Laptops 101: Explicamos qué se tiene en cuenta para diseñar una solución de refrigeración de laptop eficiente

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Fresca como una lechuga. Diseñar e implementar un sistema térmico eficiente en una laptop requiere mucha I&D y una selección adecuada de cada componente individual del sistema para asegurar que todos los componentes funcionen al máximo de su potencial. En este artículo, veremos qué se lleva a cabo en cada paso del proceso del diseño térmico y cómo los OEMs prueban y realizan los prototipos de sus diseños térmicos para lograr la máxima eficiencia. Vamos a tomar como ejemplo la laptop insignia de MSI, GT76, que puede correr sin inconvenientes en 5 GHz en todos los núcleos. (artículo auspiciado)
 
GT76
The thermal design should allow a laptop to attain peak performance for longer periods without throttling.
 

Introducción

Tenemos en nuestras manos una bestia absoluta de laptop que es delgada y a la vez poderosa y que puede teóricamente darte todos los cuadros por segundo que necesitas para dominar el mundo de los videojuegos. Después de iniciarla, lanzas el juego con alegría y en la esperanza de ser el último que quede en pie. Treinta minutos pasado el juego, empiezas a ver que los cuadros por segundo disminuyen rápidamente y que la laptop está caliente como un horno. Parece ser que las especificaciones no coinciden con el desempeño en el mundo real, después de todo. Lo que sucedió es que tuviste un estrangulamiento térmico debido a una refrigeración inadecuada.
 
La importancia de una buena refrigeración en las laptops es fundamental. Los lectores regulares de Notebookcheck conocen los numerosos artículos en que nos hemos detenido a enfatizar sobre la necesidad de evaluar apropiadamente los sistemas de refrigeración de las laptops que utilizan componentes de primera clase y los problemas asociados con el estrangulamiento térmico. Una refrigeración inadecuada puede dar por resultado una pérdida importante del desempeño y terminarás al final pagando más por una laptop que al final tiene un rendimiento menor.
 
Cuando compras una laptop, entender cómo el OEM implementa el mecanismo de refrigeración es una manera de inferir el potencial buen desempeño de la misma. El espacio libre disponible para refrigeración en una laptop es mucho menor que en una PC de escritorio, por lo tanto los OEMs han encontrado maneras innovadoras de mantener los componentes funcionando sin demasiados inconvenientes, como en el caso del procesador clase desktop Intel Core i9-9980HK y una tarjeta gráfica NVIDIA GeForce RTX 2080.
 
En este artículo, vamos a ver cómo se encuentra una solución de refrigeracion efectiva, incluyendo la elección de componentes y el prototipo que se lleva a cabo en este proceso, junto con algunas de las mejoras que los OEMs han logrado en los últimos tiempos. ¿Te interesa saber cómo se hace que una laptop como la MSI GT76 corra con 8 núcleos en 5 GHz? Sigue leyendo.
 

Diseñar una solución térmica de alta capacidad

Diseñar una buena solución térmica que pueda satisfacer los requerimientos de disipación del calor de los componentes clave como la CPU, GPU y los VRMs no es poca cosa. Hacen falta tener en cuenta muchos factores y realizar pruebas para tratar de entender cuánto calor generan los chips y cómo insertar el módulo de refrigeración en una laptop según su tamaño particular.
 
El proceso de diseñar una solución de refrigeración para laptop es un aspecto muy importante del proceso de I&D y a continuación les contamos cómo se hace. Tengan en cuenta que, aunque cada OEM tiene su propia manera de diseñar los módulos térmicos para maximizar el desempeño, los conceptos involucrados en el uso de los bloques térmicos, heatpipes, disipadores y ventiladores se aplica a casi todos los fabricantes por igual.
 

Sistema de refrigeración en laptop MSI GP75 Leopard 9SD.

