artigo - resfriamento de processadores cmos
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UNIVERSIDADE FEDERAL DA GRANDE DOURADOS
FACULDADE DE ENGENHARIA - FAEN
CURSO DE ENGENHARIA DE ENERGIA
DISCIPLINA DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR I
César Augusto Gomes de Souza
RESFRIAMENTO DE PROCESSADORES CMOS
DOURADOS – MS
NOVEMBRO DE 2011
Conteúdo1. Introdução......................................................................................................................3
2. O calor gerado no processador......................................................................................4
3. Convecção forçada........................................................................................................7
4. Modelo matemático.......................................................................................................9
5. Tipos de cooler............................................................................................................11
5.1 Air Cooler 11
5.2 Water cooler 12
5.3 Cooler Heatpipe 15
6. Técnicas em via de pesquisa........................................................................................15
6.1 Tubos de calor e termossifões 15
6.2 Water-cooling com pastilhas de Peltier 16
6.3 Sistema bifásico utilizando fluido R-134A 17
6.4 Air cooler híbrido 17
6.5 Óleo mineral 18
7. Arrefecimento de data centers e supercomputadores.................................................20
8. Conclusões...................................................................................................................25
Referências Bibliográficas...............................................................................................26
ANEXOS.........................................................................................................................28
Catálogo de coolers da Cooler Master 2010. 29
1. Introdução
Por mais de cinquenta anos a computação segue o paradigma sequencial.
Seguindo esta linha de pensamento, foram desenvolvidos diversos algoritmos eficientes
para os mais variados tipos de problemas da área. Estes incluem desde o nível de
software, com grandes áreas de pesquisa dedicada exclusivamente a algoritmos para
estruturas de dados e sistemas, até o nível de hardware, no qual existem técnicas para
otimizar a execução de instruções de forma a maximizar a eficiência dos programas.
Nos últimos cinco anos, porém, a computação esbarrou na chamada Brick Wall,
um conjunto de limitantes físicos ao velho paradigma de programação sequencial. Dois
destes limites são os mais preocupantes. Um deles é a famosa Memory Wall, a grande
diferença entre o crescimento da velocidade de acesso a dados na memória e a
velocidade de processamento da CPU. O outro limite é a Power Wall, a grande
quantidade de calor produzido e energia gasta por processadores com mais transistores.
O controle da temperatura em dispositivos eletrônicos é fundamental para um
desempenho ótimo, um funcionamento confiável e aumento do tempo de vida dos
mesmos.
O componente mais crítico da placa-mãe no que diz respeito à tolerância de
temperatura de operação é o processador. O aquecimento excessivo do processador
reduz o seu tempo de vida útil, torna o processamento de certas operações mais lento,
pode ocasionar frequentes travamentos e reinicializações do microcomputador e em
casos extremos, a sua queima.
Com a crescente redução de componentes microeletrônicos e aumento da
densidade de empacotamento verifica-se um aumento na potencia térmica dissipada
pelos novos sistemas eletrônicos. Deste ponto de vista, o dimensionamento eficiente de
sistemas de dissipação de calor em dispositivos eletrônicos é um aspecto desafiador e
necessário.
A partir da geração dos processadores 386, começou-se a utilizar dissipadores de
calor para aumentar a superfície de contato com o ar, favorecendo então a transferência
de calor por convecção. Do processador 486 em diante, passou-se a usar ventoinhas
sobre os dissipadores, já que a transferência de calor por convecção natural deixou de
ser suficiente. Uma das formas mais usuais de dissipação térmica ou resfriamento destes
componentes é via convecção forcada fazendo uso de ventiladores que forçam o ar
3
escoar pelos dispositivos a serem resfriados permitindo manter a temperatura destes em
níveis aceitáveis. Simultaneamente à adoção dessas medidas, mais exaustores foram
instalados no gabinete para reforçarem a troca de ar com o meio ambiente.
Devido às restrições de natureza termodinâmica, sempre haverá um processo de
geração interna de calor no processador. Por essa razão, uma série de investigações está
sendo desenvolvida com o objetivo de minimizar esses efeitos negativos. Uma análise
da literatura especializada revela que os esforços atuais dos fabricantes de
processadores, projetistas de sistema de resfriamento de componentes eletrônicos e
programadores, concentram-se em três frentes principais: (i) redução do calor gerado
internamente através do emprego de tecnologias de fabricação que possibilitem a
redução da tensão de alimentação do CI e da resistência à passagem da corrente elétrica
por meio da redução das dimensões físicas do substrato semicondutor, (ii) otimização
do sistema de resfriamento baseado em trocadores de calor que utilizam ar, água e
nitrogênio líquido como fluidos refrigerantes e (iii) monitoramento e controle da
temperatura do processador através do uso de programas desenvolvidos especificamente
para esse fim e que atuam no clock do processador e nas tensões da fonte de
alimentação.
2. O calor gerado no processador
A energia necessária da fonte da alimentação para a realização de uma transição
de um nível lógico alto para um baixo no intervalo de tempo t é definida como:
onde é a potência elétrica consumida. Para um circuito digital CMOS, essa
potência é dada por (1) e (2):
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onde é a capacitância que é recarregada durante a transição de nível lógico 0 para 1,
a tensão de alimentação e é a frequência do clock.
