El microprocesador genera una gran cantidad de calor, la cual puede dañar sus componentes, de ahí que sea necesario disipar lo más rápidamente posible este calor generado para evitar su sobrecalentamiento, que provocará fallos como bloqueos o reinicios en el equipo microinformático.
Factores de calentamiento
Los factores más relevantes que hacen que se caliente el microprocesador son el voltaje eléctrico que requiere, el número de transistores que incorpora, la frecuencia de reloj a la que trabaja y la tecnología de integración que se ha utilizado en su fabricación.
Si el microprocesador contiene más transistores necesitará más energía eléctrica para trabajar, y este incremento de la energía eléctrica que recibe provocará también un incremento de la energía que disipa en forma de calor. Además, el incremento de la frecuencia de reloj conlleva que el microprocesador lleve a cabo más operaciones en el mismo tiempo, de manera que los transistores cambiarán de estado con más frecuencia, por lo que consumirán más energía eléctrica y disiparán más calor.
En el siguiente vídeo podemos observar qué le ocurre a un microprocesador cuando le quitamos la refrigeración y, por tanto, se sobrecalienta:
Microprocesadores sin refrigeración
Medición del calor generado
En los microprocesadores existe una especificación deniminada TDP (Thermal Design Power - Diseño de Potencia Térmica) que indica la cantidad máxima de calor que el microprocesador va a generar a máximo rendimiento. Este valor se mide en Watios (W), pero no debemos confundir este valor con la potencia eléctrica que el microprocesador va a consumir, aunque están relacionados.
Este valor nos viene muy bien para elegir un sistema de refrigeración que sea capaz de disipar más o menos calor producido por el microprocesador. Por ejemplo, un microprocesador con un TDP de 35W necesitará un disipador más pequeño que otro con un TDP de 70W.
Mecanismos de refrigeración
Existen dos mecanismos diferentes de refrigeración para la disipar calor del microprocesador.
Refrigeración por aire
Es el mecanismo más sencillo, el cual incorpora los siguientes dos componentes.
- El disipador es un elemento pasivo en esta refrigeración, porque no necesita energía para funcionar. Se sitúa en contacto directo con el microprocesador para extraer su calor por conducción. Que disipe más o menos calor dependerá de el material con el que esté fabricado (aluminio, cobre o mezcla de ambos, el aluminio disipa mejor el calor pero el cobre transmite mejor el calor de un metal a otro) y el diseño de sus láminas.
- El ventilador es un elemento activo en esta refrigeración, porque necesita energía para funcionar, se encarga de enviar aire al disipador para enfriarlo por convección (leer más sobre las características del ventilador).
Este mecanismo hace que el calor generado por el microprocesador se expulse al interior del chasis del equipo, por lo que se debería instalar un ventilador en el chasis que expulsara el calor del chasis hacia el exterior y generar un flujo de aire.
Refrigeración líquida
Como alternativa se puede utilizar la refrigeración líquida (watercooling) que es una técnica de enfriamiento que utiliza un líquido refrigerante que extrae el calor del microprocesador por convección, el cual posteriormente se refrigera y vuelve a pasar por el microprocesador.
Este mecanismo necesita los siguientes componentes:
- Bloque de agua o placa refrigerante: va directamente sobre el microprocesador. Incorpora un disipador (de aluminio o cobre como hemos explicado anteriormente), y por su interior circula el líquido refrigerante. La transferencia del calor del microprocesador al disipador se efectúa mediante el mecanismo de conducción, al estar en contacto, y el transporte del calor desde el disipador al líquido refrigerante que circula por el interior se lleva a cabo mediante el efecto de convección.
- Líquido refrigerante: es el fluido en estado líquido que se encarga de transportar el calor a lo largo del circuito. Su composición puede variar si comparamos el líquido de varias marcas, pero muchas de ellas suelen usar etilenglicol, que es un compuesto químico orgánico utilizado con frecuencia como anticongelante, y un aditivo que le da color para evitar que pueda ser bebido por accidente.
- Bomba: suministra al líquido refrigerante la presión necesaria para hacer que este se desplace a lo largo de todo el circuito de refrigeración.
- Depósito: recipiente que contiene buena parte del volumen del líquido de refrigeración. Con frecuencia la bomba y el depósito están adosados, dando forma a un único componente.
