La importancia de una buena refrigeración para tus equipos

Chip IBM
Microprocesador POWER de IBM criogenizado en el Instituto de Georgia para conseguir 500 Ghz.
Creditos: ©2006 Gary W. Meek Photography, Inc.

La primavera y el verano llegan, y con ellas el calor. Ese calor significa que la temperatura ambiente contribuirá de forma especialmente negativa sobre nuestros sistemas electrónicos. Y ni te imaginas lo negativo que puede ser un sobrecalentamiento para la vida de nuestros dispositivos, e incluso para el rendimiento de los mismos.

Por eso lanzo este artículo para concienciarte de los peligros de la temperatura y también dar algunos consejos para prevenir problemas y hacer que nuestros sistemas electrónicos funcionen dentro del rango de límites térmicos que estipula el fabricante, además de evitar caidas de rendimiento debidas a los estragos de la temperatura en los portadores de carga del semiconductor, y otros problemas de controladores como el thermal throttling.

¿A qué afecta la temperatura?

Obleas de chips AMD sostenidas por dos operarios con trajes de conejo

Multitud de factores interfieren en la temperatura de un chip, desde el número de patillas o pines que tiene (aunque no lo creas), hasta la superficie del die o dado, el voltaje al que trabaja, los materiales empleados, las capas de interconexiones, cantidad de transistores, y la frecuencia. Y por lo general, las temperaturas aconsejadas por los fabricantes suele ser:

T. Normal T. Alta K.O.
CPU 35-65ºC 70ºC 95ºC
GPU 35-65ºC 70ºC 95ºC
Disco duro 20-45ºC 50ºC 90ºC
RAM 30-60ºC 60ºC 85ºC
Chipset 30-50ºC 65ºC 90ºC

Aunque no entraré en este tipo de cuestiones, sí que me gustaría analizar al menos los 4 problemas causados por la temperatura más destacables:

  1. Sobrecalentamiento: puede ser leve, produciendo reinicios inesperados del sistema, o más severo quemando literalmente el chip, en cuyo caso los daños serán irreversibles si el núcleo se fusiona.
  2. Portadores de carga: sí que es reversible, tan solo hay que bajar la temperatura para que los portadors de carga de los semiconductores tipo P y N se “muevan” con normalidad al ritmo que lo hacen normalmente. Es cierto que a temperaturas más bajas se puede reducir la cantidad de portadores, y que aumentando levemente la temperatura se aumentan estas cargas, pero a temperaturas muy elevadas, igual que a las bajas, los semiconductores se vuelven lentos, afectando notablemente al  rendimiento.
  3. Electromigración: la frecuencia elevada y la temperatura causan estragos en las interconexiones metálicas del chip, deteriorando las pistas conductoras y llegando a causar cortocircuitos entre dos pistas cercanas o circuitos abiertos. Y la mala noticia es que tampoco son problemas reversibles, teniendo que sustituir el CI.
  4. Thermal Throttiling: es una bajada repentina de la frecuencia a la que trabaja un microprocesador. Se debe a que los controladores dinámicos de la frecuencia actúan en función de la temperatura detectada por los sensores y de la carga de trabajo del sistema. Si detectan temperaturas elevadas, los controladores que se implementan en tecnologías como Cool’n’Quiet de AMD o SpeedStep de Intel, entre otras, se activa y reducen la frecuencia de reloj a la que trabajan para reducir la temperatura y evitar problemas de rendimiento. Eso está bien cuando no estamos haciendo uso del sistema de forma intensiva, pero cuando las bajadas las realiza el controlador dinámico debido a una mala refrigeración, se nos está privando de un rendimiento por una causa que podríamos evitar…

¿Cómo podemos evitar el sobrecalentamiento?

