Laptops 101: Understanding what goes into designing an efficient laptop cooling solution

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Fresco como una lechuga. Diseñar e implementar un sistema térmico eficiente en un portátil requiere mucho I+D y una selección adecuada de cada componente individual en el sistema para garantizar que todos los componentes rindan a su máximo potencial. En este artículo básico, echamos un vistazo a lo que entra en cada paso del proceso de diseño térmico y cómo los OEM prueban y crean prototipos de sus diseños térmicos para obtener la máxima eficiencia. Tomamos el ejemplo del portátil GT76 insignia de MSI que puede funcionar sin obstáculos a 5 GHz en todos los núcleos para ilustrar mejor el proceso. (artículo patrocinado)
 
GT76
El diseño térmico debe permitir que una computadora portátil alcance el máximo rendimiento durante períodos más largos sin estrangulamiento.
 

Introducción

Entonces, acabas de tener en tus manos una bestia absoluta de un portátil que es delgada pero poderosa y que teóricamente te puede dar todos los marcos que necesitas para dominar el mundo de los juegos. Después de configurarlo, enciendes el juego con alegría esperando ser la última persona en pie. Treinta minutos después del juego, descubres que tus cuadros están cayendo rápidamente y que la computadora portátil está tan caliente como un alto horno. Parece que, después de todo, las especificaciones no podían coincidir con el rendimiento del mundo real. Lo que acaba de suceder es que has experimentado un acelerador de velocidad debido a un enfriamiento inadecuado.
 
No se puede exagerar la importancia del enfriamiento adecuado en las computadoras portátiles. Los lectores habituales de Notebookcheck estarán al tanto de los numerosos artículos en los que hemos enfatizado una y otra vez la necesidad de evaluar adecuadamente los sistemas de enfriamiento de las computadoras portátiles que usan componentes emblemáticos y los peligros asociados de la aceleración. Una refrigeración inadecuada puede provocar una pérdida de rendimiento significativa y, en última instancia, puede terminar pagando más por una computadora portátil que realmente rinde menos.
 
Al comprar una computadora portátil, comprender cómo el OEM implementa el mecanismo de enfriamiento es una forma de inferir el potencial de un buen rendimiento. El espacio libre disponible para enfriar en una computadora portátil es mucho menor que el que se obtiene en una PC de escritorio, por lo que los fabricantes de equipos originales han ideado formas innovadoras para mantener componentes como un Intel Core i9-9980HK de clase de escritorio completo y una NVIDIA GeForce RTX 2080 zumbando sin mucho hipo.
 
En este artículo, veremos qué implica el diseño de una solución de enfriamiento efectiva, incluida la elección de los componentes y la creación de prototipos que se incluyen en este proceso junto con algunas de las mejoras que los OEM han logrado hacer en los últimos tiempos. ¿Está interesado en saber qué implica hacer que una computadora portátil como la MSI GT76 ejecute los 8 núcleos a 5 GHz? Sigue leyendo.
 

Diseñando una solución térmica capaz

Diseñar una buena solución térmica que pueda abarcar los requisitos de disipación de calor de los componentes clave como la CPU, la GPU y los VRM no es un asunto trivial. Hay muchos factores y pruebas para tratar de comprender cuánto calor generan los chips y qué tan bien pueden encajar en el factor de forma particular de la computadora portátil.
 
El proceso de diseño de la solución de enfriamiento de un portátil es un aspecto muy importante del proceso de I+D y esto generalmente ocurre como se detalla a continuación. Tenga en cuenta que si bien cada OEM tendrá su propia forma patentada de diseñar las térmicas para maximizar el rendimiento, los conceptos relacionados con el uso de bloques térmicos, heatpipes, disipadores y ventiladores son aplicables en casi todos los fabricantes.
 

El sistema de refrigeración del MSI GP75 Leopard 9SD.

