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Personal computer - Raffreddamento

Personal computer e il raffreddamento

I computer moderni tendono ad avere case sempre più piccoli e produrre molto calore, quindi il raffreddamento rappresenta un fattore critico per la durata e la stabilità degli stessi. I computer più critici da questo punto di vista sono quelli dedicati ai videogliochi e le workstation grafiche che condividono il problema dello smaltimento del calore generato dalle schede grafiche di ultima generazione che arrivano ad assorbire 200W ed oltre e vi è la possibilità di montarne fino a 3 in parallelo. Praticamente un piccolo forno. Se poi si calcola il calore prodotto dalla CPU che può arrivare oltre ai 100W e quello generato dal chipset e dall'alimentatore stesso ci sono dei casi in cui la potenza assorbita supera i 1000W. Il mantenimento di un buon flusso d'aria è fondamentale, cosa che in genere si coniuga con un fastidioso rumore di ventole. Un altro aspetto da tenere in considerazione è che più il computer scalda più aria entra e di conseguenza più polvere si deposita all'interno ostacolando lo scambio termico. Quindi questo tipo di macchine necessitano di pulizia molto più spesso di un computer "normale". E' fondamentale in fase di progetto creare un percorso per l'aria all'interno del computer che non lasci zone scoperte evitando di creare "bolle" di calore. Il problema si ripropone a maggor ragione nei grandi centri di calcolo tanto che alcune server farm sono state costruite il luoghi particolarmente freddi come il mare del nord.

Personal computer e raffreddamento: Il cammino dell'aria

In genere in un computer desktop l'aria entra dall'alimentatore e se presente da una ventola ausiliaria che in genere è montata sulla parte frontale. All'interno l'aria segue un traditto che è determinato dagli ostacoli che incontra lungo il suo percorso e viene espulsa dai fianchi o più frequentemente dalla parte posteriore. La ventola della CPU crea invece un piccolo vortice attorno alla CPU, in altre parole funge da agitatore interno. Se all'interno sono presenti molte schede il percorso dell'aria si fa più complesso, specie come nel caso delle schede madri di ultima generazione che hanno una o più ventole. Lo smaltimento del calore avviene con l'aria espulsa e con la carcassa metallica del case del computer stesso.

Personal computer e raffreddamento: le ventole e i dissipatori

I computer modeni sono affollati di ventole e dissipatori per migliorare il trasferimento di calore dai componenti del computer all'aria. In genere sulle schede madri si nota subito il dissipatore della CPU, in genere costituito da un dissipatore in alluminio con una grande superficie alettata, solidale con una ventola che pompa aria fresca sullo stesso. Il secondo dissipatore che si nota su una scheda madre è quello del Platform Controller Hub (PCH), l'integrato che gestisce la comunicazione fra la CPU ed alcune periferiche. In genere non è dotato di ventola ma è bene che sia immerso in un flusso di aria perchè in genere produce molto calore. Perchè non ha una ventola? Semplice, i produttori cercano sempre di mediare fra necessità e costi.

Come potete vedere una scheda madre è affollata da dissipatori di calore sormontati o meno da ventole. In questo caso il dissipatore della CPU e quello del Platform Controller Hub sono in alluminio. La ventola è di tipo assiale. Questa soluzione è quella standard a basso costo, quella più comune nei computer di fascia medio-bassa, mentre in computer di buona qualità è facile trovare sistemi di dissipazione a tubi di calore e nel caso di computer per gioco anche raffreddamento ad acqua.

In questa foto un dissipatore a basso profilo per CPU. Il dissipatore è in rame per aumentare il trasporto di calore e la ventola è di tipo tangenziale per mantenere basso il profilo del sistema dissipatore-ventola. La ventola è realizzata con il perno che ruota su cuscinetti a sfera per ridurre l'attrito e aumentare la durata di vita della stessa, sintomo di una buona qualità costruttiva. Sullo sfondo si vede la RAM (colore blu elettrico) che a sua volta in questo caso è provvista di dissipatore. Non ho mai capito a cosa serve, la temperatura delle RAM durante le prove che ho fatto si mantiene sempre bassa.

Visione frontale della ventola tangenziale del dissipatore che si può vedere nella foto sopra. Si notano le palette della ventola attraverso la feritoia di espulsione dell'aria. Essendo un ventilatore centrifugo, l'aria viene aspirata dal dissipatore e sparata all'esterno attraverso la feritoia. Il dissipatore viene mantenuto con una certa pressione sulla CPU da quattro robuste molle che si vedono ai lati.