Para uma operação que necessite de ciclos de clock no intervalo de tempo , ou
seja, ciclos têm-se:
A equação 2 mostra que a potência consumida pelo circuito é uma função da
frequência do clock, já a energia requerida para que o circuito lógico realize a operação
de mudança de nível lógico, como mostra a equação 1, não. Logo uma redução de
frequência do clock iria reduzir a potência que necessitaria ser dissipada, mas não
afetaria o consumo de energia. As TABELAS 1 e 2 apresentam informações sobre
potência e temperatura de alguns processadores INTELTM e AMDTM.
Há dois tipos de potência elétrica consumida durante uma transição de estado em
uma porta lógica: a estática e a dinâmica. A potência estática tem como origem as
correntes de fuga no circuito CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor).
Circuitos que se baseiam em um tipo de tecnologia que utiliza transistores de efeito de
campo, em inglês, Field Effect Transistor (FET) em lugar dos transistores bipolares
comuns (como nos circuitos TTL) na elaboração dos circuitos integrados digitais.
Originadas pelo processo de difusão que ocorre no substrato semicondutor devido à
formação de diodos parasitas. É o produto da soma das correntes de fuga pela tensão de
alimentação e contribui com poucos miliwatts (para cada milhão de transistores), para a
potência consumida total. Por outro lado, a potência dinâmica, que é a mais crítica, é a
soma da potência consumida na transição de estado lógico com a potência consumida
no processo de formação de capacitâncias parasitas internas e que dependem da
frequência.
TABELA 1. Temperatura máxima e potência de alguns processadores Core® da
INTELTM. (Fonte: INTEL, 2011)
PROCESSADOR NÚCLEOS FREQUÊNCIA (GHz) – FREQUÊNCIA MÁXIMA (GHz) POTÊNCIA DE PROJETO (W) Tcmax (°C)
5
Intel® Core™ i3-2130 2 3,4 - / 65 69,1
Intel® Core™ i5-2500 4 3,3 – 3,7 95 72,6
Intel® Core™ i7-2600 4 3,4 – 3,8 95 72,5
TABELA 2. Temperatura máxima e potência de alguns processadores Phenom II® da
AMDTM. (Fonte: AMD, 2011)
PROCESSADOR NÚCLEOS FREQUÊNCIA (GHz) POTÊNCIA DE PROJETO (W) Tcmax (°C)
AMD Phenom™ II X2 2 3,1 80 70
AMD Phenom™ II X3 3 2,5 65 72
AMD Phenom™ II X4 4 3,2 95 71
AMD Phenom™ II X6 6 2,8 125 62
A FIGURA 1 mostra um gráfico que relaciona a frequência do processador para
chips de um, dois ou quatro núcleos com a sua dissipação de calor - existe uma região
azul clara na parte superior do gráfico que indica o limite da capacidade dos
dissipadores de calor comuns.
FIGURA 1. Gráfico relacionando o calor dissipado pelo chip com sua frequência de
trabalho, para processadores de um, dois ou quatro núcleos. (Fonte: CHAN et al., 2009).
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3. Convecção forçada
A temperatura na junção do semicondutor depende de vários parâmetros e
condições de operação de natureza intrínseca e extrínseca, dentre eles: tipo e material da
conexão (se houver) do semicondutor com os pinos do encapsulamento, material e
espessura do adesivo usado na fixação do semicondutor no encapsulamento, material e
geometria do encapsulamento, material e geometria do soquete de conexão com a placa-
mãe, material e geometria da placa de circuito impresso, espessura e condutividade
térmica da pasta térmica utilizada entre o encapsulamento e o dissipador, tipo e tamanho
do dissipador de calor, tipo e velocidade da ventoinha, natureza do escoamento de ar no
interior do gabinete, temperaturas do ar no gabinete e no meio ambiente exterior.
O processo de transferência de calor do processador para o ambiente interno do
gabinete se faz com o uso de um trocador de calor sólido-ar (dissipador e uma
ventoinha) em geral consiste em sobrepor ao processador uma superfície de metal que
tem a função de homogeneizar a distribuição de temperatura e acoplado a esta placa um
sistema de dissipação térmica com um perfil de aletas que pode apresentar diversos
formatos. A FIGURA 2 mostra um esquema deste sistema convencional.
A FIGURA 3 mostra um corte do arranjo completo dissipador de calor
ventoinha, chamado também de cooler, bem como os outros elementos envolvidos no
processo de dissipação de calor do processador.
Em um modelo unidimensional e estacionário, há dois sentidos possíveis para o
fluxo de calor gerado pelo processador: (i) pela sua parte inferior no sentido do soquete
e da placa-mãe e (ii) pela parte superior no sentido do cooler. Em ambos os casos, tem-
se a temperatura do gabinete como nó final, assumida uniforme e constante. A
transferência de calor do processador para o ar interno do gabinete através do soquete e
da placa-mãe se dá exclusivamente por condução até a face inferior da placa-mãe [3-4]
e a partir daí por convecção e radiação para o ar, já que o encaixe do processador com o
soquete fixado na placa-mãe não possibilita a presença de ar. Tanto o soquete, quanto a
placa-mãe são fabricados de materiais de baixíssimas condutividades térmicas (0,2 e 0,4
W/m.K, respectivamente).O processo de transferência de calor através da superfície em
contato com o processador apresenta características de transferência de calor
7
multidimensional devido à diferença de tamanho entre a fonte de calor (processador) e a
superfície do dissipador como mostrado na FIGURA 4.