 

La importancia del chip en el proceso térmico

Echa un vistazo a la parte interior de la MSI GP75 Leopard de la imagen. Esta es una laptop de alta capacidad para juegos en 1080p y está impulsada por el procesador Intel Core i7-9750H y la tarjeta gráfica NVIDIA GeForce GTX 1660 Ti. En la imagen podemos ver que hay múltiples heatpipes de cobre que salen de la CPU y la GPU hacia los ventiladores. Si miras con atención, puedes ver que esos tubos de cobre salen de un bloque de cobre presente en ambos procesadores. Este bloque de cobre, también llamado bloque térmico, hace contacto con la CPU/GPU a través de una pasta térmica. Por lo tanto la transferencia de calor sigue este camino: CPU/GPU > Pasta > Bloque > Heatpipes. La idea es transferir el calor desde el chip lo más rápidamente posible hasta el bloque térmico para una disipación eficiente. ¿Por qué es importante esto?
 

La 2018 Apple MacBook Pro con Core i9-8950HK tuvo mala fama por sus problemas de estrangulamiento debido a la refrigeración inadecuada. (Fuente: Dave Lee on YouTube)
 
Sin entrar en detalles, cada chip disipa una cantidad determinada de calor cuando está en operación y esta capacidad se denomina TDP (potencia de diseño térmico). Aunque no hay consenso entre los fabricantes de chips sobre cómo se calcula la TDP, los OEMs realizan sus propias puebas para ver hasta cuánto puede ir esta TDP dentro de un tamaño de chasis determinado. Ahora, si el calor no sale del chip con prontitud, este calor envuelve el chip y lo fuerza a operar en una frecuencia menor para evitar daños, afectando así el desempeño. Un caso conocido fue la Apple MacBook Pro de 2018 con Core i9, que inicialmente no podía alcanzar la frecuencia de boost establecida debido a un diseño térmico deficiente.

Además, el exceso de calor hará que el chip trabaje con menor eficiencia en el ciclo de clock y, aunque parezca que llega a la frecuencia requerida, su desempeño general se ve comprometido. También lo será su capacidad de entrar en modo overclock.

Bloque de cobre genérico vs. bloque de cobre
con pulido CNC utilizado en la MSI GT76.
(Foto cortesía de MSI)
 
Por lo tanto, es importante que el calor salga del chip con alta eficiencia y en el menor tiempo posible. El cobre es el material preferido para los bloques térmicos debido a su alta conductividad. En la mayoría de las laptops, el bloque de cobre tiene una superficie rugosa, que a nivel microscópico no permite un buen contacto con la grasa. Para evitar este problema y ofrecer una conductividad más eficiente, las laptops más poderosas como la MSI GT76 utilizan un bloque de cobre con pulido CNC para maximizar la superficie de contacto, lo que ayuda a una mejor disipación del calor desde el procesador.

 

El buen diseño térmico todavía es una quimera


Funcionamiento de los heatpipes (Fuente: Wikipedia)
 
Ahora que hemos removido el calor del chipset de manera eficiente, necesitamos conducir este calor lejos de la CPU/GPU por medio delos heatpipes.Un heatpipe está compuesto de una sección de evaporación y una sección de condensacion y técnicamente se los refiere como un sistema de dos fases para el transporte del calor. En un heatpipe, un líquido (generalmente agua) absorbe el calor desde el bloque térmico y lo convierte en vapor (sección evaporación) y este vapor viaja a través de la cavidad del tubo hacia una región de menor temperatura (sección de condensación). En este lugar, el vapor se condensa para formar el líquido, que es reabsorbido y vuelve a la posición original por acción de los capilares mientras el calor es disipado hacia afuera del sistema.
 

Heat transfer schematic. (Source: Calyos)

Como ejemplo, consideremos el diagrama anterior. Vemos que el líquido en el heatpipe se convierte en vapor, viaja por el tubo conductor de calor, transfiere el calor y condensa el vapor de vuelta al estado líquido. La parte etiquetada como "Vaporización" se relaciona con el bloque térmico del que hablamos anteriormente, mientras que el área de "Transferencia de calor" se relaciona con las aletas del disipador que veremos a continuación. Así es como el calor es transferido desde el bloque térmico y termina en las aletas del disipador, donde el calor es empujado hacia afuera por medio de los ventiladores.
 

