Guía completa: sistemas de refrigeración para electrónica

Los sistemas de refrigeración son, a veces, los grandes olvidados en muchos equipos informáticos. En cambio, son de vital importancia para que estos sistemas funcionen adecuadamente. Elegir la refrigeración suficiente para una máquina no es tarea sencilla, aunque lo parezca. Pero, con esta guía, podrás tener un poco más claro todo lo que debes saber.

Incluso los fabricantes de equipos suelen cometer «errores» a la hora de elegir la refrigeración. Por lo general suelen ser errores inducidos a conciencia por la búsqueda de un mayor beneficio económico de su producto, por pecar de optimistas, o también por montar sistemas de refrigeración más pequeños de lo que se debería en pos de «adelgazar» el equipo (especialmente en los portátiles). El resultado es un equipo que se sobrecalienta, que tendrá una vida útil más reducida, o que generará problemas…

¿Por qué es importante la refrigeración?

La importancia de la refrigeración no solo es cuestión de evitar daños físicos en un sistema electrónico. Va más allá de eso:

• Evitar el sobrecalentamiento: es la razón más evidente, ya que los sistemas electrónicos se calientan debido a la ineficiencia de los componentes. Los materiales empleados en la electrónica tienen cierta resistencia eléctrica, lo que produce que parte de la energía eléctrica aplicada no se termine usando (generar luz, sonido, cómputo,…) para lo que realmente se pretende, sino que se perderá en forma de calor (como le ocurre a otros muchos sistemas, como los coches). Ya sabes que la energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma. Por eso, esas pérdidas resistivas se terminarán transformado en otro tipo de energía, la térmica. Si no eres capaz de visualizar el problema, piensa en un sistema electrónico de otra forma. Imagina un conductor por el que debe pasar una corriente eléctrica (un chorro de electrones moviéndose entre los átomos del material). Esos electrones impactarán con algunos de los átomos y parte de su energía cinética se la entregan a los átomos del material en forma de energía térmica. Si ese calor se acumula, la temperatura comenzará a subir, y se puede calentar lo suficiente como para generar daños físicos en el componente o deteriorarlo progresivamente y acortar su vida útil.
• Mejorar la disponibilidad: si un sistema funciona a una temperatura correcta, eso ayudará a disminuir las posibilidades de fallos durante el tiempo de actividad. O visto desde otra perspectiva, reducirá el tiempo de inactividad, y los gastos por mantenimiento.
• Mantener el rendimiento: si lees este blog de forma asidua sabrás que la temperatura no es una gran aliada del rendimiento en los dispositivos semiconductores.  Cuando se calientan los sistemas, se afecta negativamente la velocidad.
• Reducir la posibilidad de pérdida de datos: en entornos de producción que manejan datos valiosos, un problema con los sistemas de refrigeración podría llevar a los medios de almacenamiento a que pierdan información. Por eso, en centros de datos es vital controlar la humedad relativa y la temperatura.

Temperaturas adecuadas de cada componente

Es importante conocer cuál es la temperatura adecuada a la que debería estar cada componente en tu PC y los límites:

Estas son temperaturas genéricas (orientativas), puede variar de un fabricante a otro o entre modelos. Para determinar los rangos de temperaturas exactos, te aconsejo ver las datasheets.