FIGURA 2. Sistema básico de resfriamento de processadores. (Fonte:
HENRÍQUEZ et al., 2007)
FIGURA 3. Conjunto placa-mãe, soquete, processador, dissipador e ventoinha.
(Fonte: BRITO FILHO, 2007)
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FIGURA 4. Estrutura esquemática processador-sistema de resfriamento. (Fonte:
HENRÍQUEZ et al., 2007)
4. Modelo matemático
A análise do sistema aqui apresentado será tratada através de um estudo
simplificado envolvendo apenas a transferência de calor na placa homogeneizadora em
contato com o processador (HENRÍQUEZ, ET AL, 2007).
O equacionamento matemático do problema esta baseado na equação da
condução na sua forma transiente e tridimensional. Em coordenadas cartesianas.
Tomando como base a FIGURA 5, as condições de contorno baseadas nas
características do problema são dadas a seguir. Destaca-se que devido à simetria do
problema apenas uma quarta parte do domínio será resolvida, portanto em; 0 ≥ y ≥ b
para x = 0 e 0 ≥ x ≥ a para y = 0 devemos ter uma condição de fluxo de calor nulo. Além
disso, será adotado que nas laterais do sistema ( 0 ≥ y ≥ b para x = a e 0 ≥ x ≥ a para y =
b ) temos uma condição de superfície adiabática. Na prática esta condição não é real, no
entanto é plenamente justificada se a espessura da placa for muito menor que o tamanho
dos lados da mesma.
9
FIGURA 5. Sistema de coordenadas para o problema. (Fonte: HENRÍQUEZ et
al., 2007).
O efeito da dissipação térmica do processador é imposto como um fluxo de calor
na superfície da placa na região compreendida entre 0 ≤ x ≤ a1 e 0 ≤ y ≤ b1.
Na região externa ao processador, a1 ≤ x ≤ a e b1 ≤ y ≤ b foi adotado que a
superfície é adiabática.
Na superfície oposta ao processador a placa esta em contato com o sistema
aletado, de modo que a condição de contorno que será adotada aqui é uma superposição
de efeitos que envolvem a transferência de calor por condução através das aletas e a
transferência de calor por convecção entre as aletas e o ambiente. Por simplificação isto
pode ser tratado através de um coeficiente global de transferência de calor que
represente de forma equivalente estas trocas térmicas.
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5. Tipos de cooler
5.1 Air Cooler
O Air-Cooler é o tipo de cooler mais comum e, de longe, o mais utilizado, pois é
o mais barato. Ele auxilia as trocas de calor através de uma ventoinha e um pedaço de
alumínio ou cobre localizado sobre o processador. Estes dois componentes, ventoinha e
metal, auxiliam na dissipação do calor, ou seja, o alumínio “absorve” o calor do interior
da máquina e a ventoinha refrigera o metal, desta forma o calor interno é jogado para
fora.
Esse dois componentes se ligam por uma pasta térmica (FIGURA 6) que vai
fazer a condução do calor eficientemente (em alguns casos, usa-se uma fita adesiva que
se derrete, transformando-se nessa pasta).
FIGURA 6. Placa metálica e pasta térmica. (Fonte: PCWorld, 2008).
A ventoinha funciona como um ventilador, ela joga ar frio no conjunto para
resfriá-lo (FIGURA 7). Assim a placa de metal se resfria, mantendo sua capacidade de
dissipar calor da CPU. Alguns gabinetes trazem outros coolers cuja função é fazer
circular o ar quente interno para o exterior do equipamento, atuando como uma espécie
de exaustor.
11
FIGURA 7. Ventoinha. (Fonte: PCWolrd, 2008).
Além do baixo custo, o Air-Cooler é o modelo de cooler mais utilizado
principalmente pelo fato de a maioria dos computadores ainda não possuírem
componentes que causem aquecimento demasiado, consequentemente não necessitam
de muita refrigeração. Outros metais podem compor um Air-Cooler, porém a diferença
de custo entre o alumínio e o cobre já é grande. O cobre é mais denso e por isso capaz
de absorver muito mais calor que o alumínio (401W/m K contra 237W/m K), mas é em
compensação mais caro e mais difícil de se trabalhar.
O alumínio, por sua vez, permite criar lâminas mais finas, que facilitam a
dissipação do calor. Devido ao baixo ponto de fusão, ele é também muito mais fácil de
trabalhar, o que permite que os coolers sejam fabricados usando um simples processo de
extrusão.
É o mais comercializado e o ANEXO I traz os principais modelos da empresa
Cooler Master do ano de 2010, bem como suas especificações.
5.2 Water cooler
Se comparado ao Air-Cooler o Water Cooler é muito mais eficiente, visto que
ele utiliza a água como fluido refrigerante, desta maneira retém calor mais facilmente do
que o ar, portanto refrigera mais rápido.
O Water Cooler funciona da mesma forma que um radiador de automóvel e
também pode contar com aditivos para aumentar a eficiência. Estes aditivos, chamados
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de Coolant, são na sua maioria à base de etileno glicol e água deionizada (água sem
íons).
O sistema de refrigeração é fechado contendo água e uma bomba que faz com
que a água circule por todo o sistema, retendo o calor do interior do PC (FIGURA 8).
