor que se logra mediante el uso de heatpipes es muy superior al que se podría alcanzar transportando ese mismo calor a través de un material sólido; Independiente del material que se usara, la transferencia de calor producida en un cambio de fase (líquido a gas o viceversa) es de magnitud 100/1 sobre la que se puede conseguir al mover el calor a través de un material sólido, incluso en sistemas de muy buena conducción térmica como el cobre, de la que se fabrican la totalidad de los Heat Pipes.

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Las tablas de entalpia definen la capacidad del ciclo de refrigeración



Como curiosidad cabe destacar que todos los sistemas térmicos de enfriamiento (neveras, aires acondicionados, etc.) son posibles gracias a esta propiedad de los fluidos al cambiar de fase, si no su eficiencia sería tan baja, que sería muy complicado su uso habitual, igualmente las centrales de generación de energía (carbón, nucleares, solares) necesitan esta peculiaridad de los fluidos para poder funcionar.
En resumen, si no fuera necesaria una gran cantidad de calor para evaporar un fluido, probablemente el uso generalizado de la electricidad seria extremadamente complejo.

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4.2 refrigeración por líquido.

En este caso la principal diferencia consiste en que el fluido de trabajo utilizado es agua o un refrigerante industrial cuya capacidad de absorción de calor es de una magnitud 40 veces superior al del aire, lo que mejora radicalmente la eficiencia del sistema de disipación térmica, por otro lado el fluido en vez de ser impulsado por un ventilador, es impulsado por un bomba, dentro de un circuito hidráulico cerrado.

Si hablamos de tipos de refrigeración líquida dos encontramos de nuevo con la natural y la forzada:
La refrigeración por líquido y movimiento natural es físicamente posible, ya que al igual que el aire, el agua cambia su densidad al ser calentada, lo que provoca un movimiento del fluido, pero debido a su dificultad de control electrónico y a su baja capacidad de respuesta a picos de temperatura, su uso industrial es muy limitado.
El segundo modelo, utiliza una bomba hidráulica mover el fluido dentro del circuito hidráulico, El resultado con la refrigeración líquida activa es más eficiente que el de la pasiva, así como más fácil de controlar y mucho más sensible a picos de temperatura pero también tiende a unos niveles de ruido superiores, debido al uso de un bomba.
Al igual que ocurría con los sistemas de ventilación de aire forzados, la velocidad de la bomba será ajustada en función de la potencia térmica, lo que determinara el nivel de ruido y vibraciones.

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Sistema hidráulico de disipación liquida


Por último, se muestran las tablas de ruido-potencia de todos los sistemas ya explicados:

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Un saludo de parte del equipo de TG.
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Re: Refrigeración en sistemas de juegos: PC y consolas

Notapor BiG Porras » 21 Dic 2016, 13:32

Maaaaantaaaa!!!! :facepalm:

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Nah, es broma. Pedazo de articulo compañero. ;)
...Siempre BiG!
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Re: Refrigeración en sistemas de juegos: PC y consolas

Notapor Sumotai » 21 Dic 2016, 13:53

Wow, esta de muerte. Informarse y aprender, muy enriquecedor, de diez!!
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Re: Refrigeración en sistemas de juegos: PC y consolas

Notapor FLASHBACKMAN » 21 Dic 2016, 20:35

Entonces la electromigración nuclear (de núcleo) puede crear degeneraciones físicas a nivel molecular en lo que viene siendo un integrado electrónico "no mecánico" por lo que entiendo...

¿verdad?
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Re: Refrigeración en sistemas de juegos: PC y consolas

Notapor BiG Porras » 21 Dic 2016, 20:56

Logicamete. Es lo que tiene querer jugar a esos niveles..
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Re: Refrigeración en sistemas de juegos: PC y consolas

Notapor pacoaramar » 21 Dic 2016, 22:57

Gran artículo Nikolas.

Se aprende un montón.
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Re: Refrigeración en sistemas de juegos: PC y consolas

Notapor nikolas » 22 Dic 2016, 01:58

FLASHBACKMAN escribió:Entonces la electromigración nuclear (de núcleo) puede crear degeneraciones físicas a nivel molecular en lo que viene siendo un integrado electrónico "no mecánico" por lo que entiendo...

¿verdad?


Si quieres estudiar propiedades mecanicas, se puede estudiar a "lo bestia" con los teoremas de Goodman y otros, si lo que quieres es observar sus propiedades físicas a nivel molecular, habría que estudiar la histeresis que está sufriendo el material, pero si, siempre ocurre salvo que consigas un superconductor ideal que expela el campo magnético y tenga resistividad cero, y no existen.