• CPU: las temperaturas varían de unos a otros:
  • Tempera máxima: en los modelos Intel suele estar en los 105ºC, mientras que para AMD suele rondar los 100ºC. Esas temperaturas nunca se deberían alcanzar.
  • Throttling: también puede comenzar antes o después según la temperatura máxima. Por ejemplo, para temperaturas máximas de 80-90ºC podrían comenzar a los 65-75ºC. Mientras que para temperaturas máximas de 100-105ºC se retrasaría hasta los 80-85ºC.
  • Temperaturas habituales: dependiendo del tipo de microprocesador, pueden darse temperaturas de 30-50ºC para cargas bajas, como la ofimática. Cuando la carga es superior, como en gaming, pueden elevarse a 65-70ºC o más. Si se aproxima a 70ºC deberías pensar que quizás necesites una refrigeración mejor.
• GPU: aunque podrían trabajar de forma prolongada y estable a temperaturas de 70-75ºC, no se debería pasar de los 65ºC. Algunos sistemas comienzan con el throttling sobre los 90ºC, que ya se considera una temperatura bastante elevada. Mientras que las temperaturas límite estarían entre los 100-120ºC.
• RAM: en los módulos de memoria principal el límite se encuentra en los 81ºC, si se pasa esa barrera se pueden producir daños. Siempre deberías mantenerla por debajo de los 50ºC para evitar cuelgues del sistema y otros problemas. Ya sabes que existen disipadores para los módulos RAM, lo que puede ayudar a disipar más calor.
• HDD/SSD: en cuanto a los medios de almacenamiento, hay que diferenciar entre:
  • HDD: las temperaturas operativas habituales pueden ser de 30-40ºC. Y no se recomienda que lleguen a los 50ºC. A partir de los 55ºC se pueden apreciar algunos problemas de funcionamiento y si se llega a 60ºC se podrían dar problemas más serios.
  • SSD: pueden aguantar temperaturas superiores a los mecánicos, pero una vez se pasa de los 60ºC se comienza con el throttling. La temperatura máxima suele estar en los 70ºC. Generalmente, con una carga de trabajo normal pueden estar a unos 40ºC. Si ves que las temperaturas son elevadas, para este tipo de discos suele haber disipadores que pueden solventar este problema.
• Placa base: hay que controlar especialmente dos puntos críticos:
  • VRM (Voltage Regulator Module): los reguladores de voltaje usan transistores MOSFET que alcanzan temperaturas elevadas, especialmente si el sistema está sobreacelerado. La temperatura máxima de estos componentes suele rondar los 120ºC, y si se llega a dicha temperatura, se apagará el sistema para evitar daños, ya que no se puede hacer throttling como en la CPU/GPU.
  • Chipset: es el chip más complejo de la placa base, por lo que suele calentarse también bastante, aunque no tanto como la CPU o GPU. Suelen tener soluciones de refrigeración por aire pasiva, o híbridas con soluciones líquidas pasivas. La temperatura adecuada siempre debe ser inferior a los 65ºC y la máxima de 70ºC. No obstante, cuando se alcanzan los 65ºC se puede generar inestabilidad, produciendo apagones inesperados, reinicios, etc. Debería mantenerse sobre los 35-45ºC aproximadamente, preferiblemente que no llegue a los 55ºC, incluso cuando la carga es intensiva.
• PSU: las fuentes de alimentación se ven bastante afectadas por la temperatura. Suelen tener sistemas de protección que hacen que se apaguen cuando lleguen al límite y no se volverán a encender hasta que la temperatura no haya bajado. Esa temperatura máxima suele ser de 70ºC.

La solución para aquellos dispositivos que no tienen refrigeración dedicada pasa por tener una buena refrigeración en la torre. Por ejemplo, instalar un ventilador que extraiga el aire caliente del interior y otro que inyecte aire frío desde el exterior. Uno en cada extremo de la carcasa. Y cuida también de otros detalles, como los cables y obstáculos que, aerodinámicamente, pueden dificultar el flujo de aire en el interior.

Si los sensores de tu equipo dan valores por encima de lo normal, es probable que tu sistema de refrigeración no sea suficiente (agregar algún ventilador adicional a la torre, optar por una solución superior,…), o necesite algo de mantenimiento (renovar pasta térmica, limpiar disipadores y ventiladores de polvo y pelusas,…).

La temperatura de la sala también importa

La temperatura ambiental también afecta bastante a estos sistemas. En épocas calurosas, como en el verano cuando la temperatura sobrepasa los 37ºC, puede que las temperaturas se incrementen considerablemente. Pese a que los ventiladores trabajen a más RPM. Además, para disparar las velocidades de giro rápidamente, se necesitarán unos sensores muy precisos. No todos suelen responder de igual forma ante los incrementos de la temperatura. ¡Ojo con esto!

Fuente: pugetsystems.com

Fuente: pugetsystems.com

En algunos análisis, se puede comprobar que el aumento de temperatura de la sala produce un incremento directamente proporcional en el componente (1:1). Es decir, que si tu CPU suele estar a 55ºC en invierno con una temperatura de la sala de 20ºC y llega el verano y se incrementa esa temperatura hasta los 45ºC, el salto del sensor de la CPU debería ser similar a eso (a igualdad de condiciones, por ejemplo mismas RPM del ventilador, misma potencia del Peltier,…), lo que es un salto considerable.

¡Cuidado con temperaturas extremas! Las temperaturas muy elevadas y las muy bajas pueden hacer que algunos componentes no funcionen adecuadamente o que no funcionen en absoluto. (Véase los rangos de temperatura del datasheet de cada componente).

Cuando las temperaturas son demasiado frías (bajo cero), en inviernos duros, tampoco es un entorno óptico. En este caso el problema no es directamente la temperatura, sino la humedad por condensación. Habría que asegurarse de poder mantener los componentes secos… Y como curiosidad, puedes consultar más información aquí, es un experimento finlandés para refrigerar servidores con el aire exterior sin filtrar.

Actualmente, tanto en climas tropicales como en climas polares, los ambientes en los que trabajan los equipos suelen ser próximos a los 20ºC, ya que es habitual que se cuente con sistemas de aire acondicionado o calefacción en el interior. Por tanto, el clima no es tan problemático.

