WIKI Come funziona un dissipatore

Niemand

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PREMESSA
Spesso quando si parla di scelta o prestazioni del dissipatore, ci si concentra su alcuni aspetti, trascurandone altri altrettanto importanti.
Anche i test e le recensioni sono quasi invariabilmente orientate a valutazioni "in equilibrio" ovvero in condizioni statiche di potenza, temperatura, rumorosità.
Approfondire l'aspetto dinamico invece consente di capire meglio se ci sono eventuali criticità e individuarle con maggiore precisione.
Queste considerazioni sono valide per il dissipatore della CPU ma anche per qualsiasi altro componente atto a "allontanare" il calore generato da un particolare elemento (quindi anche GPU, chipset o, magari, un diodo LED ad alta potenza).
Senza tentare di dare troppe nozioni di fisica, l'elemento da considerare in primis è la potenza da dissipare: la potenza è un valore "oggettivo" e si misura in watt. In un PC i watt si intendono sempre come quantità di calore generato in un certo tempo.
Il marketing ha provato ad appropriarsi di questi valori dandogli significati diversi (il caso più evidente è quello del TDP per i processori) ma un watt resta un watt: se applico un misuratore di potenza alla spina di alimentazione ho un valore che è esattamente quello che deve venire (prima o poi) dissipato dal computer. In termini fisici un computer non produce lavoro meccanico o chimico: produce solo aria calda.

Prime95 e HWInfo
per poter analizzare il comportamento di un dissipatore di calore occorrono due cose:
- una fonte di potenza da dissipare
- uno strumento che misuri la temperatura
per i processori un modo molto (forse anche troppo) efficace per produrre potenza da dissipare è utilizzare il programma Prime95 : questo programma esegue calcoli matematici (è nato per cercare i numeri primi di Mersenne ). La sua particolarità è che può far lavorare in modo pressoché costante al 100% il processore.
Per misurare la temperatura del processore, nello stesso ci sono dei sensori che poi vengono utilizzati da programmi appositi per avere un riscontro a video. HWInfo è tra i più pratici in quanto consente anche di ottenere un datalogging e/o un grafico in tempo reale delle temperature.

IL GRAFICO
i parametri da prendere in considerazione sono quindi la potenza (in watt) e la temperatura (in gradi C) e nel caso specifico (piattaforma Intel e HWInfo64) sono indicati come CPU Package Power e CPU
ecco di seguito il grafico dei due valori nel tempo partendo da una condizione di equilibrio (in idle), lanciando Prime95 per alcuni minuti per poi interrompere il test.

p95.jpg

il dato che viene considerato di solito è la temperatura massima raggiunta dal processore (in questo caso poco sopra i 70 C). un altro dato interessante è il valore della potenza che, sempre in questo casco mentre Prime95 è in esecuzione si attesta intorno agli 88 watt. Da notare che il TDP del processore (un i5 8400) è di 65 watt mentre alla presa l'assorbimento è di oltre 120 watt (GPU integrata, niente componenti aggiuntivi e alimentatore Seasonic G450 80 plus gold).

Al di la' di questi valori però dal grafico si possono vedere alcune cose molto interessanti:

Parte I: JUMP
p95_1.jpg
la prima cosa che risulta subito visibile è l'innalzamento praticamente istantaneo della temperatura del processore quando viene lanciato Prime95.
Interrompendo il test la temperatura scende con la stessa rapidità e intensità (zone evidenziate nell'ellisse verde).

Questo fenomeno, anche se estremamente rilevante ai fini della temperatura sotto stress del processore, non dipende che in minima parte dalla capacità che ha il dissipatore di "smaltire" il calore ricevuto.