Esta água aquecida é bombeada para um radiador e é resfriada por uma ventoinha. A
água fria passa novamente, através de tubos, pelo computador, é aquecida e mantém o
ciclo.
FIGURA 8. Water cooler. (Fonte: Aquatuning, 2011).
Existem vários modelos de water cooler no mercado. Em alguns deles o radiador
é externo (fica do lado de fora do micro), em alguns ele é interno (fica preso na parte da
frente do gabinete).
O grande problema é que eles são sistemas muito caros, destinados a entusiastas.
Um "meio termo" entre os coolers tradicionais e os water coolers são os water coolers
self-contained, onde todos os componentes, incluindo a bomba, radiador, water-block (o
módulo que fica sobre o processador) e o reservatório para o fluído são combinados,
criando um sistema selado.
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Existem tanto layout inteiriços, que utilizam um formato similar ao de um cooler
tradicional, como o Evercool Silver Night (FIGURA 9), quanto conjuntos em duas peças
(como o CoolIT Systems Domino ALC), onde o watter-block é ligado ao módulo com os
demais componentes através de tubos flexíveis (FIGURA 10)
.
FIGURA 9. Evercool Silver Night. (Fonte: Hardware, 2009)
FIGURA 10. CoolIT Systems Domino ALC. (Fonte: Hardware, 2009).
14
5.3 Cooler Heatpipe
Os heat-pipes são tubos ocos (quase sempre feitos de cobre) preenchidos com
um fluído, que são usados para interligar uma base instalada sobre o processador (o lado
quente) e o dissipador (o lado frio). O fluído evapora com o calor do processador e é
condensado ao chegar ao dissipador, criando um fluxo contínuo que é capaz de
transportar o calor de maneira muito eficiente.
Inicialmente, os heat-pipes eram usados em notebooks, onde quase sempre o
cooler é montado "na horizontal", com a base de um lado, o exaustor do outro e dois ou
mais heat-pipes interligando as duas peças (FIGURA 9).
FIGURA 9. Cooler heatpipe em um notebook Toshiba A45 (Fonte: Hardware,
2009).
6. Técnicas em via de pesquisa
6.1 Tubos de calor e termossifões
Os tubos de calor e termossifões são os sistemas de transporte de calor de maior
eficiência conhecidos atualmente. A vantagem no uso destes dispositivos, ao invés dos
convencionais, é a possibilidade de transporte de grandes quantidades de calor através
15
de uma pequena área transversal e a uma distância considerável sem a necessidade de
nenhuma forma adicional de energia. Outras vantagens são a simplicidade de
construção, transporte de calor com pequenas diferenças de temperatura e a capacidade
de controle nessa transferência.
Abreu (2006) para estudo da aplicação destes sistemas construiu um tubo de
calor retangular, utilizando o refrigerante R11 como fluido de trabalho a partir de um
bloco de cobre, de seção transversal quadrada de 60 mm de lado após o fechamento, e
de 6 mm de espessura. A construção da região de fluido foi feita pela abertura de furos
em duas direções cruzadas, com a retirada mecânica do material restante, exceto na
região central do tubo, para garantir uma resistência ao colapso por evacuação e por
expansão sob pressão.
As laterais por onde se abriu a cavidade foram fechadas utilizando duas
pequenas chapas de cobre de 3 mm de espessura soldadas no bloco. Com tubo capilar
efetuou-se a evacuação e o enchimento do dispositivo.
Além disso, desenvolveu um modelo numérico simplificado que permitiu avaliar
o desempenho do dissipador sob algumas condições de operação. Construiu também um
modelo numérico, baseado em uma formulação puramente condutiva, que permitiu
simular o comportamento do tubo de calor em condição de falha total por vazamento do
fluido de trabalho. Foram simuladas condições de regime permanente e transiente.
Os resultados por ele obtidos mostraram que o sistema alternativo à convecção
forçada, comummente usada, é muito mais eficiente, com um coeficiente médio de
transferência de calor por convecção com valor de 36 W/m2K e variação máxima de
± 2 W/m2K.
6.2 Water-cooling com pastilhas de Peltier
Diversos métodos de arrefecimento existem para contornar o problema, mas o
método tradicional de resfriamento via convecção forçada pelo ar continua sendo o mais
comum, apesar do seu baixo teor de absorção de energia térmica, em relação a outros
fluidos. Um destes é a água, que por ser de fácil acesso, tornou-se o fluido principal do
chamado “water-cooling”.
16
Visando o desenvolvimento de um sistema mais eficiente de arrefecimento, foi
adicionada ao sistema de water-cooling convencional a tecnologia de termo-
eletricidade, mais especificamente com pastilhas de Peltier.
Em Barone (2010) um protótipo deste sistema foi desenvolvido e demonstrou-se
que o sistema placa de Peltier acrescido do watercooling é melhor que o sistema de
arrefecimento a ar e o sistema com placa de Peltier resfriada a ar. Ainda que os
resultados tenham diferido levemente das simulações realizadas e apesar da alta
potência requerida pela placa de Peltier.
