Lecția 5.4 — Sistemul de răcire

Un PlayStation 5 disipă ~100W de căldură în funcționare continuă. Fără un sistem de răcire eficient, temperatura SoC-ului ar depăși 100°C în câteva secunde, activând throttling-ul termic și, în cazuri extreme, provocând daune permanente. Sistemul de răcire al PS5 folosește un vapor chamber conectat la un radiator masiv evacuat de un ventilator centrifugal — inginerie termică la limită.

Această lecție acoperă principiile disipării căldurii în consolele moderne: heat sink (radiatorul pasiv care absoarbe și distribuie căldura), heat pipe (conductorul termic bazat pe schimbare de fază), ventilatoarele (convecția forțată care evacuează aerul cald) și pasta termică / pad-urile termice care asigură contactul între chip și radiator.

Scopul nu este memorarea conductivității termice a cuprului, ci înțelegerea de ce pasta termică uscată cauzează supraîncălzire, de ce praful acumulat pe radiator reduce eficiența și cum diagnosticul termic — cu cameră termică sau prin observarea throttling-ului — este fundamental în mentenanța consolelor.

5.4.1 — Definiție și principiu heat sink

• Heat sink = schimbător de căldură pasiv care transferă căldura generată de un dispozitiv electronic sau mecanic către un fluid (aer, apă, ulei)
• Permite reglarea temperaturii dispozitivului prin disiparea căldurii
• În computere: răcesc CPU, GPU, chipset-uri și module RAM
• Principiul: legea lui Fourier - conducția căldurii: qk = -k × A × (dT/dx)
• Transferul de căldură: prin convecție (principal), radiație și conducție
• Maximizează suprafața de contact cu mediul de răcire (aripioare/fins)
• Thermal paste sau thermal pad: umple golurile de aer între heat sink și heat spreader
• Heat sink fabricat din materiale cu conductivitate termică ridicată: aluminiu sau cupru
• Fără flux de aer în jurul heat sink-ului, energia nu poate fi transferată

5.4.2 — Materiale și rezistență termică

• Rezistența termică: temperatură / putere, exprimată în °C/W
• Model serie de rezistențe: die→carcasă→heat sink→aer ambient
• Suma rezistențelor = rezistență termică totală
• Aluminiu: cel mai comun material, aliaj 1050 conductivitate 229 W/(m·K), capacitate termică 922 J/(kg·K)
• Aliaje aluminiu 6060/6061/6063: conductivitate 166-201 W/(m·K), fabricare prin extrudare, turnare, skiving, frezare
• Cupru: conductivitate ~400 W/(m·K), de ~2x mai bun decât aluminiu
• Cupru: de 3x mai dens și mai scump decât aluminiu, mai puțin ductil
• Heat sink-uri comerciale extrudate: rezistență 0.4 °C/W (TO-3 mare) până la 85 °C/W (TO-92 clip-on)
• Fin efficiency: eficiența scade de la bază la vârf (gradient termic)
• Spreading resistance: căldura nu se distribuie uniform prin baza heat sink; vapor chamber sau heat pipe în bază reduce această problemă

5.4.3 — Tipuri de aripioare și TIM

• Pin fin: aripioare cilindrice/eliptice/pătrate, suprafață mare 194 cm², funcționează în orice orientare a fluxului
• Straight fin: aripioare drepte paralele, 58 cm², mai eficiente în anumite configurații decât pin fin
• Flared fin: aripioare nepalelele, reduce rezistența la flux, permite mai mult aer prin canale
• Thermal Interface Material (TIM): reduce rezistența termică de contact
• Aerul: conductivitate 0.022 W/(m·K)
• TIM: conductivitate 0.3 W/(m·K) și mai mult
• Tipuri: thermal paste (+++), epoxy (+++), phase change (+++), thermal tape (++), gap filler (+)
• Metode de atașare: thermal tape, epoxy, z-clips, clip-on, push pins cu arcuri, standoff-uri cu arcuri
• Thermal paste: umple golurile microscopice, conductivitate 0.5-80 W/(m·K)