 

El "chip" del antiguo bloque térmico

Eche un vistazo a las partes internas del MSI GP75 Leopard que se muestran al lado. Esta es una computadora portátil muy capaz para juegos de 1080p y funciona con Intel Core i7-9750H y NVIDIA GeForce GTX 1660 Ti. De la imagen, podemos ver múltiples tubos de calor de cobre que se alejan de la CPU y la GPU hacia los ventiladores. Si observa detenidamente, puede ver que estas tuberías de cobre en realidad se alejan de un bloque de cobre que está presente en ambos procesadores. Este bloque de cobre, o bloque térmico si lo desea, hace contacto con la CPU / GPU real a través de una pasta térmica. Entonces, la transferencia de calor ocurre como CPU / GPU> Pegar> Bloquear> Tubos de calor. La idea es transferir el calor del chip lo más rápido posible al bloque térmico para una disipación eficiente. ¿Porque es esto importante?
 

El Apple MacBook Pro 2018 con el Core i9-8950HK fue infame por sus problemas de aceleración debido a un enfriamiento inadecuado. (Fuente: Dave Lee en YouTube)
 
Sin entrar en demasiados detalles, cada chip está clasificado para disipar una cierta cantidad de calor cuando se opera a su TDP nominal. Si bien no hay consenso entre los fabricantes de chips sobre cómo se calcula el TDP, los fabricantes de equipos originales realizan sus propias pruebas para ver hasta qué punto se puede empujar este TDP dentro de un tamaño de chasis determinado. Ahora, si el calor no se aleja del chip de manera oportuna, el aumento de la envoltura de calor alrededor del chip lo obliga a operar a una frecuencia más baja para evitar daños, lo que afecta el rendimiento. Un ejemplo es cómo el Apple MacBook Pro 2018 con Core i9 inicialmente ni siquiera pudo alcanzar la frecuencia de impulso nominal debido al diseño térmico deficiente.

Además, el exceso de calor significa que el chip funcionará con una menor eficiencia en el ciclo del reloj y, aunque puede parecer que alcanza la frecuencia requerida, el rendimiento general está comprometido. La capacidad de overclock también se ve severamente obstaculizada.

A generic vs. a CNC-polished
copper block used in the MSI GT76.
(Image courtesy: MSI)
 
Por lo tanto, es importante que el calor se extraiga del chip con alta eficiencia y en el menor tiempo posible. El cobre es la opción preferida para los bloques térmicos debido a su alta conductividad. El bloque de cobre en la mayoría de las computadoras portátiles tiene una superficie rugosa, que a nivel microscópico no permite un contacto completo con la grasa. Para evitar este problema y ofrecer una conductividad aún más eficiente, las computadoras portátiles para juegos más potentes, como la MSI GT76, utilizan un bloque de cobre pulido por CNC para maximizar el área de contacto superficial, lo que ayuda a una mejor disipación del calor lejos del procesador.

 

Good thermals is still a "heat pipe" dream


Heat pipe working principle. (Source: Wikipedia)
 
Entonces, ahora que hemos eliminado el calor del chip de manera eficiente, necesitamos canalizar este calor lejos del ensamblaje de la CPU / GPU a través de tubos de calor. Una tubería de calor se compone de una sección de evaporador y una sección de condensador y técnicamente se conoce como un sistema de transporte de calor de dos fases. En una tubería de calor, un líquido (generalmente agua) absorbe el calor del bloque térmico y se convierte en vapor (sección del evaporador) que viaja a lo largo de la cavidad de la tubería a una región de temperatura más baja (sección del condensador). Aquí, el vapor se condensa en líquido, que es reabsorbido por una mecha y fluye de regreso a la posición original por acción capilar mientras el calor se disipa hacia afuera.
 

Heat transfer schematic. (Source: Calyos)

Como ejemplo, considere el diagrama adjunto. Vemos que el líquido en la tubería de calor se calienta en vapor, viaja al área de transferencia de calor, transfiere el calor y se condensa nuevamente en forma líquida. La parte etiquetada "Vaporización" se puede comparar con el bloque de calor que discutimos anteriormente, mientras que el área de "Transferencia de calor" es similar a las aletas del difusor de calor que veremos en breve. Así es como se transfiere el calor desde el bloque térmico y finalmente a las aletas del difusor de calor donde el calor se expulsa a través de los ventiladores.
 