Corte de un heatpipe de metal sinterizado. (Fuente: Frosty Tech)

Los heatpipes son generalmente de cobre o aluminio y su estructura interna puede ser acanalada, con una malla de metal (enrollada), sinterizada o de fibra. De estas opciones, la forma sinterizada es la más cara para fabricar pero ofrece una conducción del calor excelente desde el interior hacia las paredes y viceversa.
 
Mientras que la estructura del material capilar es un criterio fundamental para escoger el heatpipe correcto, hay muchos otros factores que deben ser considerados para un desempeño eficiente. El primero de estos es la cantidad: cuanto más heatpipes hay, mejor es la transferencia de calor desde el bloque térmico a los tubos. Sin embargo, decidir la cantidad depende del calor emitido por el bloque y de la superficie disponible.
 
La longitud y diámetro del heatpipe afecta directamente a la cantidad de vapor que viaja por su cavidad. Cuanto mayor sea el diámetro, más volumen de vapor es transportado. La longitud del tubo no debe ser muy extensa. Los heatpipes más cortos transmiten más calor que los largos y los heatpipes cortos también tienen mayores límitaciones de los capilares - donde el fluido vuelve del condensador al evaporador.
 

Distribución de los heatpipes para CPU y GPU en la MSI GT76.
 
Muchas laptops a menudo utilizan los mismos heatpipes para la CPU y la GPU. Aunque esto ahorra costos, la parte del tubo entre la CPU y la GPU es relativamente más fría, lo cual puede provocar una condensación temprana del líquido y afectar la eficiencia de la transferencia del calor. Por lo tanto, en las laptops gaming de alta gama como la MSI GT76, la CPU y la GPU tienen sus propios heatpipes y ventiladores cada una para la máxima transferencia del calor.
 
Puesto que una laptop no tiene suficiente espacio para contener un heatpipe cilíndrico, el tubo debe ser aplanado antes de ser utilizado en el módulo térmico. Esto agrega una capa más de complejidad ya que un aplanamiento excesivo o irregular puede impedir la transferencia correcta del líquido dentro de los capilares. Las curvaturas muy pronunciadas también son perjudiciales. Sin embargo, se ha demostrado que siempre que el radio de curvatura sea igual a 3 veces el diámetro del tubo, el desempeño no se ve afectado.

 

Un mejor flujo de aire asegura una laptop más fría


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 fuera del procesador representa apenas la mitad del trabajo. Remover el calor completamente del chasis resulta otro desafío. Aquí es donde entran en acción los disipadores de calor y los ventiladores. En un nivel muy básico, el disipador de calor aumenta la superficie para que el calor salga y el ventilador empuja este calor hacia afuera tomando aire frío del exterior.
 

Un típico módulo de ventilador con bloque térmico, heat pipes y disipador.(Fuente: Any-PC-Part con modificaciones)
 
Decidir el tipo de ventilador y disipador va más allá de simplemente seleccionar componentes. El ventilador en cuestión debe tener un equilibrio entre la cantidad de aspas y el espacio entre ellas. Demasiadas aspas en poco espacio hace que no entre suficiente aire para soplar. Al mismo tiempo, la eficiencia disminuye cuando tiene pocas aspas y demasiado espacio entre ellas. Entonces, ¿cómo se determina la mejor estructura de un ventilador para una refrigeración óptima?
 

El disipador de la MSI GT76 tiene una mayor superficie con aletas y más ventiladores
 
Aquí entra en acción el software de simulación. Muchos OEMs utilizan un software de simulación estándar en la industria que puede dar un análisis decente de cuánto flujo de aire puede haber en un chasis determinado. La idea de utilizar un software de simulación es encontrar qué tipo de módulo de ventilación funciona mejor para los requerimientos de refrigeración estipulados, en lugar de simplemente colocar el ventilador más rápido (y posiblemente más ruidoso) del mercado. El software de simulación tieen en cuenta muchas características tales como la manera en que el flujo de aire es dirigido hacia adentro del chasis y hacia afuera de él, el espacio disponible de ntro del chasis, el volumen de aire generado por el diseño del ventilador (CFM), la superficie del disipador, etc. El software puede predecir la distribución de la temperatura dentro del chasis bajo diferentes simulaciones de carga. Esto ayuda a los OEMs a entender mejor los sistemas de refrigeración y refinarlos para la máxima eficiencia.
 