5.4.4 — Răcirea microprocesoarelor

• Heat sink pasiv: fără ventilator, convecție naturală, folosit pe CPU-uri vechi, chipset-uri, sisteme silențioase
• Heat sink activ: cu ventilator atașat direct, standardul pentru desktop-uri moderne
• IHS (Integrated Heat Spreader): placă metalică de pe CPU care redistribuie căldura
• Praful reduce eficiența heat sink-ului izolând termic între aripioare
• Desktop: heat sink cu bază cupru sau complet din cupru (evoluție de la aluminiu pur)
• Laptop: heat pipe + fin stack + ventilator de evacuare

5.4.5 — Definiție și principiul heat pipe

• Heat pipe = dispozitiv de transfer termic bazat pe tranziția de fază (lichid↔vapori)
• La interfața caldă: lichidul volatil se evaporă absorbind căldura (căldura latentă de vaporizare)
• Vaporii călătoresc la capătul rece unde condensează, eliberând căldura latentă
• Lichidul se întoarce prin acțiune capilară (wick), forță centrifugă sau gravitație
• Conductivitate termică efectivă: poate ajunge la 100 kW/(m·K), vs cupru ~0.4 kW/(m·K) - de ~250x mai bun
• Exemple: o țeavă de 1 inch diametru, 2 feet lungime: transferă 3.7 kW la 980°C cu doar 10°C diferență
• Heat pipe-urile NU pot scădea temperatura sub temperatura ambientă
• Inventat: R.S. Gaugler (GM, 1942), dezvoltat independent George Grover (Los Alamos, 1963)
• Sony: primele produse comerciale cu heat pipe, anii '80
• Heat pipe-uri CPU: de obicei cupru cu apă ca fluid de lucru, operare 20-150°C

5.4.6 — Structura și construcția

• Componente: envelope (tub sigilat), wick (fitil), fluid de lucru
• Envelope: cupru (pentru apă), aluminiu (pentru amoniac)
• Se face vacuum, se umple parțial cu fluid de lucru, se sigilează
• Fluid trebuie să conțină atât lichid cât și vapori pe întregul interval de operare
• Sub temperatura de operare: lichidul nu se vaporizează → funcționează doar prin conducție (1/80 din flux design)
• Structuri wick: pulbere metalică sinterizată, plasă metalică, caneluri paralele cu axa
• Nu conține piese mobile → nu necesită întreținere
• Diametru minim practic: 3 mm (limitări materiale)
• Fluide de lucru: heliu lichid (2-4K), amoniac (213-373K), metanol (283-403K), apă (298-573K), sodiu (873-1473K)
• Cupru/apă: cea mai comună combinație pentru electronice

5.4.7 — Tipuri de heat pipe

• Vapor chamber: heat pipe plan (2D), aceleași componente + structură internă de suport
• Poate îndepărta 2000W pe 4 cm², sau 700W pe 1 cm²
• Subțimi de până la 1.0 mm
• Folosit în laptopuri gaming (ex: Lenovo Legion 7i)
• Avantaj: mai plat, secțiune transversală adecvată în dispozitive subțiri
• Variable conductance (VCHP): gaz necondensabil + rezervor, reglează conductanța
• Control ±1-2°C, demonstrat chiar mili-Kelvin
• Thermosiphon: returnează lichidul prin gravitație, nu necesită wick
• Diodă termică: funcționează doar cu evaporatorul jos
• Lungimi de până la 11-12m (Trans-Alaska Pipeline)
• Loop heat pipe: transport co-curent lichid/vapori, distanțe mai mari, puteri mai mari

5.4.8 — Aplicații în sisteme de calcul

• Heat pipe în computere: din anii '90, cauzat de creșterea puterii disipate
• Conducea căldura de la CPU/GPU la heat sink-uri la distanță
• Laptop tipic: heat pipe leagă CPU și GPU de fin stack + ventilator de evacuare
• Desktop-uri moderne: CPU și GPU folosesc heat pipe + cooling activ
• Console: sisteme similare laptopurilor datorită constrângerilor de spațiu
• Heat pipe-urile au 3 zone: evaporator (pe CPU), adiabatic (transport), condensator (heat sink/fins)