Términos sobre la refrigeración

Disipador de calor

Difusor de calor

Además de la propia refrigeración, existen otros elementos auxiliares que son necesarios en algunos casos. Un ejemplo de ello es la pasta térmica, sobre la que ya escribí una guía completa que pensé en complementar con esta otra, y así cerrar el círculo sobre la fiabilidad que inicié hace un tiempo en este blog.

Si eres principiante en este tema, deberías conocer previamente una serie de términos que se suelen emplear con bastante frecuencia cuando se tratan los sistemas de refrigeración:

Disipador

Test de disipación de AsadAli. Fuente: https://www.simscale.com/forum/t/finished-thermal-analysis-of-cpu-with-different-heat-sinks/71860

• Heatsink (disipador de calor): se trata de un disipador convencional, es decir, un intercambiador pasivo que transfiere el calor generado por un dispositivo electrónico a un medio fluido (generalmente aire). Para maximizar la superficie, se usan aletas o pines (heat fins) para este tipo de soluciones sobre la heat-base (superficie en contacto con el IHS o chip). Además del material (conductividad térmica), la forma, separación, y tamaño de las aletas del disipador, también influyen otros factores para conseguir disipadores más eficientes, como el grosor de la base del disipador (mejor gruesa), el color de la superficie (emisividad térmica), etc.

Heat spreader

Heat spreader para módulo DIMM RAM

• Heat spreader (difusor de calor): algunas personas lo usan como sinónimo de disipador de calor, pero no es exactamente lo mismo. Se trata de un elemento que transfiere desde una fuente más caliente a un disipador de calor o intercambiador de calor más frío. La diferencia con el heatsink es que carece de esas aletas, siendo una superficie plana, y no enfrían por sí solos, solo transfieren el calor hacia otro objeto. Si recuerdas el término IHS, pues básicamente el IHS es el estándar de difusor de calor empleado para las CPUs, aunque generalmente se usan difusores adicionales sobre el propio IHS como bloques de refrigeración. Como sabrás, suelen ser de materiales como el aluminio, cobre, etc. En algunos casos específicos, como los ICs de alta potencia o diodos láser, se pueden usar otros elementos con una conductividad térmica muy alta, como el diamante sintético. También existen otros materiales como aleaciones CMM (Compuestos de Matriz Metálica) cobre-tungsteno, AlSiC (carburo de silicio con matriz de aluminio), Dymalloy (diamante en matriz de aleación cobre-plata), E-Material (óxido de berilio en matriz de berilio), etc. Muchas de estos también se emplean en los sustratos de los chips por sus coeficientes de expansión térmica similares a los de los semiconductores y cerámicas empleadas.
• Heat pipe (tubo termosifón bifásico [TTB] o caloducto): estos tubos que verás en algunos disipadores son otra forma de mejorar la refrigeración. Se trata de un tubo sellado en cuyo interior hay un fluido que circulará de forma pasiva (por convección espontánea). Dicho de otro modo, cuando el fluido absorbe calor de una fuente caliente debido a la alta conductividad térmica del material del tubo (generalmente cobre), el fluido del interior se evapora en la zona que está en contacto con la fuente de calor y se desplaza al otro lado (más frío). Eso hace que se vuelva a condensar y vuelva a precipitarse para iniciar un nuevo ciclo de transferencia térmica.

Lapping – Fuente: techpowerup.com

Delidding

Además de esos términos, también existen otras prácticas que no aconsejo (y no solo porque hace que el dispositivo pierda la garantía), pero que deberías conocer, ya que están relacionadas con la refrigeración:

• Lapping: para poder «arañar» unos cuantos grados de temperatura se suele realizar el lapeado sobre las superficies del IHS y también del disipador. Como expliqué en la guía de la pasta térmica, el IHS y el disipador no son totalmente planos, por lo que se podría mejorar el contacto mediante lijado y pulido de sus superficies. En este caso, aunque no suele ser una bajada de temperatura tan grande como en el delidding, pero se puede llegar a bajar varias unidades de ºC. Por supuesto, también anulará la garantía del procesador, así que tampoco merece la pena en algunos casos. Para realizar la práctica del lapping, tan solo se necesitan materiales tan simples como papel de lija al agua (nº 400, 600 y 800), usando la de mayor grosor primero hasta la de menor grosor para lijar y luego pulir la superficie y hacerla más plana. Recuerda que el IHS de Intel y AMD no son iguales, uno usa superficies cóncavas y otro convexas (lo puedes ver también en la guía sobre la pasta térmica). Algo parecido le ocurre a las bases de los disipadores de algunas soluciones de refrigeración comerciales.
• Delidding: algunos entusiastas (fundamentalemente para gaming y overclocking) suelen realizar esta práctica, aunque no es nada recomendable y puedes terminar con una CPU totalmente inservible. Hacer delid consiste simplemente el retirar el IHS de un procesador. El problema, como se mostré en el artículo de la pasta térmica es que algunos IHS suelen ser en forma de T y estar soldados al troquel, en vez de estar pegados con un adhesivo y tener una capa TIM bajo ellos. En caso de estar soldados, se terminará con el die de la CPU roto al forzar el IHS para que se despegue. Independientemente de eso, el delid se hace para mejorar la refrigeración anulando una de las resistencias térmicas. Es decir, el die tiene una resistencia térmica que habrá que sumar a la del TIM si la tiene, sumada a la del propio material del IHS, y sumada a la de la TIM superior, sumada a la del disipador. Si se elimina alguna de estas resistencias térmicas, se puede mejorar la refrigeración (piensa en este sistema como unas resistencias eléctricas en serie). Además, algunos hacen delidding para quitar la TIM que pone el fabricante bajo el IHS para sustituirlo por metal líquido (¡cuidado con las posibles reacciones de galio en estos casos, como expliqué en el artículo de la pasta térmica). Pero en la práctica, los beneficios no son suficientes como para compensar los riesgos: rotura si está soldado o muy bien pegado, daños por el calor aplicado para despegar el IHS, y pérdida de la garantía al manipular la CPU físicamente.

Resistencia térmica y conductividad térmica

Como he insinuado en el apartado del delidding, se puede entender un sistema térmico como lo harías con un sistema eléctrico. Así que, cada una de las capas que haya en el sistema de refrigeración agregará una resistencia térmica en serie con la anterior. Mientras mejor conductividad térmica tengan esos materiales que intervienen en el sistema, menor será la resistencia térmica, por tanto, la refrigeración será más eficiente.

Existen herramientas para el cálculo de disipación de calor como R-TOOLS MAXX de Mersen, para sistemas industriales de refrigeración, u otras aplicaciones web como esta otra HeatSink Calculator para el cálculo.

Obviamente, algunos materiales no se pueden sustituir por otros, como los del troquel. Pero sí que se pueden emplear mejores materiales para la TIM, IHS, disipador, etc. En cuanto al TIM y el disipador, el consumidor puede optar por soluciones mejores para tratar de reducir algunos grados Celsius. Por ejemplo, elegir una pasta térmica basada en diamante, buscar un bloque disipador de cobre en vez de aluminio, etc.

Tipos de refrigeración

Existen varias soluciones de refrigeración para equipos computacionales. Y básicamente son las siguientes:

Refrigeración por aire

Los tipos de refrigeración por aire son:

Ninguna

¿Esto es un tipo? realmente no, pero es cierto que algunos chips y componentes electrónicos usan su propia superficie para disipar el calor. No necesitan de ningún otro elemento auxiliar, ya que su temperatura no se eleva demasiado como para representar un riesgo. En estos casos, se realiza una transferencia de calor superficie-ambiente mediante convección/radiación.

Pasiva

La pasiva se emplea un disipador o heatsink (fanless, sin ventilador) que aumenta la superficie de disipación para mejorar la disipación por convección de calor. Esto es suficiente para chips como los controladores, chipsets, MOSFETs, etc.

Algunas placas PCB usan vías rellenas de cobre (Cooper Filled Thermal Vias) para disipar mejor el calor, como las soluciones de Kuprion. Eso mejora la disipación en los materiales empleados para las placas PCB, como el FR4, que son malos conductores térmicos. Estas vías se ponen bajo los componentes montados en su superficie, para que puedan conducir el calor hacia la otra cara por contacto con el metal de la carcasa.

Por lo general, son de aluminio (más ligeros y baratos, pero peor conductividad térmica), de cobre (más densos, caros y mejor conductividad térmica), o aleaciones (bastante populares entre las soluciones comerciales), aunque existen algunas soluciones que usan otros metales nobles como el oro (se suelen emplear solo en baños, con núcleos de aluminio o cobre), grafito, Carbal (aluminio 20% + carbono 80%), etc.

Activa

Respeta siempre las recomendaciones de refrigeración del fabricante del chip o del equipo adquirido. Consulta datasheets para ver estos los datos.

En el caso de la activa, se emplea un disipador igual que en el caso anterior, pero se aumenta la eficiencia de refrigeración agregando un ventilador capaz de generar corrientes de aire para desalojar más rápidamente el calor. Es decir, el aire acelerará el intercambio de calor por convección al remover el aire caliente entorno a las paletas del disipador para que circule otro más frío entre ellas.