In questa foto è possibile vedere la parte a contatto con il Platform Controller Hub di un dissipatore in alluminio. La parte a contatto è cosparsa di pasta termoconduttiva che serve per migliorare il contatto termico fra l'integrato e il dissipatore. Negli anni questo tipo di dissipatore (quello del Platform Controller Hub) è diventato sempre più piccolo complice l'ottimizzazione che hanno subito questo tipo di circuiti integrati che ora richiedono meno potenza e, quindi sviluppano meno calore.

La parte sotto di un dissipatore per CPU. Anche in questo caso vi è uno strato di pasta termoconduttiva per migliorare il trasporto del calore fra la CPU e il dissipatore.	La parte sopra di un dissipatore per CPU. Si nota la ventola alimentata da un connettore a 4 fili con controllo della velocità della stessa (da parte della scheda madre).

Impostanza della pasta termoconduttiva

Nella zona di contatto fra l'elemento da raffreddare e il dissipatore è sempre presente uno strato di pasta termoconduttiva. Se noi potessimo vedere al microscopio le superfici di contatto potremmo vedere che non sono regolari ma presentano una certa rugosità. La pasta termoconduttiva serve per eliminare queste rugosità e migliorare il contatto termico. Ne va usato uno strato veramente sottile. L'eccesso viene espulso dalla pressione causata dalle molle di ritenuta che tengono in posizione il dissipatore.

Controllo dell'efficacia del raffreddamento

Vi è un unico modo efficace per verificare che non vi siano punti caldi o bolle di aria calda all'interno del computer. Usare una termocamera. E' uno strumento che non è alla portata di tutti per via del costo, ma è lo strumento più efficace. Sapete quante volte capita che un computer d'estate (il periodo più critico) va in blocco e sia la CPU che il Platform Controller Hub, i due elementi che producono più calore sono freddi? Semplicemente a suriscaldarsi è uno dei tanti circuiti integrati di contorno che difficilmente riusciremmo a scovare. La termocamera in linea di massima è molto utile per verificare qualsiasi circuito elettrico o elettronico.

Questa scheda madre è ben raffreddata, eppure qualcosa è scappato ai progettisti. Quel piccolo puntino rosso è un componente che raggiunge i 60°C con una temperatura ambiente di 20°C. Questo significa che se la temperatura ambiente aumenta o con l'invecchiamento si deposita un po' di polvere che funge da isolante questo componente arriverà anche a 100°C e probabilmente si brucerà o rovinerà la scheda madre.	Particolare del Platform Controller Hub di una scheda madre. Il puntino rosso è un integrato di contorno che arriva a 50°C con una temperatura ambiente di 20°C. Forse sarebbe opportuno mettere un piccolo dissipatore di quelli adesivi fatti apposta per piccoli circuiti integrati. Il dissipatore del Platform Controller Hub invece è molto efficace e rimane a temperatura molto più bassa.
Questa scheda madre è ben raffreddata, a parte il dissipatore del Platform Controller Hub che arriva a quasi 46°C con una temperatura ambiente di 20°C. Tenendo conto della resistenza termica che vi è fra il dissipatore, l'inferfaccia dissipatore e case del circuito integrato e fra case del circuito integrato e il chip al suo interno si può facilmente presumere che il chip abbia una temperatura di 60°C. Forse è meglio mettere una piccola ventola sul dissipatore.	Ingrandimento del caso precedente. Si noti l'alone di calore che irradia il dissipatore nell'intorno. Un'alternativa ad una ventola potrebbe essere un dissipatore più generoso.

Personal computer e raffreddamento: I danni più comuni dovuti al calore eccessivo

In genere i danni più comuni sono a carico dei condensatori elettrolitici posti in prossimità di fonti di calore. L'elettrolita evapora e i condensatori smettono di funzionare. Vista l'importanza degli stessi per tutta una serie di circuiti primo fra tutti l'alimentatore della CPU e delle periferiche (la tensione fornita dall'alimentatore del computer viene abbassata da dei convertitori CC/CC posti sulla scheda madre) il danneggiamento di questi provoca svariati tipi di instabilità. Difficilmente sono rimpiazzabili.