5.4.9 — Principii generale de răcire

• CPU și GPU: principalele generatoare de căldură în computere moderne
• Temperatura componentelor crește până la echilibru termic (căldura generată = căldura disipată)
• Pentru fiabilitate: temperatura nu trebuie să depășească niciodată maximul specificat
• Factori care afectează răcirea: praf (izolant termic), flux de aer slab (turbulență), contact termic slab
• Protecție: throttling (reducere frecvență/tensiune), shutdown termic
• Thermal compound: conductivitate 0.5-80 W/(m·K), aluminiu ~200, aer ~0.02
• Thermal pad: mai puțin eficient dar mai simplu de aplicat

5.4.10 — Metode de răcire

• Pasivă (convecție naturală): heat sink fără ventilator, silențioasă, pentru componente low-power, mobile
• Activă (convecție forțată): ventilator + heat sink, standard pentru desktop CPU/GPU
• Heat pipe și vapor chamber: conductivitate termică foarte ridicată, folosite când spațiul e limitat
• Desktop: heat pipe + fan + fin stack
• Laptop: heat pipe leagă CPU+GPU de fin stack cu ventilator centrifugal
• Liquid cooling: apă distilată + aditivi, capacitate termică mai mare decât aerul
• Custom loop: pompă + waterblock + radiator + rezervor
• AIO (All-in-One): sistem închis Asetek (inventat), popular din 2010s
• Liquid immersion: tot computerul scufundat în fluid dielectric
• Soft cooling: undervolting, underclocking pentru reducerea producției de căldură

5.4.11 — Tipuri și utilizare ventilatoare

• Computer fan: ventilator în sau atașat la carcasa computerului, pentru răcire activă
• Tipuri principale: axial (cel mai comun, volum mare aer, presiune joasă) și centrifugal (blower/squirrel cage)
• CPU fan activ: standard pe desktop-uri din Intel 80486 (1989), universal din 1997
• Case fans (intake+exhaust): comune din Pentium 4 (2000)
• Dimensiuni standard: 40, 60, 80, 92, 120 (cel mai comun), 140, 200, 220 mm
• Grosime: 10, 15, 25 sau 38 mm
• 120/140 mm: gaming, performanță, operare silențioasă la turații mici
• 80/92 mm: aplicații mai puțin pretențioase

5.4.12 — Specificații tehnice ventilatoare

• Două specificații principale: debit aer (CFM - Cubic Feet per Minute) și presiune statică
• Static pressure: important pentru heatsink/radiator cu spații înguste între aripioare
• Formula debit necesar: CFM = 3.16 × P / (Δ°F) sau 1.76 × P / (Δ°C)
• Ex: 500W, ΔT=30°F → CFM = 53
• Viteza de rotație (RPM): ventilator mai mare + turație mică = mai silențios decât ventilator mic + turație mare
• Zgomotul: proporțional cu puterea a cincea a vitezei; înjumătățirea vitezei reduce zgomotul cu ~15 dB
• Ventilatoare paralele: dublează debitul, aceeași presiune
• Ventilatoare serie: dublează presiunea, același debit

5.4.13 — Rulmenți și conectori

• Tipuri rulmenți:
• Sleeve bearing: lubrifiat cu ulei, ieftin, silențios inițial, durată ~30,000 ore la 50°C
• Rifle bearing: similar sleeve cu canal spiral, pompare fluid, poate fi montat orizontal
• Fluid dynamic bearing (FDB): aproape silențios, durată mare
• Ball bearing: mai scump, funcționează în orice orientare, durată >60,000 ore la 50°C
• Magnetic/Maglev bearing: fără contact mecanic
• Conectori:
• 3-pin: GND, +12V, tachometru (semnal viteză)
• 4-pin: adaugă pin PWM pentru control variabil al vitezei
• 4-pin Molex: conectare directă la PSU (+12V și GND)
• PWM (Pulse Width Modulation): control variabil al vitezei de rotație
• BIOS controlează automatic viteza ventilatoarelor în funcție de temperatură

