Enfriamiento de la tarjeta gráfica con cámara de vapor, corriente descendente y soplador: explicación

En los últimos años, hemos visto un aumento exponencial en el rendimiento de las tarjetas gráficas tanto en juegos como en aplicaciones profesionales. Con las mejoras en las arquitecturas y los componentes internos, las tarjetas gráficas ahora son más rápidas que nunca y pueden manejar incluso las tareas más exigentes que se les pueden realizar con las tecnologías actuales. Todas estas mejoras han permitido que las tarjetas gráficas modernas manejen tareas extremadamente exigentes como juegos de 8K y 4K con altas frecuencias de actualización.

La solución de enfriamiento estilo soplador – Imagen: Hardzone

Sin embargo, estas mejoras no han venido sin una buena cantidad de inconvenientes. Uno de los principales es el aumento exponencial del consumo de energía que hemos visto en los últimos años. El consumo de energía de las tarjetas gráficas para juegos ha aumentado lenta pero constantemente durante la última década, lo que ha llevado a que las tarjetas gráficas de hoy en día tengan valores de TDP de más de 300 vatios (bastante diferente de los valores de TBP anunciados). De hecho, el consumo medio de energía de las tarjetas gráficas durante la última década muestra un patrón interesante. El consumo de energía de las tarjetas fue alto a principios de la década debido a arquitecturas ineficientes, pero luego, más tarde, la mayoría de las tarjetas gráficas se volvieron mucho más eficientes en su trabajo. Hoy en día, estamos viendo otro aumento en el promedio de consumo de energía de las tarjetas gráficas.

Por supuesto, las tarjetas de hoy son mucho más eficientes que hace cinco años, pero aún exigen más energía en promedio de la pared que las tarjetas más antiguas. Toda esta potencia que va al núcleo ciertamente aumenta el rendimiento de la tarjeta, pero también aumenta las temperaturas de funcionamiento de la GPU, lo que ciertamente es algo que debe controlarse. En los últimos años, hemos tenido que instalar refrigeradores cada vez más grandes en las tarjetas gráficas para combatir este problema.

Mejoras en la refrigeración

Con el aumento de consumo de energía y el consiguiente aumento de la producción de calor, los fabricantes de tarjetas gráficas han tenido que improvisar con la situación para superar este problema. Atrás quedaron las pequeñas y delicadas tarjetas gráficas que podrían haberse enfriado pasivamente con un solo disipador de calor pequeño. En el pasado, incluso las tarjetas gráficas de alta gama tenían un solo ventilador sobre un pequeño disipador de calor y eso era suficiente para disipar el calor de esa tarjeta de manera efectiva. Hoy en día, ni siquiera se puede pensar en una tarjeta gráfica de gama media o razonablemente alta para enfriar con una configuración de un solo ventilador.

Las tarjetas gráficas de hoy tienen disipadores de calor masivos de 3 ranuras con enormes cubiertas de ventilador que albergan 3 ventiladores la mayor parte del tiempo. Aunque los modelos de doble ventilador también son bastante frecuentes en el mercado, luchan por mantener las temperaturas bajo control para cualquier tarjeta que tenga un consumo razonable de energía. La mayoría de las variantes de alta gama de las tarjetas gráficas modernas también tienen siete u ocho heatpipes de cobre niquelado que quitan el calor de los componentes generadores de calor y lo distribuyen uniformemente a través de la matriz del disipador de calor. Las tecnologías de los ventiladores también han recorrido un largo camino, ya que los ventiladores modernos están equipados con múltiples sensores que alteran su comportamiento según la temperatura de la GPU.

Por tanto, resulta bastante interesante comparar las soluciones de refrigeración empleadas por las tarjetas gráficas del pasado con las que se utilizan hoy en día.

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Varios métodos de enfriamiento

En total, hay 3 métodos principales de enfriamiento que emplean las tarjetas gráficas modernas, que son el enfriamiento tipo soplador, el enfriamiento de corriente descendente al aire libre y el enfriamiento de la cámara de vapor. A continuación se muestran los pros y los contras de cada uno.

Enfriador tipo soplador

El enfriador de estilo soplador es el estilo de enfriamiento más básico y básico que se encuentra en las tarjetas gráficas de hoy. Este también es el enfriador más barato de fabricar y, por lo tanto, ofrece el peor rendimiento térmico de todos los diferentes métodos para enfriar una tarjeta gráfica. Los enfriadores de estilo soplador fueron los que fueron utilizados por Nvidia y AMD para sus tarjetas gráficas de diseño de referencia durante mucho tiempo, sin embargo, para la última generación de tarjetas gráficas, ambos fabricantes han abandonado los enfriadores de estilo soplador en favor de los más eficientes. enfriadores de corriente descendente. Los enfriadores de estilo soplador supuestamente han llegado al final de su vida útil, aunque algunos ejemplos todavía están en producción para su uso en sistemas SI y prediseñados.