Andiamo a capire perché.
Quando un corpo (in questo caso il die della CPU) produce del calore quest'ultimo ha due effetti: il calore si trasferisce verso l'esterno e, residualmente, innalza la propria temperatura. La temperatura più elevata aumenta la capacità di trasferire calore e, continuando a salire la temperatura, si raggiunge un punto di equilibrio tra temperatura e calore trasmesso all'esterno (in questo caso verso il dissipatore). Il fatto che nel grafico l'innalzamento sia praticamente immediato dipende dalla ridottissima massa del die e, in misura minore, dell'IHS (Integrated Heat Spreader). Il valore assoluto di questo innalzamento dipende ovviamente dalla potenza prodotta ma anche dalla capacità di trasmettere efficacemente il calore al dissipatore. I fattori che influenzano questo valore oltre alla potenza sono:
- la superficie del die
- il materiale (TIM o solder) tra die e IHS
- la superficie e il materiale dell'IHS
- la pasta termica
- la superficie e il materiale di contatto del dissipatore

L'utilizzo del rame sulla superficie del dissipatore a contatto con l'IHS contribuisce a ridurre questo delta grazie all'elevata conducibilità termica di questo metallo.
Il processo di delidding per abbassare le temperature di alcuni processori con TIM non eccellente serve anch'esso a ridurre l'entità di questo "salto".
La qualità della pasta termica e della finitura superficiale del dissipatore a contatto con il processore sono altri parametri che l'appassionato può influenzare.
Un valore molto elevato infine può anche essere il risultato di un cattivo montaggio e/o errata applicazione della pasta termica.

Una volta che il die ha raggiunto la temperatura di equilibrio (ovvero quella che gli consente di trasferire gran parte del calore generato al dissipatore) si passa alla fase successiva.

Parte II: CLIMB
p95_2.jpg
Il dissipatore, di qualsiasi tipo esso sia, ha una massa molto più grande del die, dell'IHS e del processore in generale. Questa massa ha una sua inerzia termica rilevante rispetto alle potenze in gioco e questo nel grafico delle temperature è ben visibile con una salita e conseguente discesa piuttosto lenta (rettangoli verde chiaro).
L'inerzia termica di un corpo dipende dalla sua massa e dal calore specifico del materiale. Tra i metalli utilizzati per i dissipatori l'alluminio in rapporto al peso si comporta particolarmente bene con 0,88 watt necessari per innalzare di un grado la temperatura di un grammo di materiale. Il rame si ferma a 0,385 watt per grammo.
Nel caso in questione, con un dissipatore in alluminio di circa 200 grammi (Alpine 12 CO), la temperatura, anche senza nessun tipo di raffreddamento salirebbe con un ritmo di circa un grado ogni due secondi (0,88x200/88). Il dissipatore stock Intel nelle stesse condizioni, avendo metà della massa, sale di circa 1 grado al secondo.
Un caso estremo in questo contesto riguarda i sistemi a liquido in quanto l'acqua ha un calore specifico molto più alto (4,186 w per grammo). Questi impianti di norma hanno inoltre una massa complessiva piuttosto elevata e di conseguenza i tempi di riscaldamento (e di raffreddamento) sono molto più lunghi.
Discorso diverso (e anche piuttosto complesso) per quanto riguarda i sistemi con heat pipe e vapour chamber: in questi casi c'è un fluido che cambia di stato (passa da liquido a vapore e viceversa). Il cambio di stato di una sostanza "inchioda" la temperatura del fluido durante la transizione e questo porta ad una variazione non lineare delle temperature.
Per approfondire l'argomento: WIKI: come è fatto un dissipatore (con heat pipe)

Questa fase legata all'inerzia termica è, per definizione, temporanea: il calore proveniente dal processore riscalda più o meno lentamente il dissipatore ma, in mancanza di un processo successivo di cessione del calore all'ambiente circostante, non può mai essere sufficiente. Nel caso di Prime95 dove la potenza da dissipare è all'incirca costante l'effetto è quindi solo temporaneo. Nell'uso quotidiano di un processore (o di un altro componente elettronico che sviluppi calore) non sempre però il calore è prodotto in modo costante e in questo caso (meno estremo ma più vicino all'uso reale) a una maggiore inerzia corrisponde una maggiore capacità di raffreddare in maniera efficace, livellando i picchi di calore generato, anche se questi picchi sono della durata di alcuni secondi.