5.4.14 — Aplicații specifice ventilatoare

• Case fan: intake (frontal/jos, aer rece) și exhaust (spate/sus, aer cald)
• Positive pressure: intake > exhaust, previne acumularea prafului (cu filtre)
• Negative pressure: exhaust > intake, trasează praf prin toate deschiderile
• CPU fan: obligatoriu pentru desktop modern, heat sink singur nu previne supraîncălzirea
• GPU fan: unele plăci video disipă >350W (mai mult decât CPU-ul)
• Tipuri: axial fans sau centrifugal (blower)
• PSU fan: propriu, nu trebuie folosit pentru ventilația carcasei
• Laptop: ventilator centrifugal blower, răcește heat pipe conectat la CPU+GPU
• Server: rând de ventilatoare între hard disk-uri (față) și heat sink-uri pasive (spate)

Definiție și principiu heat sink

• În computere: răcesc CPU, GPU, chipset-uri și module RAM

Răcirea microprocesoarelor

• Heat sink pasiv: fără ventilator, convecție naturală, folosit pe CPU-uri vechi, chipset-uri, sisteme silențioase
• IHS (Integrated Heat Spreader): placă metalică de pe CPU care redistribuie căldura

Definiție și principiul heat pipe

• Heat pipe-uri CPU: de obicei cupru cu apă ca fluid de lucru, operare 20-150°C

Aplicații în sisteme de calcul

• Heat pipe în computere: din anii '90, cauzat de creșterea puterii disipate
• Conducea căldura de la CPU/GPU la heat sink-uri la distanță
• Laptop tipic: heat pipe leagă CPU și GPU de fin stack + ventilator de evacuare
• Desktop-uri moderne: CPU și GPU folosesc heat pipe + cooling activ
• Heat pipe-urile au 3 zone: evaporator (pe CPU), adiabatic (transport), condensator (heat sink/fins)

Principii generale de răcire

• CPU și GPU: principalele generatoare de căldură în computere moderne

Metode de răcire

• Activă (convecție forțată): ventilator + heat sink, standard pentru desktop CPU/GPU
• Laptop: heat pipe leagă CPU+GPU de fin stack cu ventilator centrifugal
• Liquid immersion: tot computerul scufundat în fluid dielectric

Aplicații specifice ventilatoare

• CPU fan: obligatoriu pentru desktop modern, heat sink singur nu previne supraîncălzirea
• GPU fan: unele plăci video disipă >350W (mai mult decât CPU-ul)
• Laptop: ventilator centrifugal blower, răcește heat pipe conectat la CPU+GPU

Aplicații în sisteme de calcul

• Console: sisteme similare laptopurilor datorită constrângerilor de spațiu

Tipuri și utilizare ventilatoare

• Computer fan: ventilator în sau atașat la carcasa computerului, pentru răcire activă
• Tipuri principale: axial (cel mai comun, volum mare aer, presiune joasă) și centrifugal (blower/squirrel cage)
• CPU fan activ: standard pe desktop-uri din Intel 80486 (1989), universal din 1997
• Case fans (intake+exhaust): comune din Pentium 4 (2000)
• Dimensiuni standard: 40, 60, 80, 92, 120 (cel mai comun), 140, 200, 220 mm
• Grosime: 10, 15, 25 sau 38 mm
• 120/140 mm: gaming, performanță, operare silențioasă la turații mici
• 80/92 mm: aplicații mai puțin pretențioase

Rulmenți și conectori

• 4-pin Molex: conectare directă la PSU (+12V și GND)

Aplicații specifice ventilatoare

• PSU fan: propriu, nu trebuie folosit pentru ventilația carcasei

Materiale și rezistență termică

• Model serie de rezistențe: die→carcasă→heat sink→aer ambient

Principii generale de răcire

• Pentru fiabilitate: temperatura nu trebuie să depășească niciodată maximul specificat

Specificații tehnice ventilatoare

• Două specificații principale: debit aer (CFM - Cubic Feet per Minute) și presiune statică
• Static pressure: important pentru heatsink/radiator cu spații înguste între aripioare
• Formula debit necesar: CFM = 3.16 × P / (Δ°F) sau 1.76 × P / (Δ°C)
• Ex: 500W, ΔT=30°F → CFM = 53
• Viteza de rotație (RPM): ventilator mai mare + turație mică = mai silențios decât ventilator mic + turație mare
• Zgomotul: proporțional cu puterea a cincea a vitezei; înjumătățirea vitezei reduce zgomotul cu ~15 dB
• Ventilatoare paralele: dublează debitul, aceeași presiune
• Ventilatoare serie: dublează presiunea, același debit