Las tarjetas gráficas con diseños de soplador extienden la cubierta de plástico alrededor del disipador de calor y no dejan espacios entre la PCB y la cubierta en los lados, así como en la parte superior e inferior de la tarjeta. El único camino para el aire es forzarlo directamente a través de la PCB hacia la parte posterior de la tarjeta gráfica, donde hay orificios de ventilación ubicados estratégicamente en el soporte de E / S. Un solo ventilador pequeño aspira el aire circundante y lo fuerza a altas velocidades a través de la tarjeta que sale directamente por la parte posterior de la tarjeta. El aire pasa sobre el disipador de calor integrado y los componentes de la PCB mientras atraviesa la tarjeta, enfriando así los componentes con los que entra en contacto.

El enfriador estilo soplador para una tarjeta gráfica Nvidia Founder’s Edition – Imagen: HowToGeek

La principal ventaja del enfriamiento tipo soplador es que es bastante económico de fabricar y, por lo tanto, se encuentra en muchas variantes de tarjetas gráficas de nivel de entrada, incluida la mayoría de los diseños de referencia que AMD y Nvidia han lanzado a lo largo de los años. Otra ventaja de los refrigeradores tipo soplador es que expulsan todo su calor directamente fuera de la carcasa en lugar de liberarlo dentro de la carcasa, lo que calienta otros componentes como su CPU. Esto puede ser especialmente útil en cajas de factor de forma pequeño y PC con sistemas de flujo de aire configurados incorrectamente.

Sin embargo, las desventajas de los enfriadores de aire son varias. Los enfriadores tipo soplador funcionan ruidosamente y se calientan, y son bastante ineficientes en su funcionamiento. En promedio, una variante de estilo soplador de una tarjeta gráfica produciría temperaturas mucho más altas que las variantes de corriente descendente comparables si se prueban en las mismas condiciones. Para compensar esta falta de potencia de enfriamiento, las tarjetas sopladoras tienen que hacer funcionar sus ventiladores a velocidades excepcionalmente altas. Esto da como resultado un perfil de ruido increíblemente alto que los entusiastas de la PC definen como «un motor a reacción que se prepara para despegar». Es seguro decir que no obtendrás una tarjeta de estilo soplador si quieres jugar de manera sigilosa.

Enfriador de corriente descendente al aire libre

El estilo de enfriamiento de corriente descendente o «al aire libre» es, con mucho, la solución de enfriamiento más común y corriente que se utiliza en las tarjetas gráficas de hoy. Los enfriadores de corriente descendente generalmente ofrecen un mejor rendimiento térmico y acústico que las tarjetas tipo soplador, pero hay algunas cosas que deben tenerse en cuenta al usar un enfriador al aire libre.

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Los enfriadores de corriente descendente o al aire libre usan sus ventiladores para tomar el aire del interior de la carcasa de su PC y luego empujarlo hacia abajo a través del disipador de calor de metal grande para disipar el calor de los componentes. Los enfriadores al aire libre se denominan así debido a su cubierta de ventilador relativamente abierta que se abre desde los lados y la parte posterior, lo que permite que el aire pase libremente desde la tarjeta al interior de la caja, así como al exterior de la caja a través de la orificios de ventilación. El concepto principal de los enfriadores de corriente descendente es el mismo que el de los enfriadores de estilo soplador: los ventiladores aspiran aire y lo empujan sobre el disipador de calor que hace contacto con los componentes generadores de calor. La eficiencia con la que los enfriadores al aire libre o de tiro descendente realizan esta tarea es a menudo mucho mayor que la de las aplicaciones de tipo soplador comparables.

El diseño de enfriador de corriente descendente al aire libre de una variante de tarjeta gráfica EVGA – Imagen: HowToGeek

La mayor ventaja del diseño al aire libre es su rendimiento mejorado sobre las tarjetas de estilo soplador. Estos refrigeradores empujan un gran volumen de aire sobre sus disipadores de calor y, por lo tanto, maximizan la disipación de calor de los componentes internos de la tarjeta. Además, el disipador de calor en sí es a menudo mucho más grande debido a la configuración de 2.7 o incluso de 3 ranuras en la que se encuentran las tarjetas modernas. Las variantes de rango medio de las tarjetas gráficas a menudo tienen dos ventiladores, mientras que las variantes premium casi siempre tienen tres ventiladores para ayudar Facilitar la disipación del calor. Los ventiladores de corriente descendente también son mucho más silenciosos y fiables que los ventiladores tipo soplador.