6.3 Sistema bifásico utilizando fluido R-134A
Wobeto (2009) em seu trabalho construiu um protótipo de um sistema baseado
em um termosifão, blocos de cobre foram usinados e conectados a uma serpentina e a
um visor de liquido, este sistema foi fechado e carregado com fluido R-134A a pressão
de saturação, a massa de fluido a ser inserida no sistema foi calculada a partir da pressão
de operação desejada. O sistema mostrou-se mais eficiente do que um dissipador de
calor comum utilizado em computadores, porém as altas temperaturas obtidas na
serpentina indicaram que havia espaço para uma melhoria do projeto do condensador. A
fim de comprovar a teoria de que o condensador limitava o sistema, foi realizado um
teste utilizando um ventilador doméstico de alta potência para arrefecer o condensador e
foi atingida uma temperatura 14,8% menor no chip. A melhoria proposta foi a adoção
de um sistema compacto com 18 aletas de alumínio ligadas à serpentina, foi realizado
um cálculo teórico que demonstrou que este sistema provocaria uma redução de 8,4%
na temperatura de trabalho do chip.
6.4 Air cooler híbrido
Koplow (2010) apresentou em seu uma nova arquitetura para o air cooler onde
transformou o dissipador cerâmico na própria ventoinha, incorporando um motor
brushless na peça em forma de espiral (FIGURA 10). A ideia é eliminar o dissipador
estático que, inevitavelmente, sempre vai ter uma espécie de “bolsão de ar” aquecido a
sua volta, não importando o tamanho ou velocidade da ventoinha acoplada a ele
(FIGURA 11).
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FIGURA 10. Fotografia do protótipo (Fonte: KOPLOW, 2010).
A parte fixa do dissipador ficaria a uma distancia mínima da “cabeça” giratória,
permitindo que o calor transite entre as porções mesmo sem a pasta térmica. Além
disso, o fato de não haver mais superfícies estáticas em exposição contribuem para
diminuir o indesejável pó que acaba se acumulando com o tempo.
FIGURA 11. Principio de funcionamento. (Fonte: KOPLOW, Jeffrey P, 2010).
6.5 Óleo mineral
O uso de óleo mineral como fluido de resfriamento é novo e incomum. A técnica
consiste em mergulhar quase que inteiramente os componentes do computador em um
aquário contendo óleo mineral.
18
Diferentemente da água empregada no water cooling, que pode provocar danos
aos circuitos elétricos em casos de vazamento, o óleo mineral não conduz eletricidade e
é empregado até mesmo como isolante. Uma das empresas pioneiras no assunto chama-
se Puget Systems. Eles estão testando esse método de refrigeração há mais de dois anos.
As maiores dúvidas com relação ao óleo mineral a respondidas eram quanto ao
desempenho e efeitos a longo prazo. A empresa, então, montou um sistema completo
dentro de um aquário cheio de óleo mineral (entre 19 e 23 litros), deixando de fora
apenas o drive e o disco rígido, e dentro de dois anos foram realizados diversos testes
para determinar o desempenho e eficiência do sistema (FIGURA 12).
FIGURA 12. Sistema montado pela Puget System com óleo mineral. (Fonte: Puget
System, 2010).
A grande vantagem apresentada pelo óleo mineral é seu calor específico, o
aquário dos testes foi vedado e não houve necessidade de ventilá-lo. A variação térmica
do óleo não sofreu grandes alterações ao receber o calor do trabalho dos componentes.
O computador chegou à temperatura de 88°C em testes feitos por 12 horas
consecutivas com o 3DMark06 (programa usado para testar a performance 3D das
placas de vídeo) – um valor considerado alto. Mas essa marca levou um longo tempo
para ser alcançada, além de o sistema não ter falhado nenhuma vez no período. Outro
fator relevante é a questão sonora, com todos os componentes submersos e a
inexistência de ventoinha o computador ficou absolutamente silencioso.
19
O sistema é altamente eficiente comparado aos demais modelos. Muito mais
silencioso e efetivo que o air cooler e o water cooler e ainda mais seguro que o último
devido aos riscos de vazamento. Em contrapartida é um sistema ainda experimental e
caro, entretanto em casos de praticantes de overclock ou mesmo computadores de alto
desempenho encontra-se na mesma faixa de preço que um sistema de water cooling.
7. Arrefecimento de data centers e supercomputadores.
Com um equipamento mais compacto alojado dentro de um único armário
(FIGURA 13), o aumento da potência e o calor dissipado dão origem a pontos quentes
dentro de alguns centros de dados.
FIGURA 13. Exemplos de compactação. (FONTE: HANNAFORD, Peter, 2004).
Ao conceber o sistema de arrefecimento de um centro de dados ou
supercomputadores, o objetivo consiste em deixar um caminho livre desde a fonte de ar
arrefecido até aos pontos de entrada dos servidores. De igual modo, é necessário deixar
um caminho livre desde a saída dos servidores até à conduta de ar recirculado do
equipamento de ar condicionado.
O gerenciamento de todo o sistema é fundamental e deve incluir verificações na
capacidade máxima de arrefecimento, nos equipamentos CRAC (Computer Room Air
Conditioning - Ar condicionado para salas de computadores), no estado do circuito
refrigerador de água/condensador, na temperatura ambiente e no interior dos bastidores,
na velocidade do ar, na limpeza e nos obstáculos ao fluxo de ar, bem como o
comportamento deste no interior dos bastidores e a disposição dos ladrilhos e das alas.