• Definiție și principiu heat sink: Heat sink = schimbător de căldură pasiv care transferă căldura generată de un dispozitiv electronic sau mecanic către un fluid (aer, apă, ulei)
• Materiale și rezistență termică: Rezistența termică: temperatură / putere, exprimată în °C/W
• Tipuri de aripioare și TIM: Pin fin: aripioare cilindrice/eliptice/pătrate, suprafață mare 194 cm², funcționează în orice orientare a fluxului
• Răcirea microprocesoarelor: Heat sink pasiv: fără ventilator, convecție naturală, folosit pe CPU-uri vechi, chipset-uri, sisteme silențioase
• Definiție și principiul heat pipe: Heat pipe = dispozitiv de transfer termic bazat pe tranziția de fază (lichid↔vapori)
• Structura și construcția: Componente: envelope (tub sigilat), wick (fitil), fluid de lucru
• Tipuri de heat pipe: Vapor chamber: heat pipe plan (2D), aceleași componente + structură internă de suport
• Aplicații în sisteme de calcul: Heat pipe în computere: din anii '90, cauzat de creșterea puterii disipate
• Principii generale de răcire: CPU și GPU: principalele generatoare de căldură în computere moderne
• Metode de răcire: Pasivă (convecție naturală): heat sink fără ventilator, silențioasă, pentru componente low-power, mobile
• Tipuri și utilizare ventilatoare: Computer fan: ventilator în sau atașat la carcasa computerului, pentru răcire activă
• Specificații tehnice ventilatoare: Două specificații principale: debit aer (CFM - Cubic Feet per Minute) și presiune statică
• Rulmenți și conectori: Tipuri rulmenți:
• Aplicații specifice ventilatoare: Case fan: intake (frontal/jos, aer rece) și exhaust (spate/sus, aer cald)

Întrebarea 1

Care afirmație este corectă despre: În computere?

• a) prin convecție (principal), radiație și conducție
• b) qk = -k × A × (dT/dx)
• c) răcesc CPU, GPU, chipset-uri și module RAM
• d) umple golurile de aer între heat sink și heat spreader

Întrebarea 2

Care afirmație este corectă despre: Rezistența termică?

• a) răcesc CPU, GPU, chipset-uri și module RAM
• b) prin convecție (principal), radiație și conducție
• c) qk = -k × A × (dT/dx)
• d) temperatură / putere, exprimată în °C/W

Întrebarea 3

Care afirmație este corectă despre: Pin fin?

• a) răcesc CPU, GPU, chipset-uri și module RAM
• b) aripioare cilindrice/eliptice/pătrate, suprafață mare 194 cm², funcționează în orice orientare a fluxului
• c) prin convecție (principal), radiație și conducție
• d) qk = -k × A × (dT/dx)

Întrebarea 4

Care afirmație este corectă despre: Heat sink pasiv?

• a) qk = -k × A × (dT/dx)
• b) fără ventilator, convecție naturală, folosit pe CPU-uri vechi, chipset-uri, sisteme silențioase
• c) răcesc CPU, GPU, chipset-uri și module RAM
• d) prin convecție (principal), radiație și conducție

Întrebarea 5

Care afirmație este corectă despre: La interfața caldă?

• a) qk = -k × A × (dT/dx)
• b) prin convecție (principal), radiație și conducție
• c) răcesc CPU, GPU, chipset-uri și module RAM
• d) lichidul volatil se evaporă absorbind căldura (căldura latentă de vaporizare)

🧠 Exercițiu: Sistemul de răcire

Scenariu: Analizezi un sistem hardware care utilizează conceptul de disiparea căldurii. Pe baza cunoștințelor din această lecție, răspunde la următoarele întrebări:

• 1. Defineste pe scurt: disiparea căldurii.
• 2. Ce rol are heat sink în contextul hardware-ului?
• 3. Explică relația dintre disiparea căldurii și heat pipe.