Cada paso de tension fatiga el material, lo que cambia es el tiempo de vida, que depende enormemente de la temperatura.
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Re: Refrigeración en sistemas de juegos: PC y consolas

Notapor FLASHBACKMAN » 22 Dic 2016, 13:21

nikolas escribió:
FLASHBACKMAN escribió:Entonces la electromigración nuclear (de núcleo) puede crear degeneraciones físicas a nivel molecular en lo que viene siendo un integrado electrónico "no mecánico" por lo que entiendo...

¿verdad?


Si quieres estudiar propiedades mecanicas, se puede estudiar a "lo bestia" con los teoremas de Goodman y otros, si lo que quieres es observar sus propiedades físicas a nivel molecular, habría que estudiar la histeresis que está sufriendo el material, pero si, siempre ocurre salvo que consigas un superconductor ideal que expela el campo magnético y tenga resistividad cero, y no existen.

Cada paso de tension fatiga el material, lo que cambia es el tiempo de vida, que depende enormemente de la temperatura.



Entonces por lo que entiendo según las propiedades básicas de la electromigración si tiendes a alterar las frecuencias de las vías de comunicación se aumenta la resistencia molecular y por defecto aumenta el desgaste.

Más calor provoca una alteracón en la resistencia térmica de los materiales
Más tensión por conductividad más agresiva, provoca una torsión o en su defecto una rotura física


Así que es más factible que un producto sobretensionado, subido de herzios o mal disipado, tenga mucha más facilidad de que las pistas electrónicas pierdan su unión.


¿Hablamos de algo así como de una obsolescencia programada a nivel técnico?, ¿productos diseñados para que se rompan después de la vida útil de la garantía?

¿Habría que ir pensando en comprar productos de resistencia militar?
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Re: Refrigeración en sistemas de juegos: PC y consolas

Notapor nikolas » 22 Dic 2016, 15:00

FLASHBACKMAN escribió:
nikolas escribió:
FLASHBACKMAN escribió:Entonces la electromigración nuclear (de núcleo) puede crear degeneraciones físicas a nivel molecular en lo que viene siendo un integrado electrónico "no mecánico" por lo que entiendo...

¿verdad?


Si quieres estudiar propiedades mecanicas, se puede estudiar a "lo bestia" con los teoremas de Goodman y otros, si lo que quieres es observar sus propiedades físicas a nivel molecular, habría que estudiar la histeresis que está sufriendo el material, pero si, siempre ocurre salvo que consigas un superconductor ideal que expela el campo magnético y tenga resistividad cero, y no existen.

Cada paso de tension fatiga el material, lo que cambia es el tiempo de vida, que depende enormemente de la temperatura.



Entonces por lo que entiendo según las propiedades básicas de la electromigración si tiendes a alterar las frecuencias de las vías de comunicación se aumenta la resistencia molecular y por defecto aumenta el desgaste.

Más calor provoca una alteracón en la resistencia térmica de los materiales
Más tensión por conductividad más agresiva, provoca una torsión o en su defecto una rotura física


Así que es más factible que un producto sobretensionado, subido de herzios o mal disipado, tenga mucha más facilidad de que las pistas electrónicas pierdan su unión.


¿Hablamos de algo así como de una obsolescencia programada a nivel técnico?, ¿productos diseñados para que se rompan después de la vida útil de la garantía?

¿Habría que ir pensando en comprar productos de resistencia militar?


La resistencia molecular no cambia, lo que ocurre es que material empieza a tener dislocaciones a nivel micro , y el movimiento de los electrones es cada vez más complicado (el "camino" es más largo), eso aumenta la tensión, la temperatura, y eso aumenta la facilidad para las dislocaciones; A nivel de una gran pieza provoca rotura por fatiga, y en niveles de electrónica, desaparece la pista.

Esto empieza a ocurrir cuando pasas de un determinado parámetro crítico, en una viga o eje sería una tensión mecanica, y un cable es una determinada intensidad.

Cuando se diseña cualquier producto se toma la decisión de llegar a ese umbral y que el modelo dure "x" ciclos o no llegar y que el modelo tenga lo que se llama vida infinita, dependiendo que lo te quieras gastar o la aplicación que vaya a tener.

Por poner un ejemplo más "visual" en 1998 hubo un gran descarrilamiento de un tren de pasajeros debido a que una rueda se rompió en plena marcha; los ingenieros habían estudiado la rueda para que soportara el peso y las vibraciones de la frenada, pero se olvidaron de la fatiga térmica, lo que provocó el fallo catastrófico de la pieza. Era una pieza que soportaba "x" ciclos donde debería haber una pieza de vida infinita.

En electrónica no es tan grave, sencillamente va cada vez peor hasta que una pista desaparece y falla completamente.
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Re: Refrigeración en sistemas de juegos: PC y consolas

Notapor FLASHBACKMAN » 22 Dic 2016, 15:24

Vale. Obsolescencia ingenieril. xD
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