20
Nos casos em que a capacidade de arrefecimento média global é adequada, mas
em que foram criados pontos quentes devido à utilização de bastidores de alta
densidade, é possível aumentar as cargas de arrefecimento nos bastidores colocando
dispositivos com ventoinhas, que melhoram o fluxo de ar e podem aumentar a
capacidade de arrefecimento entre 3 kW e 8 kW por bastidor. Estes dispositivos como,
por exemplo, a ADU (Air Distribution Unit - Unidade de distribuição de ar) e a ARU
(Air Removal Unit - Unidade de expulsão de ar) “roubam” efetivamente o ar dos
espaços contíguos (FIGURAS 14 e 15). Como com todos os dispositivos de limpeza do
ar, tem que haver cuidado ao posicionar o dispositivo de forma que o ar retirado do
espaço contíguo não sobreaqueça os bastidores circundantes. Estes dispositivos devem
estar no bus principal do UPS (Uninterruptible Power Supply – Fonte de Alimentação
Ininterrupta, também conhecida como no-break) para evitar o encerramento térmico
durante os cortes de energia. A sobrecarga térmica pode ocorrer durante o tempo que o
motor a diesel de segurança leva a arrancar e subsequentemente os aparelhos de ar
condicionado.
FIGURA 14. Unidade de fornecimento de ar totalmente canalizado e com
montagem em bastidor. (FONTE: HANNAFORD, Peter, 2004).
21
Os dispositivos com ventoinha se encaixam nos espaços inferiores em U de um
armário de dados e direcionam o fluxo de ar na vertical para criar uma ‘cortina’ de ar
frio entre a porta da frente e os servidores. Tem de utilizar painéis falsos (consulte a
secção 3) para garantir a integridade do sistema de arrefecimento em sobrepressão. O ar
é aspirado pelos servidores e enviado para a ala (quente) para ser arrefecido e
recirculado pelo sistema de ar condicionado da sala.
FIGURA 15. Unidade de recirculação do ar totalmente canalizado e com
montagem em bastidor. (FONTE: HANNAFORD, Peter, 2004).
No caso de densidades mais altas, é possível retirar a porta de trás do armário e
substituí-la por um dispositivo para aspirar o ar através do armário num plano
horizontal. O ar é aspirado para dentro do armário a partir da ala (fria), pelas ventoinhas
existentes no equipamento informático, dentro do bastidor. As ventoinhas situadas na
porta de trás recolhem o ar quente que é esvaziado para a sala (ou, no caso da ARU,
recanalizado) e recirculado pelo sistema de ar condicionado da sala. Com este tipo de
dispositivos, é possível obter densidades entre 6-8 kW por bastidor. Terá de utilizar
painéis falsos com estes dispositivos.
22
Dado que as necessidades de potência e de arrefecimento dentro de um bastidor
se elevam acima dos 8 kW, torna-se cada vez mais difícil fornecer um fluxo consistente
de ar frio à parte da frente de todos os servidores num bastidor com o fluxo de ar
vertical. Em situações extremas de alta densidade (além de 8 kW por bastidor), o ar
arrefecido tem de ser fornecido num plano horizontal de modo a atingir uma
temperatura uniforme de baixo para cima. Os sistemas de arrefecimento de alta
densidade autônomos foram concebidos de forma a serem instalados num centro de
dados sem interferirem com outros bastidores ou sistemas de arrefecimento existentes.
São “neutros” a nível térmico e tiram o ar frio da sala para o espalhar a seguir à mesma
temperatura ou utilizam o próprio ar num armário fechado. As FIGURAS 16 e 17
ilustram dois exemplos destes sistemas.
FIGURA 16. Sistema de arrefecimento de bastidores integrado (vários
bastidores). (FONTE: HANNAFORD, Peter, 2004).
23
Está disponível uma infraestrutura completa com distribuição de cabos de
alimentação, disjuntores, preparação para cabos de dados suspensos, UPS e soluções de
arrefecimento correspondentes nos sistemas de arrefecimento/bastidores integrado. O ar
quente dos servidores é esvaziado para uma ala quente e aspirado através da unidade de
arrefecimento para ser novamente libertado na sala a 24°C. Desta forma, a carga
calorífica é temperada e a solução não de pende da sala.
FIGURA 17. Sistema de arrefecimento de bastidores integrado (um bastidor).
(FONTE: HANNAFORD, Peter, 2004).
Para cargas de densidade mais altas até 15 kw por bastidor, é necessária outra
estratégia para o arrefecimento com ar. O ACS (Autonomous Cabinet System - Sistema
de armários autônomos) é um centro de dados completo numa caixa, integrando
sistemas de arrefecimento, de potência, de detecção de incêndios e de segurança
necessários para cargas de alta densidade. A unidade de arrefecimento está situada
24
dentro da estrutura, garantindo deste modo a eficácia máxima do fornecimento de ar frio
ao equipamento montado em bastidor. O ar quente é reciclado para a unidade de
arrefecimento integral e não sai do armário.
8. Conclusões
Está claro o desenvolvimento crescente da capacidade de processamento dos
componentes eletrônicos atuais e consequentemente da quantidade de calor produzida
pelos mesmos. Modelos matemáticos são criados de forma a delinear de maneira correta
todo o processo de dissipação de calor tendo em vista o conhecimento do fenômeno
como um todo, de forma a desenvolver maneiras de otimizar o processo de resfriamento
dos mesmos.
