Raffreddamento aria,liquido ed extreme cooling - Simulatori di carico Revisione 2.0

Con il passare degli anni e con l'esperienza accumulata dai numerosi test eseguiti sulle più disparate soluzioni di dissipazione termica provenienti da tutto il mondo, abbiamo sviluppato una nuova metodologia di test che sarà applicata a partire dalla data odierna su tutte le soluzioni appartenenti al ramo dei dissipatori e waterblock per GPU,CPU e chip elettronici; tali soluzioni vedranno applicata la nuova versione dei simulatori termici in dotazione alle forze di CT da qualche giorno.

Le nuove postazioni di carichi termici sintetici sono il risultato di uno studio avanzato, durato anni, dell'attrezzatura a nostra disposizione e risultano profondamente differenti dalla precedente versione fin qui utilizzata.
Da quest'ultima ereditano unicamente il concetto teorico mentre tutta la gestione termica e l'interfaccia tra core e base del dissipatore/waterblock vengono nettamente migliorate sotto tutti i piani sia tecnici che prestazionali, con una precisione dei dati rilevati e una distribuzione termica profondamente ottimizzata. Ciò è stato reso possibile grazie all'utilizzo di rame privo di ossigeno(OFE - Oxigen Free Electronic), ad oggi la versione del rame più pura e elettro/termo conduttiva presente sul mercato commerciale(ancora più pura del rame elettrolitico nonchè ovviamente più costosa), con delle dimensioni che passano dai 50x50x50mm della prima revisione ai soli 50x50x10mm(larghezza x altezza x profondità) dell'attuale, permettendoci di avere uno strumento nettamente più reattivo nello scambiare il calore con il prodotto testato, grazie al limitato buffer, che andrà in regime termico ben otto volte più velocemente rispetto al suo frattello maggiore.
Profondamente rivisti sono inoltre i margini di tolleranza dei fori per le resistenze che passano da un cuscinetto d'aria di 0.5mm a soli 2,5 micron-µm(0.0025mm); questo permetterà già a soli 11,85W di "saldare" letteralmente i resistori alle pareti fisse del simulatore grazie all'espansione dei materiali di rivestimento(Magnesio/alluminio) riducendo a valori del tutto trascurabili le eventuali perdite termiche, tale soluzione è stata preferita all'utilizzo di saldature in stagno a causa delle proprietà fisico/termiche dello stagno stesso che risultano nettamente inferiori rispetto al rame utilizzato(66W/mK contro 400W/mK). Optando per fori con precisione micrometrica, opportunatamente sfalsati secondo specifici calcoli al fin di garantire la perfetta distribuzione calorica, e sruttando la minima dilatazione termica del metalli si consente quindi di ottenere un perfetto scambio termico tra i carichi e simulatore sintetico a qualsiasi quantità di energia immessa.
A lavorazione terminata e certificata, è stata inoltre studiata un'armatura specifica multistrato per bloccare l'irraggiamento termico non preso in considerazione con la precedente revisione; tale fenomeno è da ricondursi al campo del magnetismo ed è direttamente correlato allo stato di agitazione degli atomi del materiale riscaldato, rame nel nostro caso, i quali, rilasciando particelle cariche, emettono una radiazione nel campo dell'infrarosso che toglie energia al corpo riscaldato cedendola all'ambiente circostante.
Un chiaro esempio di radiazione termica infrarossa facilmente comprensibile da tutti possono essere i termosifoni di casa o una comune lampadina alogena da cui possiamo sentire il "calore" a distanza senza necessariamente toccarla, oppure ancora il sole che tramite irraggiamento riscalda il nostro pianeta tutti i giorni a distanza di milioni di kilometri.
Da Wiki:
"La radiazione termica si genera quando il calore prodotto dal movimento di particelle cariche all'interno degli atomi è convertito in radiazione elettromagnetica. La frequenza dell'onda emessa da una radiazione termica è una distribuzione probabilistica che dipende solo dalla temperatura, e nel caso del corpo nero è data dalla Legge di Planck per la radiazione. La legge di Wien dà la frequenza più probabile della radiazione emessa e la legge di Stefan-Boltzmann dà l'intensità di calore."