Además, dentro de este tipo de refrigeración se debe tener en cuenta:

• Tipo de ventilador:
  • Axial: son los tradicionales y los que se usan para la CPU. En ellos se proyecta aire sobre el disipador. Suelen ser más simples, con menor número de aspas, con un diámetro algo mayor, pero generan menor presión del aire. No obstante, se ha conseguido algunas unidades con efecto jet que mejoran el flujo de aire.
  • Radial (blower): son bastante frecuentes en otras unidades, como las GPUs. Emplean una carcasa, frente a los modelos open-air, para canalizar el aire que pasa a través del radiador, tienen mayor número de palas, y suelen tener un efecto centrifugado (como los turbocompresores de los coches).  Son más complejos y ruidosos, pero por lo general canalizan mejor el aire y generan mayor presión.
• Tipo de rodamiento:
  • Sleeve bearing: rodamientos de casquillo, sencillos y baratos. Usan un baño de aceite para ser más silenciosos, pero al no estar sellados, se deterioran más rápidamente. Suelen tener una vida estimada de unas 30.000 horas.
  • Ball bearing: usan bolas metálicas alrededor del eje. Son muy fiables y menos sensibles a condiciones externas como la temperatura, polvo, etc. Duran desde unas 80.000 horas, hasta cientos de miles de horas en algunos casos más evolucionados.
  • Fluid dynamic bearing: son rodamientos de fluido más avanzados. Son caros, pero ofrecen muy buenas prestaciones. Usan una zona lubricada con aceite junto con otra zona con aceite, u otro fluido a presión, para autoestabilizar el eje. Son ultra silenciosos y pueden tener una vida útil de 150.000 horas.
• Características:
  • RPM: las revoluciones por minuto pueden ser de lo más variado, como 800, 1000, 1200, 1500, etc. Es decir, la cantidad de giros que pueden dar por minuto. En la actualidad, los sistemas no son fijos, tienen unos sensores de temperatura y en función de las necesidades de refrigeración de cada momento, bajarán o subirán las RPM. Evidentemente, a mayor velocidad, mejor disipación, pero también más consumo y ruido.
  • Ruido: dependerá de varios factores, entre ellos las RPM, y el tipo de rodamiento. Pero también del propio diseño de las aspas. Se puede analizar con simulaciones CFD el flujo para reducir el ruido al máximo con un diseño más adecuado. Además, los elementos que se interponen en el flujo de aire también pueden afectar. Siempre es más aconsejable usar soluciones más silenciosas, es decir, con un valor menor de dB (decibelios). Modelos con <30dB son bastante silenciosos.
  • Caudal (flujo de aire): el caudal de aire mide el aire que pasa por unidad de tiempo, y se mide en CFM o m³/h. Mientras mayor sea, mejor, aunque ya una cifra de 50 CFM es suficiente en algunos casos.
  • Presión estática: es la fuerza con la que el ventilador empuja el aire. Se mide en mmH₂O (milímetro por columna de agua). Mientras mayor sea, también será más positivo. Lo ideal sería que supere los 3 mmH₂O.
  • Tamaño: existen diversos tamaños, lo habitual es que sean de 80, 120, 180, 230 mm, etc., de diámetro.
• Marcas: las mejores marcas de sistemas de refrigeración activa por aire son Noctua, Scythe, Corsair, Cooler Master, Thermaltake, Tacens, Artic, Noiseblocker, etc.

Refrigeración líquida

Muchas de las cosas citadas anteriormente también servirían para la refrigeración líquida. Además, también existen dos tipos principales:

Pasiva

Básicamente, la pasiva, es un bloque disipador al que se le ha agregado heatpipes. Esos tubos de cobre, o aluminio, en cuyo interior existe un fluido en fase líquida a baja presión que pasa a fase gaseosa cuando se absorbe calor y sube hacia la zona más fría para volver a recuperar su estado líquido e iniciar nuevamente el ciclo…

Por lo general, los tubos son dobles, para que por el tubo exterior circule el líquido frío y por el interior viajará el vapor. Y los líquidos usados son agua, alcoholes, freón, etc., y que al estar a baja presión, se evaporan a temperaturas más bajas. Este tipo de refrigeraciones pueden ser buenas para equipos portátiles, o donde se necesite mejorar la refrigeración por aire sin posibilidad de instalar una refrigeración líquida activa.

Activa

La activa es ideal para algunos sistemas HPC, gamers, entusiastas que hacen overclocking, etc. Por supuesto, si se hiciese un ranking de efectividad en cuanto a refrigeración, sería: ninguna < pasiva por aire < pasiva líquida < activa por aire < activa por aire (de menos efectiva a más efectiva).

A pesar de sus resultados, son sistemas más caros, complejos, y que no dejan de tener inconvenientes, como los riesgos de fugas del líquido refrigerante, un mayor mantenimiento, etc. En cuanto a las ventajas, además de bajar la temperatura más que un sistema de aire, también suelen ser más silenciosos.

