Il raffreddamento dei processori

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Il problema del raffreddamento dei microprocessori ed in genere degli integrati digitali ad alta integrazione è piuttosto importante a causa del fatto che nei circuiti CMOS la potenza dissipata è direttamente proporzionale alla frequenza di funzionamento e, oggi, si tende a correre.

L'uso di un dissipatore e di una ventola è praticamente obbligato con processori che facilmente dissipano decine di watt. Già per raffreddare un Pentium 166 MMX senza ventola era necessario un dissipatore con una superficie più che doppia di quella del processore ed alto circa 10 cm; il vantaggio era una grande affidabilità (nulla di meccanico che si può rompere!) e la silenziosità. Usando una ventola le dimensioni fisiche diminuiscono nettamente ed è quindi possibile raffreddare anche i processori moderni, notoriamente ben più "caldi".

Nei fogli tecnici dei processori viene specificata in genere la massima temperatura del case Tc; conoscendo la Rth(j-c) è possibile comunque risalire alla massima Tj, attraverso la formula dell'equivalenza elettrica. Da notare che, aumentando la frequenza operativa, aumenta anche la potenza dissipata e quindi, a parità di Tj e di Rth(j-c) è necessario diminuire la temperatura superficiale.

Per un esempio numerico si consideri un vecchio AMD/K6-300 model 8 (sul sito AMD si trovano i seguenti dati: alimentazione di 2.2V, potenza massima dissipata di 15.4W, Tc(max) 70°C, Rth(j-c) = 1.7 °C/W). La Tj(max) è quindi circa 96°C (70 + 15.4 * 1.7) valore ragionevole per un dispositivo a semiconduttore complesso come un processore. Supponendo una temperatura ambente di 50°C (cosa normale all'interno del case del PC in estate, se non è troppo caldo), serve quindi un dissipatore da circa

Rth = 1.1°C/W

Ho ovviamente tenuto conto anche della resistenza termica tra processore e dissipatore, pari a circa 0.2°C/W se si usa grasso di silicone (particolarmente consigliato, soprattutto con i processori con maggiori problemi termici).

Se per esempio a causa di un overclock del processore la frequenza aumenta a 340MHz, la potenza sale a circa 17.5W (la cosa ovviamente non è documentata da AMD ma facilmente calcolabile tenendo conto che esiste una sostanziale proporzionalità diretta tra frequenza di funzionamento e potenza dissipata, ovviamente a parità di tecnologia e tensione di alimentazione); per mantenere la Tj a 96°C è necessario usare un dissipatore con una Rth(h-a) di 0.75°C/W cioè molto più grande che nel caso precedente. Si tenga inoltre presente che, se per garantire il funzionamento del processore a maggiore frequenza fosse necessario aumentare la tensione di alimentazione, la potenza dissipata salirebbe ulteriormente.

I sensori di temperatura da applicare ai processori e presenti su alcune schede madri sono in genere inaffidabili per le ragioni già esposte relativamente alla misura della temperatura. Purtroppo molti ragionamenti fatti, anche da persone competenti, non tengono conto di questo fatto, traendo conclusioni spesso errate. Queste informazioni sono comunque utili per tenere sotto controllo la temperatura media interna al PC ed evidenziare il blocco della ventola o l'eccessivo accumulo di polvere su di essa, situazioni abbastanza comuni nei computer di qualche anno di vita.

Sono invece utilissimi i diodi che misurano la temperature interna del processore, purtroppo disponibili per esempio solo a partire dal P3 o dagli Athlon costruiti dopo il 2001: usandoli è possibile sfruttare appieno un processore, sia diminuendo le prestazioni richieste al sistema di raffreddamento al minimo indispensabile (nulla dà sollievo come la ventola del PC che rallenta quando non serve) sia aumentando la frequenza di funzionamento pur mantenendo la temperatura in zona di sicurezza (overclock).

Ho sentito numerose osservazioni preoccupate sui dati rilevati da questi sensori: leggendo questa nota ci si rende invece conto che temperature di giunzione elevate o aumenti rapidi di temperatura sono perfettamente normali se correttamente interpretati.

Occorre dire infine che un modesto aumento di temperatura, oltre i limiti consentiti dal costruttore, non è gravissimo nel caso dei processori: ad esempio un aumento di 20°C oltre il massimo causa la diminuzione ad 1/4 della vita operativa media ma difficilmente un computer ha la durata "utile" dei 5 o 10 anni di uso effettivo tipicamente previsti per un semiconduttore.

Il raffreddamento dei processori

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