A atual técnica empregada no resfriamento de processadores comerciais, de
usuários comuns, a chamada convecção forçada, está em forte decadência, fato
comprovado e devido principalmente ao aumento no número de núcleos de
processamento do componente eletrônico, logo pesquisas diversas vem sendo realizadas
na área de forma a buscar rotas alternativas.
Destacam-se nessa área projetos de sistemas de arrefecimento que se baseiam no
uso de fluidos com teor de absorção de energia térmica muito superior ao do ar, como
água ou mesmo óleo mineral e aqueles que se baseiam em dispositivos térmicos, tais
quais tubos de calor, termossifões e placas de efeito Peltier. Entretanto apesar da
eficiência claramente superior destes métodos, comprovada através de modelagem
matemática, muitas vezes o mesmo possui uma estrutura de execução pouco viável do
ponto de vista industrial ou apresenta custos elevados, tanto de ordem energética quanto
financeira. Surgiram ainda novas arquiteturas para sistemas clássicos, como o air
cooling e até mesmo novos sistemas, totalmente remodelados, como os criados para o
uso de óleo mineral como fluido de arrefecimento.
25
Referências Bibliográficas
BARONE, Michel. Projeto de arrefecimento de processadores por sistema de
water-cooling com pastilha de Peltier. 2010. 4f. Trabalho de Conclusão de Curso
(Bacharelado em Engenharia Mecatrônica) - Escola Politécnica – USP, São Paulo,
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Disponível em: <http://www.tecmundo.com.br/cooler/14550-oleo-mineral-o-melhor-
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causados pela instalação de servidores de alta densidade. Disponível em:
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em seu PC. Disponível em: <http://pcworld.uol.com.br/dicas/2008/05/30/saiba-como-
funciona-o-cooler-e-evite-superaquecimento-em-seu-pc/>. Acesso em 13 de outubro de
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de sistema bifásico utilizando fluido R-134A. 2009. 31f. Trabalho de Conclusão de
Curso (Bacharelado em Engenharia Mecânica) – Escola de Engenharia – UFRGS, Porto
Alegre, 2009.
27
ANEXOS
28
Catálogo de coolers da Cooler Master 2010.
V10
Construído para dissipação térmica extrema, cobre toda a DRAM e CPU.
Design de dissipador de calor triplo, com 10 tubos de calor (6 no corpo principal e 4
no TEC), dupla ventoinha PWM para garantir um grande fluxo de ar sobre os tubos de
calor e TEC ( Thermal Electric Cooling – Resfriamento Elétrico Térmico) hibrido.
FIGURA 13. V10 e seus componentes. (FONTE: Cooler Master, 2010).
29
ESPECIFICAÇÕES
Soquete do CPU Intel LGA 1366 / 1156 / 775, AMD AM3 / AM2+/ AM2
Dimensões 236,5 x 129 x 161,3 mm
Material do dissipador de calor Base de Cu / Aletas de Al
Voltagem de operação 10,8 ~ 13,2V (TEC)
Dimensões da ventoinha 120 x 120 x 25 mm
Velocidade da ventoinha 800 ~ 2400 rpm
Fluxo de ar da ventoinha 90 CFM (Máx.)
Tipo de rolamento Rifle
Conector 4-pin
Peso 1200g
Nível de ruído 17 ~ 37 dBA
V8
Tecnologia de resfriamento otimizada para CPUs de alto desempenho, com 4
módulos de aletas de alumino para melhor dissipação do calor e 8 tubos de calor para
maximar a transferência. Centro com uma ventoinha de 120mm, para fluxo de ar
constante, com controle de velocidade da ventoinha PWM de 7V a 12V.
30
FIGURA 14. V8 e seus componentes. (FONTE: Cooler Master, 2010).
ESPECIFICAÇÕES
Soquete do CPU Intel LGA 1366 / 1156 / 775, AMD AM3 / AM2+/ AM2
Dimensões 120 x 128 x 161,1 mm
Dimensões do dissipador de calor 120x120x158 mm
Material do dissipador de calor Base de Cu / Aleta de Al / 8 tubos calor
Voltagem de operação 10,38 ~ 13,2V
Dimensões da ventoinha 120 x 120 x 25 mm
Velocidade da ventoinha 800 ~ 1800 rpm
Fluxo de ar da ventoinha 69,69 CFM
Expectativa de vida da ventoinha 40000 horas
Tipo de rolamento Rifle
Conector 4-pin
Peso 865g
Nível de ruído 17 ~ 21 dBA
31
Hyper Z600R
Verdadeira solução de refrigeração com 0 dBA, para operações silenciosas. As
aletasas entrelaçadas maximizam a dissipação na superfície e o design em X, junto com
o espaço otimizado entre as elas, cria uma zona de baixa pressão na parte das costas
fazendo com que o ar passe através dos tubos de calor mais rapidamente. Base de cobre
espelhado com 6 tubos de calor e suporte para ventoinha de 120mm para entusiastas por
performance.
FIGURA 15. Hyper Z600R e sua estrutura. (FONTE: Cooler Master, 2010).