Proprio la radiazione nell'infrarosso sta alla base delle videocamere termiche che captando le emissioni indicano il grado di agitazione del materiale e quindi il suo calore; schermando e isolando completamente la nuova generazione andiamo quindi ad isolare il fenomeno evitando perdite termiche di irraggiamento presenti nella precedente metodologia, un netto passo avanti nella precisione dei test.

 

Foto termica CPU 2simulatore-rev2-armatura

Per ciò che concerne la rilevazione delle temperature, come si può intravedere nelle foto di cui sopra, è stata introdotta una nuova sonda di temperatura ad alta precisione filettata direttamente a contatto con il corpo in rame del simulatore, inserita in posizione centrale tra i due carichi termici e collocata 1mm sotto il punto di contatto dell'eventuale dissipatore o waterblock.
La cablatura è stata effettuata tramite una guaina schermata contro le radiazioni elettromagnetiche fornite da cellulare e/o eventuali campi magnetici attraverso un anima in tela, rivestita in silicone e successivamente avvolta da una treccia in acciaio inossidabile che ne conserverà l'integrità pressochè in qualsiasi condizione di utilizzo, evitando possibili danni ed eventuali rotture non visibili ad occhio ma che potrebbero portare interferenze sui cavi di comunicazione.
Standard risulta invece il finale di connessione che prevede la classica spina maschio di tipo K certificata CE e conforme agli standard comunitari di misurazione internazionali.

simulatore-rev2-sonda2simulatore-rev2-sonda1

 

Nelle foto seguenti viene visualizzato un primo test di precisione della sonda interna ed una comparazione dimensionale con la prima versione dei simulatori in nostra dotazione, si noti il netto cambio nella gradazione cromatica del rame:

simulatore-rev2-precisionesimulatore-rev2-comparazione

 


 

Il controllo dei carichi termici è una delle cose più complesse e ricercate fino ad oggi mai implementate nei locali di CT, dopo anni di utilizzo si è infatti deciso di abbandonare completamente il mondo analogico sostituendo potenziometri e variac con microntroller e trasduttori digitali, un passo molto complesso nei suoi punti che ha richiesto ingenti investimenti sia sotto il profilo monetario che sotto l'aspetto delle energie spese ma che, tuttavia, con orgoglio riportiamo in queste righe.
Il nuovo sistema di controllo, nello specifico, abbandona tutti i controlli manuali, imprecisi e soggetti ad errori "errare humanum est", e passa ad un controllo interamente digitale utilizzando un circuito complesso formato da un microprocessore della Microchip con i seguenti parametri tecnici:

Velocità CPU (MIPS) 12
RAM a bordo 2,048
Data EEPROM (bytes) 256
Digital Communication 1-A/E/USART, 1-MSSP(SPI/I2C)
Moduli di Capture/Compare/PWM 1 CCP, 1 ECCP
Timers 1 x 8-bit, 3 x 16-bit
ADC 13 ch, 10-bit
Comparatori 2
USB (ch, velocità, tecnologia) 1, Full Speed, USB 2.0


opportunatamente programmato per erogare un segnale PWM che viene letto ed interpretato da un trasduttore il quale, in base all'ampiezza dell'onda quadra, eroga una successiva tensione di controllo ad un trasformatore digitale variabile continuo 0-230AC che a sua volta determina la tensione ai capi degli elementi riscaldanti; a valle di tutto il sistema inoltre è presente un wattmetro che dialoga in tempo reale tramite porta seriale col server al fine di cogliere eventuali variazioni resistive nei conduttori di rame effettuando minime variazioni qualora la potenza sui resistori sia leggermente inferiore rispetto al valore di target, si parla ovviamente di variazioni minimali trascurate da altri ma debitamente considerate e compensate dalla nuova postazione di test.
Questo permette di eliminare tutti gli errori di gestione del sistema manuale riducendo notevolmente gli spazi temporali in cui operare e permette di ottenere non più test teoricamente similari ma realmente identici!
A test avviati un computer interfacciato tramite RS232 al termometro si occuperà di loggare ogni 250millisecondi(4 valori al secondo) i parametri di temperatura provenienti dalle sonde K dislocate sul core del simulatore termico e all'interno della camera climatica a controllo ambientale che mantiene costante la temperatura ambiente sui 20°C a prescindere dalla potenza dissipata.
Il grafico risultante permette di ottenere tutta la curva comportamentale del dissipatore e/o del waterblock in esame permettendo di ottenere secondo per secondo l'esatto valore di resistenza termica(C/W) della soluzione dissipante in esame; ciò ci permetterà di avere una visione non più a campione e quindi frammentaria, ma integrale dell'intero andamento della curva prestazionale del prodotto, permettendoci di ottenere dati paragonabili anche nei wattaggi intermedi fino ad ora non considerati.
Oltre a ciò i test si distaccheranno dalla precedente verisone per tutta una serie di modifiche che sono state apportate da un punto di vista procedurale; tra di esse ritroviamo:

  • l'implementazione di una ventola "sterile"(non avvantaggia ne soluzioni ad alto ne a basso FPI) operante con una portata di 50CFM e 0,75mmH2O
  • l'uso di un composto termico avente un coefficiente di conducibilità termica di 6,0 W/(mK)
  • la presenza di un socket di ritenzione basato su standard internazionali INTEL 775/1155/1156/2011 e successivi

Su quest'ultimo punto in particolare segnaliamo il netto cambiamento di rotta nella nuova metodologia, non esisterà più infatti un sistema di ritenzione standardizzato per tutti i dissipatori(stesso carico per tutti) ma si riterrà il sistema di ritenzione "stock" parte integrante dell'offerta prestazionale dell'azienda, il o i bracket di ritenzione, quindi, non saranno più ritenuti un accessorio ma parte integrante del dissipatore e come tale concorreranno alla realizzazione delle prestazioni complessive del prodotto e alla sua consecutiva valutazione.
La base di ritenzione risulta formata da un piano in acciaio da 3mm di spessore sul quale sono presenti i fori di ritenzione in accordo con le quote forniteci da Intel, esse fungeranno da base per i sistemi di ritenzione fino ad un carico massimo di 60Kg, ben oltre le specifiche commerciali richieste.

Il frutto dell'enorme mole di lavoro confluisce in un grafico che mette in risalto l'intera curva comportamentale del prodotto ricavata interamente in maniera strumentale e del tutto automatizzata.
Dalla sua analisi si metteno in risalto oltre alle prestazioni ai wattaggi di flag, anche quelle alle potenze derivate e di transizione, ad esse si affiancano inoltre i tempi di raggiungimento della massima efficienza energetica del dissipatore cosi come la ricerca del collasso termico e, in ultima analisi, la presenza della sessione di cool down che mette in evidenza la bontà delle saldature(se presenti) o delle punzonature tra alette e heatpipes nonchè la qualità costruttiva generale.
carichi-sintetici-2013-tech

Di seguito i carichi termici applicati in ordine temporale:

Sequenza Watts
1 0
2 25
3 50
4 90
5 125
6 150
7 200
8 300
9 0

In sintesi:

ct lab

Carichi sintetici CT Lab 2013

Dimensioni simulatore 50x50x10mm
Materiale utilizzato Rame OFE puro al 99.99% con un contenuto di ossigeno dello 0.0005%; rispetta un minimo del 101% delle specifiche di conducibilità dell'IACS
Coibentazione dispersione termica di contatto si, neoprene 2mm
Coibentazione dispersione termica per irraggiamento infrarosso si, neoprene 2mm+lamina alluminio 0.2mm
Struttura di ritenzione Standard INTEL 775/1155/1156/2011 a seguire, 60kg di portata
Ventola reference 120x120x25mm operante a 50CFM con 0,75mmH2O
Condicibilità composto termoconduttivo 6W/mK
Carichi applicati 25/50/90/125/150/200/300/0 Watts
Temperatura e umidità Controllata digitalmente tramite termoregolatore ASCON
Sonde utilizzate K type schermate e calibrate a cadenza annuale presso azienda certificata
Metodo acquisizione dati Digitale tramite RS232, log di quattro punti al secondo
Controllo carichi applicati Digitale tramite microprocessore Microchip PIC18F4550
Potenza massima erogabile dall'unità di potenza 3000 Watts
Variazione di tensione Variac digitale pilotato tramite Pulse Width Modulation

Particolari del sistema in funzionamento con le relative schermature per contatto, irraggiamento all'infrarosso e di parte dell'elettronica di controllo a normativa RoHs e EN 61000-6-1:2001.

run-sim-2013scheda-controllo-sim-2013

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