Parte III: HOLD

p95_3.jpg
Questa è la fase più studiata e quella di esclusiva competenza del dissipatore. Il calore trasferito dal processore viene dissipato totalmente nell'ambiente circostante (aria).
C'è una abbondante documentazione (principalmente in lingua inglese) a riguardo e non credo quindi valga la pena di approfondire troppo.
La validità di un dissipatore in questa fase può essere ricondotto alla formula generica
θca=(tCase - tAmbient)/Pd
dove Pd è la potenza in watt da dissipare, tCase la temperatura del corpo del dissipatore, tAmbient la temperatura ambiente dell'aria e θca la resistenza termica tra il corpo del dissipatore e l'aria circostante.
Come è logico supporre, mantenendo costanti le fasi precedenti (e la temperatura dell'aria), se aumenta la potenza da trasferire all'aria, lo stesso dissipatore dovrà raggiungere una temperatura superiore.

L'aspetto meno analizzato è invece quanto e come le prime due fasi condizionano la terza.
Graficamente si potrebbero rappresentare le modifiche migliorative che riguardano la prima fase (delidding, montaggio accurato del dissipatore, pasta termica migliore) come uno schiacciamento verso il basso di tutta la curva delle temperature.
L'effetto sul grafico di un cambiamento nella seconda fase (aumento della quantità di liquido in un sistema custom, cambio del dissipatore con uno avente caratteristiche simili ma con massa maggiore) si potrebbe invece rappresentare come uno spostamento verso destra (allargamento) della curva stessa.

SINTESI

Quando si riscontrano temperature elevate del processore con conseguente rumorosità della ventola di raffreddamento, a seguito di overclocking o per altre cause, è pratica comune procedere alla sostituzione del dissipatore con uno con θca migliore per abbassare le temperature.
Talvolta però il problema principale potrebbe invece trovarsi a monte del processo di dissipazione nell'aria: una attenta analisi del grafico rappresentato come qua sopra serve proprio ad evidenziare le aree dove c'è maggiore criticità e quindi necessità di miglioramento.

UPDATE

per rendere più chiare le differenze tra le varie fasi ecco di seguito alcuni grafici sovrapposti in condizioni diverse:
in questa immagine in realtà i grafici sovrapposti sono dello stesso dissipatore ma uno è con la ventola che gira molto più lentamente per avere un θca peggiore:
p95a_b.jpg
La sovrapposizione mostra come la massa (invariata) del dissipatore garantisce per i primi secondi temperature sostanzialmente uguali anche con resistenza termica diversa.

Il grafico successivo invece mette a confronto due dissipatori con θca simile: l'Arctic Alpine 12 CO "tagliato" a 1000 giri come nel caso precedente e un dissipatore Intel (versione con superficie di appoggio in rame):
p95d_b.jpg
In questo caso si vede come, a parità di potenza l'elemento in rame del dissipatore Intel riduce leggermente l'entità della prima fase (jump) accelerando la trasmissione di calore al dissipatore. La fase successiva con il dissipatore Intel è però molto più rapida (la massa è all'incirca la metà) riducendo drasticamente i tempi sia in salita come in discesa.
Questo significa che in presenza di generazione di calore variabile (molto più vicina all'uso normale seppure intenso, rispetto a Prime95) anche con θca sostanzialmente uguali il leggero dissipatore Intel va in crisi molto prima del massiccio Arctic.
Utilizzando lo stesso dissipatore dei primi grafici ma con processore diverso (un 9100F) la prima cosa che salta all'occhio è la sostanziale inattendibilità del TDP. I due processori a fronte di uno stesso valore del TDP dichiarato (65 W) hanno produzione di calore e requisiti per la dissipazione totalmente diversi:
p95a_c.jpg
La sovrapposizione mostra inoltre come una diversa quantità di calore da dissipare (65w vs 88W) influisce su tutte le fasi del grafico.
 