32
ESPECIFICAÇÕES
Soquete do CPU Intel LGA 1366 / 1156 (com adaptador)/ 775, AMD AM3 /
AM2+/ AM2
Dimensões 127,28 x 127,28 x 160 mm
Material do dissipador de
calor
Base de Cu / Aleta de Al / 6 tubos calor
Peso 1045g
Dimensões do dissipador de
calor
Ø6mm
Dimensões da ventoinha 120 x 120 x 25 mm
Velocidade da ventoinha 2000 rpm
Fluxo de ar da ventoinha 69,69 CFM
Expectativa de vida da
ventoinha
50000 horas
Tipo de rolamento Rolameto de longa vida
Conector 3-pin com 4-pin adaptador
Peso 116g
Nível de ruído 19 ~ 21 dBA
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Hyper N520 / N620
Design universal com soquetes Intel e AMD.
Fluxo de ar otimizado com suporte a duas ventoinhas que permitem acelerar o ar
através dos tubos de calor e base de cobre polido que garante um contato perfeito entre
CPU e cooler.
N520: 5 tubos de calor.
N620: 6 tubos de calor.
FIGURA 16. N520 e N620, respectivamente. (FONTE: Cooler Master, 2010).
34
ESPECIFICAÇÕES
Soquete do
CPU
Intel LGA 1366 / 1156 (com adaptador)/ 775, AMD AM3 / AM2+/ AM2
Dimensões 122,35 x 102,5 x 141 mm 140,8 x 96,4 x 160,7 mm
Peso 688g 847g
Dimensões do
dissipador de
calor
115 x 62,3 x 141 mm 140,8 x 50,8 x 158 mm
Material do
dissipador de
calor
Base de Cu / Aleta de Al / 5 tubos
calor
Base de Cu / Aleta de Al / 6 tubos
calor
Dimensões do
tubo de calor
Ø6mm Ø6mm
Dimensões da
ventoinha
90 x 90 x 25 mm 120 x 120 x 25 mm
Velocidade da
ventoinha
1800 rpm 800 ~ 2000 rpm
Fluxo de ar da
ventoinha
43,8 CFM (Total) 83,6 CFM (Máx.)
Pressão do ar
na ventoinha
3,24 mmH2O (Total) 4,43 mmH2O (Máx.)
Expectativa de
vida da
ventoinha
70000 horas 40000 horas
Tipo de
rolamento
Manga Rifle
Conector 3-pin 4-pin
Nível de ruído 19 dBA 16 ~ 28 dBA
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Hyper 212 Plus
Desempenho equilibrado, com design dos tubos de calor que promovem otimização
da ventoinha, com balanço perfeito entre baixas e altas velocidades de operação. Quatro
tubos de calor em contato direto com a superfície do CPU e do cooler e ventoinha de
grande alcance com formato de pá único para fluxo de ar excelente.
FIGURA 17. Hyper 212 Plus, com destaque para os tubos de calor ao centro e as
ventoinhas. (FONTE: Cooler Master, 2010).
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ESPECIFICAÇÕES
Soquete do CPU Intel LGA 1366 / 1156 / 775, AMD AM3 / AM2+/
AM2
Dimensões 120 x 79,7 x 158,5 mm
Dimensões do dissipador 116 x 51 x 159 mm
Material Aletas de Al
Tubos de Calor 4
Dimensões da ventoinha 120 x 120 x 24 mm
Velocidade de ventoinha 600 ~ 2000 rpm (PWM)
Fluxo de ar da ventoinha 21,2 ~ 76,8 CFM
Expectativa de vida da
ventoinha
40000 horas
Tipo de rolamento Rolamento de longa vida
Conector 4-pin
Nível de ruído 13 ~ 32 dBA
Peso 626g
Geminii S
Resfria CPU e componentes que estão ao redor. Suporte para uma ventoinha de
120mm, duas de 90mm ou duas de 80mm. Base de cobre com 5 tubos de calor e aletas
de alumínio de alta densidade.
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FIGURA 18. Geminii S, com destaque a base de cobre e estruturas com duas
ventoinhas de 80mm e 90mm, respectivamente. (FONTE: Cooler Master, 2010).
ESPECIFICAÇÕES
Tipo de soquete Intel LGA 1366 / 1156 (com adaptador)/ 775, AMD
AM3 / AM2+/ AM2
Dimensões do dissipador de
calor
124 x 118,5 x 62 mm
Material Base de Cu / Aletas de Al / 5 tubos de calor
Peso 560g
Dimensões da ventoinha 120 x 120 x 25 mm
Velocidade da ventoinha 1000 ~ 2000 rpm
Fluxo de ar da ventoinha 69,69 CFM
Nível de ruído 17 ~ 21 dBA
Expectativa de vida da
ventoinha
40000 horas
Tipo de rolamento Rolamento de longa vida
38
Vortex 752
Melhor performance para gabinetes HTPC e slim. Totalmente de cobre com 2
tubos de calor e mecanismo especial na ventoinha que reduz a vibração e o ruído, este
na casa de 18 dBA.
FIGURA 19. Vortex 752, com destaque a sua estrutura de cobre. (FONTE: Cooler
Master, 2010).
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ESPECIFICAÇÕES
Tipo de soquete Intel LGA 775, AMD AM3 / AM2 / 940 / 939 / 754
Dimensões 108 x 114 x 75,4 mm
Material do dissipador Base de Cu / Aleta de Al / 2 tubos de calor
Dimensões de ventoinha 92 x 92 x 25 mm
Velocidade da ventoinha 800 ~ 2200 rpm
Expectativa de vida da ventoinha 40000 rpm
Tipo de rolamento Rolamento longa vida
Nível de ruído 18 dBA
Conector 4-pin
Peso 307,81g
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