Sección transversal de un tubo de calor de metal sinterizado. (Fuente: Frosty Tech)

Las tuberías de calor generalmente están hechas de cobre o aluminio y la estructura de la mecha en el interior está acanalada, con una malla de alambre (pantalla envuelta), sinterizada o fibra. De estos, los tubos sinterizados son los más caros de fabricar, pero ofrecen una excelente conducción de calor desde la mecha a la pared y viceversa.
 
Si bien la estructura de la mecha es un criterio clave para seleccionar la tubería de calor correcta, hay varios otros factores que deben considerarse igualmente para un rendimiento eficiente de la tubería de calor. El primero de ellos es la cantidad: cuanto mayor sea el número de tuberías de calor, mejor será la transferencia de calor desde el bloque térmico a la tubería. Sin embargo, decidir el número de tuberías depende de la salida térmica general del bloque y del área de superficie disponible.
 
La longitud y el diámetro de la tubería afectan directamente la velocidad de desplazamiento del vapor dentro de la cavidad. Cuanto mayor es el diámetro, más volumen de vapor se puede transmitir. La longitud de la tubería no debe ser demasiado larga. Las tuberías más cortas pueden transmitir más calor que las más largas y las tuberías más cortas también tienen límites capilares más altos: la velocidad a la que el fluido regresa del condensador al evaporador.
 

Distribución individual de tubos de calor para la CPU y la GPU en el MSI GT76.
 
Muchas computadoras portátiles a menudo ejecutan tuberías de calor a través de la CPU y la GPU. Si bien esto ahorra costos, la parte de la tubería entre la CPU y la GPU es relativamente más fría, lo que puede provocar una condensación prematura del líquido que obstaculiza la eficiencia de la transferencia de calor. Por lo tanto, en las computadoras portátiles de juegos de alta gama como la MSI GT76, la CPU y la GPU tienen sus propios tubos de calor y conjuntos de ventiladores correspondientes para una máxima transferencia de calor.
 
Dado que una computadora portátil no tiene suficiente espacio para acomodar una tubería de calor cilíndrica, la tubería debe aplanarse antes de que pueda usarse en el sistema térmico. Esto agrega otra capa de complejidad ya que el aplanamiento desigual o excesivo puede impedir la transferencia de líquido dentro de la mecha. Las curvas cerradas también son perjudiciales. Sin embargo, se ha demostrado que siempre que el radio de curvatura sea 3 veces mayor que el diámetro de la tubería, el rendimiento no se ve afectado.

 

Mejor flujo de aire asegura un portátil más fresco


Schematic showing the entry of cool air (blue) and exit of hot air (red) in a typical notebook. (Source: Inyes.org)
 
Transmitir con éxito el calor del procesador es solo la mitad del trabajo realizado. Sacar completamente el calor del chasis es igualmente desafiante. Aquí es donde entran los difusores de calor y los ventiladores. En un nivel muy básico, el difusor de calor aumenta el área de superficie para el calor proveniente del tubo de calor mientras el ventilador expulsa este calor al extraer aire frío del exterior.

A typical laptop fan assembly with thermal block, heat pipes,
and heat spreader.(Source: Any PC Part with edits)
 
Decidir sobre el tipo de ventilador y difusor de calor va más allá de solo seleccionar las mejores partes para el trabajo. El ventilador en cuestión debe lograr un equilibrio entre la cantidad de aspas y el espacio entre ellas: al apretar demasiadas aspas en un espacio pequeño significa que no se puede expulsar suficiente aire. Al mismo tiempo, la eficiencia disminuye cuando hay menos cuchillas con mucho espacio entre ellas. Entonces, ¿cómo se determina la mejor estructura de ventilador para un enfriamiento óptimo?

The MSI GT76's heat spreader has more fin surface area and additional fans
 

Ingrese al software de simulación. Muchos fabricantes de equipos originales utilizan software de simulación estándar de la industria que puede ofrecer una evaluación justa de cómo sería el flujo de aire para un chasis determinado. La idea de usar un software de simulación es descubrir qué tipo de conjunto de ventilador funciona mejor para los requisitos de enfriamiento dados en lugar de simplemente golpear al ventilador más rápido (y posiblemente más ruidoso) del mercado. El software de simulación tiene en cuenta muchas características, como la forma en que el flujo de aire se dirige hacia dentro y fuera del chasis, el espacio disponible dentro del chasis, el volumen de aire generado por el diseño del ventilador (CFM), el área de superficie de las aletas del difusor de calor, etc. El software puede predecir la distribución de temperatura dentro del chasis bajo diferentes simulaciones de carga. Esto ayuda a los OEM a comprender y refinar mejor su configuración de enfriamiento para obtener la máxima eficiencia.