En este tipo de refrigeración también hay algunas cuestiones a tener en cuenta:

• Partes:
  • Bomba: es el elemento que hace que el líquido refrigerante circule.
  • Bloque de contacto: es el elemento conductor térmico (bloque hueco de cobre, a veces con serpentines para una mejor distribución del fluido) que se instala sobre el chip o IHS. A él irán conectados los dos tubos para llevar el líquido refrigerante frío y extraer el caliente para que se produzca el ciclo de intercambio de calor.
  • Tubos o conductos: los empleados para canalizar el líquido refrigerante.
  • Tanque de refrigerante: el depósito donde se almacena el líquido refrigerante empleado. Dentro de este elemento estará la bomba.
  • Radiador: suele ser un disipador acompañado de un ventilador para reducir la temperatura del líquido refrigerante que vuelve del bloque para que pueda volver a él a menor temperatura.
  • Líquido refrigerante: suele ser de composición similar al de los coches. En algunos casos se tinta de color por temas de modding.
• Tipos de refrigerante: existen varios tipos, con marcas como Mayhems Aurora, Primochill VUE, Corsair, XSPC, EK, Alphacool, Bitspower, etc.
  • Basados en partículas: no son una buena opción en loops que no se usan 24/7, ya que son líquidos más densos y contiene sedimentos que se pueden ir acumulando cuando se apaga el equipo. En unos meses de uso que pueden perjudicar a los tubos, radiadores o al bloque.
  • Basados en glicoles: existen algunos tubos de plexi que resultan baratos, pero que se deteriora con bastante rapidez cuando entra en contacto con los líquidos basados en glicoles, generando grietas y pudiendo causar fugas. El líquido en sí no presenta problemas, pero debes informarte del material de los tubos para evitar estas reacciones. Incluso pueden reaccionar con metales como el niquel o al plata…
  • Agua destilada + tintes: es una opción barata y menos agresiva que las anteriores. Se usa agua destilada y se suelen agregar algunos tintes. Al ser agua destilada, sin impurezas, se va a deteriorar menos (algunas incluyen soluciones biocidas/antialgas) y se reduce su conductividad eléctrica. Eso sí, queda totalmente prohibido emplear agua corriente para la refrigeración líquida, ya que los residuos sólidos como cal, minerales, y microorganismos, pueden ser un garn problema. Los sedimentos y la proliferación de algunas bacterias podría hacer que se obstruyan los serpentines del bloque e incluso dañar materiales como el niquel.
  • Biodegradables: son los más seguros, y no reaccionan con ningún componente. Además son biodegradables, lo que es un punto a su favor. No obstante, deben incluir sustancias como biocidas y protectores contra la corrosión como elementos.
• Marcas: algunas marcas conocidas son Lian Li, Cooler Master, Deepcool, Corsair, EVGA, Alphacool, etc.

Soluciones híbridas y otras más exóticas

A parte de las soluciones de refrigeración anteriores, también existen otras, como por ejemplo:

Híbridas

Tipo U

Tipo C

Perfil bajo

Existen combinaciones o soluciones híbridas, como la pasiva de aire + pasiva líquida, la activa de aire + pasiva líquida, etc. De hecho, son bastante frecuentes en los sistemas de refrigeración de las CPUs actuales.

Además, hay que distinguir entre:

• U-Type: los heatpipes que tienen forma de U y el ventilador está situado de forma perpendicular al a placa base.
• C-Type: los heatpipes tienen forma de C, y el ventilador se coloca de forma paralela a la placa base. Este tipo de sistema suele instalar dos ventiladores (debajo y encima del disipador).
• Low-profile: los de perfil bajo, son similares al os convencionales, pero son muy planos, para poderse alojar en aquellas carcasas que no cuenten con demasiado espacio.

Líquida especial (criogenización)

También se usan gases licuados como el nitrógeno, oxígeno, helio, etc. Esto no es frecuente en el ámbito doméstico, pero sí es frecuente verlo en algunos entornos de alto rendimiento (sobre todo en computación cuántica) o para batir récords de frecuencia de reloj con OC. Aunque bajan la temperatura por debajo de cero, son delicados en cuanto al manejo por su peligrosidad, y necesitan de sistemas complejos para su correcta aplicación. Por ejemplo, ya que se llevan a temperaturas muy por debajo del cero, se necesitan sistemas de vacío para evitar la humedad.

TEC o RTE

Placa Peltier

Diagrama Peltier

Otra alternativa son las llamadas RTE (Refrigeración por Termoeléctrico) o TEC (Thermoelectric Cooling). El efecto Peltier: pertenece a esta categoría y se basa en este efecto físico para refrigerar una superficie.