Echando nitrógeno líquido sobre el microprocesador al que le han hecho overclocking

Existen varias cosas que podemos hacer para reducir la temperatura de nuestro equipo. No me dentendré a explicarlas una a una, porquecada una de ellas daría para un artículo. Pero debes saber que si tu equipo está acusado de temperaturas altas podrías:

  1. Undervolting: el undervolting es una práctica que consiste en reducir el voltaje al que trabaja el microprocesador, por tanto reduciendo en cierto modo la temperatura, ya sabes que la potencia depende del voltaje y la intensidad…
  2. Underclocking: es el proceso contrario al overclocking y pocos lo hacen, pero podría ser, junto al undervolting, una buena práctica para reducir la temperatura y el consumo de nuestro equipo, sobre todo si es un portátil cuyo diseñador no ha pensdo bien la refrigeración (como los problemas de los Sony Vaio). El inconveniente obvio es que el rendimiento también caerá, por tanto no es apto para los que necesiten rendimientos elevados, como los gamers, diseñadores, etc.
  3. Lapping y delidding: prácticas muy poco recomendadas. El delid que consiste en quitar el IHS del microprocesador para dejar el die desnudo y mejorar el rendimiento de un sistma de refrigreración líquida. Suele ser común en entusiastas del overclocing, pero podrías correr el riesgo de dañar el chip y, por supuesto, de perder la garantía. Mientras que el lapping es un pulido del die o del IHS para hacer que no sea tan rugosa y por tanto se aumente la superficie de contacto con el bloque/disipador y el TIM. Igual que el delidding se perderá la garantía y si te pasas en el pulido podrías llegar a dañarlo.
  4. Ampliación: si tu sistema tiene altas cargas de trabajo, quizás también sería recomendable pensar en una ampliación. Por ejemplo, una CPU con más  rendimiento o núcleos trabajará de una forma más desahogada que una con menor rendimiento.
  5. Refrigeración: véase siguiente punto.

Sistemas de refrigeración:

Refrigeración líquida verde

Los tipos de refrigeración existentes son bastante numerosos, aunque a nivel doméstico solo conocemos unos cuantos de ellos. Intentaré hacer una introducción a los más destacados para, al menos, dartelos a conocer:

Por aire:

Pasiva: puede ser por convección del aire ambiental sobre la superficie del chip, cuando las exigencias de disipación son bajas, o incluso por un heatsink o disipador que aumenta la superficie de contacto para una mejor disipación. Es decir, los sistemas fanless.

Activa: implica mover el aire, y para ello se usa una combinación de un disipador y un ventilador. En estos sistemas podemos distinguir entre los ventiladores axiales tradicionales o los tipo blower. Cada uno tiene sus ventajas e incovenientes. Los primeros son los más usados en las CPUs, mientras que los segundos se pueden ver con frecuencia en las GPUs.

Líquido:

Pasiva: existen disipadores con heatpipes, es decir, unos tubos con un líquido a baja presión para hacer que baje hasta el bloque del disipador, absorva calor evaporándose y volviendo a condensarse completando un nuevo ciclo. Puede funcionar bien en un sistema no demasiado exigente cuando se quiera evitar el ruido de una refrigeración activa, pero cuando la pasiva por aire no es suficiente.

Activa: para mejorar la anterior, se implementa un sitema de bomba y radiador que bombea el líquido hacia el bloque de refrigeración y el caliente se devuelve a un radiador que lo enfría para volver a completar el ciclo. Puede funcionar bien en los gamers y entusiastas de los overclocks, pero quizás necesite de un manteminiento extra y sea demasiado cara para los usuarios normales…

Combinados:

Existen sistemas que combinan varios de los vistos anteriormente, como por ejemplo algunos que incluyen sistemas de refrigeración activos con líquida, etc.

Otros:

En los concursos de overclocking es frecuente ver bloques a los que se le vierte oxígeno, helio o nitrógeno líquido para una refrigeración extrema (criogenización). Incluso algunos supercomputadores podrían usar este tipo de fluidos para refrigerarse. Esos gases son caros y difíciles de conseguir, además de peligrosos. Además, si no se usan como se debe podrían causar problemas graves de humedad por condensación.

También es cada vez más frecuente ver sistemas de refrigeración termoeléctricos, o RTE, aprovechando el efecto Peltier para enfriar una superficie por medio de electricidad aplicada a unos termopares. Si sientes curiosidad, muchas máquinas de las que refrescan el agua en verano (las típicas que se le coloca la botella de agua invertida arriba y tienen los grifitos…) usan una placa peltier junto con un disipador de aluminio en el tanque de agua para enfriarla.

Y si te gustan este tipo de sistemas de refrigeración exóticos tengo que decirte que los hay bastante novedosos, como las baterías Redox FLow creadas por IBM y ETH Zurich, microtubos grabados en la propia pastilla semiconductora sobre la que se hace pasar algún fluido, etc.

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