- Radiador: elemento metálico (normalmente de aluminio) por cuyo interior circula el líquido refrigerante y a cuya superficie están adosados uno o varios ventiladores. El movimiento de las palas de estos últimos desplaza el caudal de aire necesario para provocar la transferencia de energía térmica desde el líquido refrigerante que circula por el interior del radiador al aire mediante convección, de esta manera, la temperatura del líquido refrigerante se reduce y la del aire circundante se incrementa, por lo que debe ser expulsado fuera del chasis del equipo.
- Ventilador: va adosado sobre la superficie del radiador con el propósito de desplazar el caudal de aire necesario para optimizar el intercambio de energía térmica entre el líquido refrigerante y el aire.
- Tubos y manguitos: son los conductos, normalmente de policloruro de vinilo (PVC) u otro derivado del plástico, por cuyo interior circula el líquido refrigerante a lo largo de todo el circuito. Pueden ser flexibles o rígidos. Los primeros son más fáciles de instalar que los segundos, pero también suelen ser menos duraderos.
Estos componentes los podemos encontrar en dos configuraciones diferentes:
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En un sólo bloque o kit (watercooling AIO - all in one) para comprarlos todos en uno siendo más sencillo su instalación y mantenimiento
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En componentes personalizables (watercooling custom) para montar desde cero, necesita muchos más conocimientos para el montaje y muchos más cuidados en el mantenimiento (ver vídeo Refrigeración líquida por componentes).
Refrigeración líquida kit
Refrigeración líquida custom
Ventajas e inconvenientes
Con respecto al mecanismo de refrigeración por aire convencional, las ventajas de la refrigeración líquida son la mayor capacidad de refrigeración y la estética, mientras que los inconvenientes son su mayor precio, la dificultad de montaje y su mantenimiento.
Materiales conductores térmicos
Existen materiales que se colocan entre el microprocesador y el disipador para ayudar en la transmisión de calor del microprocesador al disipador. A continuación los detallamos y comparamos sus características.
Pasta térmica
La pasta térmica (thermal grease o thermal paste) es una masilla que puede presentarse en múltiples formatos, donde el más común es una especie de líquido muy denso y espeso. Generalmente tiene un color metálico debido a sus componentes, aunque también hay otras variantes que presentan una tonalidad blanca.
La principal característica de la pasta térmica es ofrecer una alta conductividad térmica, razón para su uso: se aplica entre la superficie superior del microprocesador y la superficie de contacto del disipador. Su finalidad es la de “mover” el calor del primer componente al segundo, aunque además, dado que solemos hablar de superficies metálicas, existen irregularidades que son tapadas por la pasta para lograr un mejor contacto entre ambas partes.
En definitiva, el fin de la pasta térmica es servir como elemento físico intermediario entre el microprocesador y el disipador, para que el calor generado por el primero pueda moverse a lo largo de la pasta térmica y llegar al segundo que, a través de sus ventiladores, lo enviará al exterior.
Existen varios tipos de pastas térmicas, pero las dos más usuales son las siguientes:
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Pasta térmica cerámica: se caracteriza por tener un color blanquecino. Su composición se basa en polvo de cerámica en suspensión sobre una mezcla de líquido, generalmente una especie de silicona. Se trata de una pasta térmica barata y básica que suele encontrarse a la venta en tiendas especializadas en electrónica.
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Pasta térmica metálica: al igual que la cerámica, se parte de una base de una especie de silicona a la que se le añaden metales como aluminio o plata que ofrecen una conductividad térmica mucho mayor que la cerámica. Son más caras, pero ideales para soportar las altas temperaturas del microprocesador del ordenador.
Metal líquido
El metal líquido (liquid metal) es una evolución de las pastas térmicas metálicas porque su compuesto tiene metales más conductivos como níquel y cobre, aunque también podemos encontrar combinaciones de plata y oro. Su conductividad térmica es mucho mayor que la pasta térmica, pero su manipulación es también mucho más peligrosa por las siguientes cuestiones:
- Cuanto más caliente esté, más líquida es, y hay que evitar que se derrame en la placa base. Por lo que hay que tener cuidado con la temperatura ambiente para evitar esto.
- Puede provocar cortocircuitos (es conductor de electricidad) si hemos aplicado demasiado, pudiendo dañar la CPU.
- La mayoría de soluciones de metal líquido tienen Galio, lo que es peligroso para disipadores de aluminio (lo agrieta y lo corroe).
El precio es otro factor a tener en cuenta, ya que es superior a la pasta térmica, sobre todo la combinación de plata y oro.
Bibliografía
Refrigeración del microprocesador escrito por Rafa Morales está protegido por una licencia Creative Commons Atribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0 Internacional