En el siguiente video de una prueba de simulación, podemos tener una idea de cómo la simulación del flujo de aire ayuda a comprender el resultado probable de una implementación de enfriamiento. Aquí, vemos que este diseño de muestra en particular resultó en la succión de aire caliente hacia la entrada, lo que resultó en temperaturas más altas.

 
 
Después de hacer los cambios necesarios a la derecha, ahora vemos que los ventiladores expulsan todo el aire caliente, lo que da como resultado una distribución de temperatura mucho más uniforme. Por lo tanto, al utilizar una simulación de este tipo, es posible realizar cambios en el diseño de enfriamiento en la etapa de prototipo. También ayuda a detectar problemas que podrían no ser posibles de identificar físicamente.
 
 
Ahora, consideremos cómo funciona todo en un ejemplo práctico como el MSI GT76. El GT76 apunta a un rendimiento sostenido a largo plazo a 5 GHz en todos los núcleos del Core i9-9900K. Como se ve en la imagen, el sistema de enfriamiento del GT76 presenta no menos de 11 tubos de calor, dos bloques de cobre pulidos por CNC, difusores de calor mejorados y un diseño de cuatro ventiladores. Los difusores de calor abarcan toda la longitud de la computadora portátil y la disponibilidad de cuatro ventiladores ayuda a disipar el calor en toda la parte trasera en lugar de solo una o dos esquinas.

The GT76 can dissipate heat along the entire length of the chassis.
 
MSI dice que las simulaciones extensas lo han ayudado a diseñar el nuevo sistema de flujo de aire que logra un flujo de aire 2.25 veces mejor en comparación con la competencia con los ventiladores del GT76 empujando 96 CFM de aire en comparación con 42.6 CFM en los otros. El área de superficie de aleta más grande del nuevo difusor de calor también juega su papel para evitar que el 9900K se estrangule. El lado de la CPU del GT76 tiene un área de superficie de aleta de 252,910 mm2 - ~ 2.3x la del GT75 Titan (110,045 mm2).
 

The GT76's fans can push 125%
more air compared to the competition.

The GT76's fin surface area is 130%
higher than last year's GT75.

 

En nuestra propia revisión del GT76, descubrimos que el portátil no aceleró en absoluto, incluso cuando se sometió a una prueba de estrés FurMark y Prime95 de 60 minutos, aunque notamos que los componentes estaban más calientes de lo normal. También notamos que la computadora portátil podría funcionar continuamente a 4.7 GHz en un bucle Cinebench R15 sin sudar.
 

 

Conclusión

Como ya habrá entendido, el diseño de un sistema de enfriamiento adecuado que permita que los componentes funcionen a su máximo potencial es uno de los objetivos más importantes de la investigación y desarrollo de computadoras portátiles. Varios aspectos, comenzando por imaginar cómo debería ocurrir el flujo de aire dentro del chasis hasta elegir los materiales correctos y las pruebas de simulación, juegan un papel crucial para garantizar que pueda trabajar o jugar sin sacrificar el rendimiento.

Si bien hemos profundizado en algunos de los aspectos de hardware de la refrigeración, también se requieren muchas optimizaciones de software para garantizar que el sistema pueda detectar la envoltura térmica y regularla en consecuencia. Esperamos que este manual sobre cómo se diseñan las soluciones de refrigeración para computadoras portátiles haya desempeñado su papel en el avance de su conocimiento sobre este aspecto importante pero a menudo ignorado de las compras de computadoras portátiles.

MSI dice que las computadoras portátiles con mejores soluciones de enfriamiento serán el foco de su próximo programa de regreso a la escuela, por lo que se espera ver soluciones de enfriamiento mejoradas en toda la cartera.

Mire este espacio para los próximos temas de la computadora portátil 101, que incluyen lo que se necesita para determinar la precisión del panel LCD, el diseño del panel táctil, la acústica y más.

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