Las celdas Peltier no son demasiado caras, y se componen de tres materiales. Dos láminas que generalmente son semiconductores y una junta entre ambos. Al aplicar una corriente eléctrica, genera un traslado de electrones libres entre los materiales para generar un intercambio térmico. Uno de los materiales se calentará y otro se enfriará. Evidentemente, el que se enfría estará en contacto con la superficie a enfriar. En estos casos, también se suelen conseguir temperaturas por debajo del cero, pero hay que vigilar la humead por condensación que podría afectar a los circuitos.

Sistemas exóticos

Thermal Bump (TE Layer)

Sección transversal de TE

En mi enciclopedia El Mundo De Bitman, también detallo otras técnicas exóticas y bastante extrañas como el Thermal Bump o Thermal Cooper Pillar Bumg, que consiste en integrar finas capas de material termoeléctrico en las conexiones de los flip-chips para reducir la temperatura. Otras idea disparatada es el Water Cools 3D de IBM, que genera tubos o canales minúsculos en el dióxido de silicios de los chips de empaquetados 3D para hacer pasar un líquido refrigerante.

Sistemas de refrigeración en centros de datos

Por último, hasta el momento, casi todo lo explicado estaba más centrado en la informática doméstica o de consumo que a sectores como el HPC. En los grandes centros de datos o granjas de servidores, los sistemas de refrigeración son bastante más complejos.

Ten en cuenta que estas máquinas no solo tienen un alto consumo, también tienen unas necesidades de disipación de calor muy por encima de las máquinas domésticas. Por ejemplo, el Tianhe-2 tiene un consumo de 17.6MW, y al que habría que agregarlo lo que consumen los propios sistemas de refrigeración. Esto sumaría un total de 24MW. Eso significa que la refrigeración demanda 6.4MW en esta máquina, lo que es una cantidad nada despreciable.

Algunos centros de datos usan solo energía procedente de renovables, e incluso también se puede usar el calor residual que generan estos centros de datos para obtener energía. (véase green computing)

Por tanto, se tiene un problema derivado del calor, y es el enorme consumo de los sistemas de refrigeración. Estos problemas han llevado a los ingenieros a pensar todo tipo de ideas para combatir la temperatura y reducir la energía consumida, como nuevos métodos de refrigeración más eficientes, poner los centros de datos bajo el agua de los océanos (en cápsulas selladas), o en plataformas petrolíferas abandonadas para bombear agua marina para que actúe como refrigerante, etc.

En cuanto a la temperatura, las máquinas de los CPDs suele estar entre los 17ºC y los 21ºC (con límites entre 15-25ºC), para que se mantenga la fiabilidad del equipamiento. No obstante, puede haber otras recomendaciones por parte de los fabricantes/proveedores.

Por ejemplo, IBM suele recomendar los 22ºC, Dell considera 23ºC aceptable, etc. Aunque si se comprueban datos reales, entonces se pueden ver datos muy dispares como los 22ºC de los servidores de Facebook, 26ºC de los de Google, los 27ºC de los de Oracle, etc. Todo dependerá de la política de renovación de los equipos, ya que si es más frecuente, se pueden tolerar temperaturas mayores.

Existen estándares o normas como la ANSI TIA/EIA-942 para la temperatura del aire, o el ANSI TIA/EOA-942 para la HR.

Muchos centros de datos usan soluciones mixtas, mezclando soluciones de refrigeración diferentes, en vez de una sola solución.

Dicho esto, en cuanto a los tipos de refrigeración para este tipo de salas, son:

Sistemas de aire acondicionado

Son fiables, pudiendo pasar largos periodos de tiempo sin fallar, aunque son bastante ruidosos (si has entrado de un centro de datos lo sabrás). Estos sistemas son similares a los aires acondicionados del hogar, pero de dimensiones muchos mayores. Además, eso se complementa con los sistemas de refrigeración convencionales, es decir, los procesadores tendrán sus sistemas de refrigeración activa por aire, lo mismo para las fuentes de alimentación, chips con sistemas de refrigeración pasiva por aire, etc.

Dentro de este tipo de sistemas existen algunos subtipos:

• Up-flow: distribuye aire a través de conductos instalados en el techo de la sala.
• Down-flow: los que usan conductos instalados bajo el suelo, con losas-rejillas instaladas en puntos estratégicos para que el aire frío pueda subir.

• Pasillo caliente/pasillo frío: se instalan los armarios de tal manera que en dos filas adyacentes se dan la espalda. El aire frío es inyectado (por up-flow o down-flow) por el frontal del armario y el caliente sale por su zona trasera. Por eso se llaman así, ya que genera un pasillo frío y otro pasillo caliente.
• Contenedor aislado (hot huts): algunos armarios están aisladas en una sala o espacio cerrado para separarlos del resto de los armarios. Pueden ser cabinas con puertas de cierre automático con sensores, para evitar que se dejen abiertas accidentalmente. Eso permite una mejor gestión del calor, sin que pueda escapar a otras zonas y afectar a la eficiencia de la refrigeración. Se suele aplicar especialmente a ciertos armarios de cómputo que disipan más calor que los de almacenamiento, etc.