Ultima modifica:

Liupen

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#8
Bravo, mi è piaciuto il post.

Solo alcuni chiarimenti se puoi.
Il software prende l'assorbimento (energia) istantaneo e la temperatura sarà data da un sensore dentro la CPU stessa, giusto?
Interpreto bene se dico: Jump iniziale, lo vedo come un elemento endogeno, un dato fisso in alcun modo modificabile da qualcosa di esterno... aumenta l'assorbimento e aumenta il calore (specifico per la struttura di quel tipo di CPU) proporzionalmente e istantaneamente.
La fase di Climb iniziale è la fase tra quanto il dissipatore riesce a smaltire e quanto il calore generato risulta troppo per il dissipatore stesso.
La situazione Climb è la caratteristica pura del dissipatore: per una certa cpu, ad un assorbimento fissato, il nostro dissipatore lavora dissipando X massimo, tale che la temperatura risulti in equilibrio tra calore prodotto/calore disperso.
Il jump finale / Hold e tutta la fase discendente del grafico, a carico off , può essere rivelatore del potere dissipante del dissipatore., ma mi sembra che la parte più interessante al fine del dissipatore sia quella sotto carico (Climb).
A questa posso aggiungere la velocità di reazione del dissipatore (che è una caratteristica passiva) ovvero il Climb iniziale.
 

Niemand

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#9
Bravo, mi è piaciuto il post.
Solo alcuni chiarimenti se puoi.
grazie :)
Naturalmente le tre fasi hanno una certa quota di sovrapposizione tra loro, quanto indicato è frutto di una certa esemplificazione.
Liupen ha detto:
Il software prende l'assorbimento (energia) istantaneo e la temperatura sarà data da un sensore dentro la CPU stessa, giusto?
giusto
Liupen ha detto:
Interpreto bene se dico: Jump iniziale, lo vedo come un elemento endogeno, un dato fisso in alcun modo modificabile da qualcosa di esterno... aumenta l'assorbimento e aumenta il calore (specifico per la struttura di quel tipo di CPU) proporzionalmente e istantaneamente.
non esattamente: con il delidding o con una pasta termica migliore puoi "anticipare" la fase successiva e quindi ridurre il valore assoluto del "jump"
Liupen ha detto:
La fase di Climb iniziale è la fase tra quanto il dissipatore riesce a smaltire e quanto il calore generato risulta troppo per il dissipatore stesso.
nella fase di climb iniziale il dissipatore è molto più freddo del processore, con una temperatura vicina a quella ambiente. Prima di iniziare a smaltire il calore deve riscaldarsi e questo richiede parecchi secondi (non tanto perché sta dissipando ma perché si sta scaldando). Questo è evidenziato anche dalla fase discendente dove il dissipatore è ancora molto caldo (appena interrotto Prime95 la temperatura del dissipatore resterà pressoché uguale ai valori precedenti mentre il processore non produce più calore). E' questo il concetto più difficile, l'andamento dinamico di calore e temperatura.
Gradualmente, quando si passa alla fase hold, il padrone del gioco diventa la capacità di dissipare. Con un custom loop e diversi litri di liquido ci vorrebbero diversi minuti a pieno carico per arrivarci.
La bibliografia si sofferma su questa fase ma in un uso diverso da Prime95 (e comunque solo per Intel) è sufficiente che il dissipatore smaltisca il valore medio di calore generato e non il valore di picco. A livellare il valore di picco ci pensa la sua massa.
con il nuovo sistema di boost di AMD la massa del dissipatore è ancora più importante perché consente di sfruttare al massimo le prestazioni, adeguando lo smaltimento a condizioni di utilizzo continuativo e non di boost che sarebbe comunque temporaneo.
 
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