En el video a continuación se muestra una prueba de simulación donde podemos tener una idea de cómo la simulación de flujo de aire ayuda a entender los resultados posibles de la implementación de un sistema de refrigeración. En este caso, vemos que este ejemplo de diseño particular da como resultado la devolución de aire caliente al área de entrada, provocando temperaturas más altas.
 
 
Después de realizar los cambios necesarios, vemos ahora que el aire caliente es empujado hacia afuera por los ventiladores, dando por resultado una distribución más uniforme de la temperatura. Por lo tanto, utilizar una simulación permite realizar cambios en el diseño de refrigeración durante la etapa de creación del prototipo. También ayuda a detectar problemas que no podrían identificarse físicamente.
 
 
Ahora, consideremos cómo funciona un ejemplo práctico como la MSI GT76. La GT76 apunta a un desempeño estable y a largo plazo en 5 GHz en todos los núcleos del procesador Core i9-9900K. Como se ve en la imagen, el sistema de refrigeración tiene ni más ni menos que 11 heatpipes, dos bloques de cobre con pulido CNC, disipadores mejorados y un diseño de cuatro ventiladores. Los disipadores abarcan toda la longitud de la laptop y los cuatro ventiladores ayudan a dispersar el calor por toda la parte trasera en lugar de utilizar solo una o dos esquinas.
 

La GT76 disipa el calor por toda la longitud del chasis.
 
MSI dice que las extensas pruebas de simulación ayudaron a diseñar el nuevo sistema de flujo de aire que alcanza 2.25 veces más flujo de aire en comparación con la competencia, donde los ventiladores de la GT76 empujan 96 CFM de aire en comparación con los 42.6 CFM de otras marcas. La mayor superficie de aletas del disipador nuevo también interviene en la prevención del estrangulamiento térmico. El área de la CPU de la laptop GT76 tiene una superficie de aletas de 252,910 mm2 — ~2.3 veces la de la laptop 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 revisión de la GT76, encontramos que la notebook no sufrió estrangulamiento térmico aún cuando la sometimos a pruebas de 60 minutos en FurMark y Prime95, aunque sí pudimos ver que los componentes estaban más calientes que lo normal. Notamos a la vez que la laptop podía funcionar continuamente a 4.7 GHz en un bucle de Cinebench R15 sin problemas.
 

 

Conclusión

Como hemos explicado, diseñar un sistema de refrigeración apropiado que permita que los componentes funcionen en su máximo potencial es uno de los objetivos más importantes del proceso de I&D de una laptop. Varios aspectos, desde entender cómo el flujo de aire viaja por el chasis hasta elegir los materiales correctos y realizar pruebas de simulación, juegan un papel fundamental para asegurar que el usuario pueda jugar o trabajar sin sacrificar el desempeño.
 
Aunque hemos profundizado en algunos de los aspectos del hardware en la refrigeración, se necesitan muchas optimizaciones de software para asegurar que el sistema pueda percibir la envoltura térmica y regularla debidamente. Esperamos que este artículo sobre cómo se diseñan las soluciones de refrigeración hayan ayudado a que aumentes tus conocimientos sobre este aspecto, importante pero muchas veces olvidado, de la compra de tu laptop.
 
MSI dice que las laptops con mejores soluciones de refrigeración serán un foco principal de su próximo programa "vuelta a clases", así que esperamos ver sistemas de refrigeración mejorados en sus próximas propuestas.
 
Estate atento para nuevos temas de "laptop 101" incluyendo qué se tiene en cuenta para determinar la precisión de un panel LCD, el diseño de un touchpad, de la acústica y más.
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