También hay un par de desventajas que vienen con este diseño. En primer lugar, muchos de los refrigeradores de estilo al aire libre de corriente descendente son más caros que las variantes de ventilador base cuando se trata de una línea de tarjetas gráficas en particular. Otro problema importante con este diseño es que todo el aire caliente de la GPU se vierte directamente en su carcasa, lo que puede provocar un aumento de temperatura en otros componentes. Por lo tanto, se recomienda tener un excelente flujo de aire dentro de la caja con ventiladores configurados correctamente si desea utilizar un enfriador de corriente descendente. Sería mejor evitar estos refrigeradores en una carcasa de factor de forma pequeño o en una construcción relativamente compacta. Si desea algunas recomendaciones para los mejores casos de flujo de aire alto en 2021, puede obtenerlas aquí.

Enfriador de cámara de vapor

Los enfriadores de cámara de vapor son mucho menos comunes en las tarjetas gráficas modernas debido a su complejidad relativa, pero siguen siendo una solución de enfriamiento interesante. Una cámara de vapor es una placa delgada y relativamente plana que se utiliza para difundir el calor sobre una amplia superficie. Por lo general, se aplica una pila de aletas directamente a la superficie de la cámara de vapor para aumentar el área de la superficie y mejorar la disipación de calor. La cámara de vapor en sí es una placa de cobre hueca sellada al vacío. La cámara de vapor está en contacto directo con la fuente de calor, como la GPU, que se conoce como evaporador en esta configuración.

Cuando se calienta el evaporador, el líquido de la mecha se evapora y se convierte en gas. El gas caliente luego se expande para llenar el interior de la cámara y alcanza la superficie más fría. Al entrar en contacto con la superficie más fría, el gas se condensa nuevamente, por lo tanto, la superficie más fría se llama condensador. Luego, el líquido condensado se devuelve al evaporador a través de la mecha para continuar el ciclo.

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El diseño del enfriador de la cámara de vapor – Imagen: ASUS ROG

Si bien los metales como el cobre y el aluminio son buenos para conducir el calor, a menudo no son el método más eficiente para hacerlo. Un cambio de fase es una transición de una forma de materia a otra, por ejemplo, de líquido a gas y viceversa, y el tipo de enfriamiento que emplea esta técnica se conoce como enfriamiento por cambio de fase. Las cámaras de vapor pueden transferir una gran cantidad de energía térmica al pasar por un cambio de fase.

Alternativamente, sería posible usar un bloque de cobre sólido para realizar una tarea similar, pero ese diseño sería mucho más pesado y costoso de producir que una cámara de vapor hueca. También sería más lento en funcionamiento que una cámara de vapor. Esta reducción en la velocidad de transferencia de calor también afectaría el rendimiento de la GPU, ya que retendría más calor. Los heatpipes son la otra alternativa al enfriamiento de la cámara de vapor y se usan ampliamente en los enfriadores de aire abierto de tiro descendente mencionados anteriormente.

¿Cuál debería elegir?

Si bien los tres refrigeradores tienen sus pros y sus contras, ciertamente existe una opción obvia cuando se trata de soluciones modernas de enfriamiento de tarjetas gráficas. La mayoría de los consumidores habituales estarían mejor comprando un enfriador de aire al aire libre de corriente descendente decente, ya que ofrece la mejor relación calidad-precio en términos de rendimiento térmico y, al mismo tiempo, es relativamente asequible. Diferentes socios de AIB lanzan varios modelos diferentes para una sola GPU e incluso Nvidia y AMD ahora han abandonado los enfriadores de estilo soplador en favor de enfriadores al aire libre mucho más eficientes para la última generación de tarjetas gráficas.

Las cámaras de vapor son una aplicación interesante y única, sin embargo, su uso real en las soluciones de refrigeración de tarjetas gráficas modernas es bastante poco común hoy en día. Se usaron en las tarjetas gráficas de referencia de AMD durante bastante tiempo junto con un enfriador de estilo soplador, pero nunca despegaron de allí para convertirse en soluciones de enfriamiento convencionales. Los refrigeradores estilo soplador también se acercan al final de su vida útil a medida que más y más socios de AIB lanzan variantes asequibles de tarjetas gráficas al aire libre con un excelente rendimiento de refrigeración y acústica a un precio asequible.

Sin embargo, hay un área donde todavía prevalecen los refrigeradores tipo soplador. Los integradores de sistemas a gran escala o SI como Dell, HP y Lenovo utilizan este estilo de refrigeración para sus tarjetas gráficas, ya que es una unidad relativamente barata de adquirir y expulsa todo el calor directamente fuera de la carcasa, por lo que el interior de la carcasa sí lo hace. no se calienta progresivamente con el uso de la tarjeta gráfica. Los compradores prediseñados a menudo no se preocupan mucho por las temperaturas y la acústica de su tarjeta gráfica, por lo que esta aplicación es perfecta para el ecosistema prediseñado. En cuanto a los fabricantes de PC de bricolaje en 2021, deberían limitarse a los refrigeradores al aire libre, ya que tienen múltiples ventajas y se vuelven más baratos y mejores día a día.

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