Sistemas de refrigeración líquida

Servidor sumergido

Sistema de inmersión de una fase

Sistema de inmersión dos fases

Emplean líquidos refrigerantes, pero de una forma algo más especial a los sistemas para PCs. Dentro de este tipo de refrigeración tienes:

• Immersion cooling: en este caso se sumergen los dispositivos dentro de un líquido refrigerante especial. Evidentemente, ese líquido es un dieléctrico, para no causar cortocircuitos en los circuitos. Además, tienen buenas propiedades termodinámicas, son transparentes, incoloros, no inflamables, sin residuos, y estables térmica y químicamente. En cuanto a otras cosas a tener en cuenta:
  • El hardware debe admitir este tipo de refrigeración.
  • Se empleará una bomba para que el fluido pueda circular hacia un intercambiador de calor (líquido-líquido), o un radiador (líquido-aire), que pueda enfriar el fluido para devolverlo al inicio del ciclo en la container/tanque de baño (puede ser abierto, cerrado y semiabierto) donde estará el servidor sumergido.
  • En cuanto  los líquidos usados están los hidrocarburos (aceites minerales, sintéticos y bioaceites), o los fluorocarbonos (líquidos de diseño). Un ejemplo de hidrocarburos es el Fluorinert o Novec de la marca 3M. Actualmente también hay otros en desarrollo, como líquidos capaces de enfriarse solo exponiéndolos a rayos UV.
  • También existen diferencias entre los líquidos SLIC (hidrocarburos) y  2PIC (fluorocarbono). El primero es un refrigerante de inmersión líquida monofásico, y el segundo de dos fases. Eso quiere decir que los SLIC no tienen cambio de fase, simplemente se bombea el líquido refrigerante par que haga su trabajo enfriando el sistema. Mientras que en los 2PIC, el líquido pasará a gaseoso durante el proceso, ya que hierve al entrar en contacto con los componentes calientes, absorbiendo el calor y pasando a evaporarse. En el 2PIC no se necesita bomba ni circulación forzada como en el SLIC, el ciclo se realiza pasivamente, ya que el vapor será enfriado en un intercambiador de calor situado en la parte superior del tanque y retornará en forma líquida para iniciar el ciclo.
  • Entre las ventajas de la inmersion cooling está:
    • Un menor consumo frente a la refrigeración por aire.
    • Capacidad para altas densidades de disipación de hasta 250 kW/tanque, frente a los 4-40 kW por rack del sistema por aire.
    • PUE (Power Usage Effectiveness) próximo a 1. PUE = Potencia eléctrica total del centro / Potencia eléctrica total consumida por los sistemas. Si es próximo a 1 significa que casi toda la potencia del centro de datos se emplea para el equipo de computación.
    • Ahorro de espacio con densidad de hasta 100 kW/m², frente a los hasta 10 kW/m² de los de aire.
    • Simplicidad de componentes e instalación.
    • Robustez.
    • Aumenta la vida útil del hardware.
    • Sin ruido.
    • Sin polvo.
    • Con menor impacto medioambiental (los aceites se pueden fabricar sin dañar la capa de ozono).
  • También tiene desventajas, como ser sistemas sin normativa o estandarización, sin demasiada documentación por el momento, sin demasiadas empresas especializadas, con poco hardware específico para ellos (la mayoría se hace de baja densidad para refrigeración por aire).
• Refrigeración por agua: se usa agua fría para hacerla pasar por una serie de tuberías serpenteantes en el interior del rack para enfriarlo. Este tipo de sistemas suele ser el predominante en la actualidad en centros bastante conocidos (Facebook, Google,…). Gracias a ellos se puede conseguir una buena eficiencia energética y reducir la cantidad de espacio necesaria frente a los de aire acondicionado.

Otros

Además de los anteriores, también se pueden ver otros sistemas como:

• Sistemas de refrigeración por gas: algunos pueden usar refrigeración por gas, como CO2 (dióxido de carbono) y otros gases, aunque no son tan frecuentes.
• Híbridos: muchos centros de datos no usan un solo sistema de refrigeración puro, sino que pueden ser mixtos.

Por cierto, en estos centros de datos no solo se controla la temperatura, también la humedad relativa (HR). En este caso se recomienda rangos entre 40-55%. Por encima de eso se podría producir cortocircuitos o corrosión por condensación. Por debajo crecen las probabilidades de ESD o descargas electrostáticas que podrían dañar algunos chips.