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Laptops 101: Capire cosa significa progettare una soluzione di raffreddamento efficiente per computer portatili

Vaidyanathan Subramaniam, 07/29/2019

Fresco come un'anguria! La progettazione e l'implementazione di un sistema di raffreddamento efficiente in un computer portatile richiede molte attività di ricerca e sviluppo e una selezione adeguata di ogni singolo elemento del sistema per garantire che tutti i componenti funzionino al meglio delle loro potenzialità. In questo articolo, diamo un'occhiata a ciò che accade in ogni fase del processo di progettazione del sistema di raffreddamento e a come gli OEM testano le loro soluzioni per ottenere la massima efficienza. Prendiamo l'esempio del computer portatile GT76 di punta di MSI che può funzionare senza ostacoli a 5 GHz su tutti i core per illustrare meglio il processo. (sponsored article)

Il design termico dovrebbe consentire a un computer portatile di raggiungere le massime prestazioni per periodi più lunghi senza strozzature.
Il design termico dovrebbe consentire a un computer portatile di raggiungere le massime prestazioni per periodi più lunghi senza strozzature.

Introduzione

Così, avete appena messo le mani su una bestia assoluta, un computer portatile che è sottile ma potente e può teoricamente darvi tutti i fotogrammi che vi servono per dominare il mondo dei videogiochi. Dopo averlo configurato, avviate il gioco in allegria sperando di essere l'ultima persona a restare in piedi. Trenta minuti di gioco, si scopre che i fotogrammi sono in rapido calo e il portatile è caldo come un altoforno. Sembra che le specifiche non siano all'altezza delle prestazioni del mondo reale, in fondo. Quello che è appena successo è che hai subito un calo di prestazioni a causa di un raffreddamento inadeguato.

L'importanza di un raffreddamento adeguato nei computer portatili non può essere sminuita. I lettori abituali di Notebookcheck saranno a conoscenza dei molti articoli in cui abbiamo più volte sottolineato la necessità di valutare correttamente i sistemi di raffreddamento dei computer portatili che utilizzano componenti di punta e le insidie associate ad una strozzatura delle prestazioni. Un raffreddamento improprio può comportare una significativa perdita di prestazioni e si può finire per pagare di più per un computer portatile che in realtà ha meno prestazioni.  

Quando si acquista un laptop, capire come l'OEM realizza il sistema di raffreddamento è un modo per dedurre il potenziale di buone prestazioni. Il margine disponibile per il raffreddamento in un laptop è molto inferiore rispetto a quello di un PC desktop, quindi gli OEM hanno ideato soluzioni innovative per mantenere i componenti come un Intel Core i9-9980HK di classe desktop completo e una NVIDIA GeForce RTX 2080 che ronza senza grossi problemi.

In questo articolo, daremo un'occhiata a ciò che riguarda la progettazione di una soluzione di raffreddamento efficace, compresa la scelta dei componenti e la prototipazione che entra in questo processo insieme ad alcuni dei miglioramenti che gli OEM sono riusciti ad apportare negli ultimi tempi. Siete interessati a sapere cosa significa fare in modo che un computer portatile come l'MSI GT76 faccia funzionare tutti gli 8 core a 5 GHz? Continua a leggere.

Progettare un sistema di raffreddamento efficace

Progettare una buona soluzione termica che possa includere i requisiti di dissipazione del calore di componenti chiave come CPU, GPU e VRM non è una questione banale. Molti fattori e test si concentrano nel cercare di capire quanto calore i chip generano e quanto possano adattarsi al particolare fattore di forma del computer portatile.

Il processo di progettazione della soluzione di raffreddamento di un laptop è un aspetto molto importante del processo di ricerca e sviluppo e questo avviene solitamente come descritto di seguito. Si noti che, mentre ogni OEM avrà il proprio modo di progettare le soluzioni termiche per massimizzare le prestazioni, i concetti coinvolti nell'uso di blocchi termici, tubi di calore, dissipatori e ventole sono applicabili in quasi tutti i produttori.

Uno sguardo d'insieme

Il sistema di raffreddamento nell'MSI GP75 Leopard 9SD.
Il sistema di raffreddamento nell'MSI GP75 Leopard 9SD.

Date un'occhiata agli interni dell'MSI GP75 Leopard nella foto a fianco. Questo è un laptop gaming molto potente per giochi a 1080p ed è alimentato da Intel Core i7-9750H e NVIDIA GeForce GTX 1660 Ti. Dall'immagine, possiamo vedere più tubi termici in rame che si allontanano dalla CPU e dalla GPU verso le ventole. Se si guarda attentamente, si può vedere che questi tubi di rame portano lontano da un blocco di rame presente su entrambi i processori. Questo blocco di rame, o blocco termico se si vuole, entra in contatto con la CPU/GPU effettiva tramite una pasta termica. Quindi il trasferimento di calore avviene come CPU/GPU > Pasta> Blocco Termico> Tubi di calore. L'idea è di trasferire il calore dal chip il più velocemente possibile al blocco termico per una dissipazione efficiente. Perché è così importante?

L'Apple MacBook Pro 2018 con il Core i9-8950HK era famigerato per i suoi problemi di strozzamento a causa del sistema di raffreddamento inadeguato. (Fonte: Dave Lee su YouTube)
L'Apple MacBook Pro 2018 con il Core i9-8950HK era famigerato per i suoi problemi di strozzamento a causa del sistema di raffreddamento inadeguato. (Fonte: Dave Lee su YouTube)

Senza entrare troppo nei dettagli, ogni chip è in grado di dissipare una certa quantità di calore quando funziona al suo TDP nominale. Anche se non c'è accordo tra i produttori di chip su come viene calcolato il TDP, gli OEM fanno i loro test per vedere fino a che punto questo TDP può essere spinto all'interno di una determinata dimensione del telaio. Ora, se il calore non viene estratto dal chip in modo tempestivo, l'aumento del calore intorno al chip lo costringe ad operare ad una frequenza più bassa per evitare danni, influenzando così le prestazioni. Un esempio calzante è il fatto che l'Apple MacBook Pro 2018 con Core i9 non è riuscito inizialmente nemmeno a raggiungere la frequenza di boost nominale a causa di un design termico scadente.

Inoltre, l'eccesso di calore significa che il chip funzionerà con un'efficienza inferiore nel ciclo di clock e, sebbene possa sembrare che raggiunga la frequenza richiesta, le prestazioni complessive sono compromesse. Senza contare che anche la capacità di overclock è fortemente ostacolata.

Un blocco di rame generico vs. un blocco di rame lucidato a CNC utilizzato nell'MSI GT76. (Immagine per gentile concessione: MSI)
Un blocco di rame generico vs. un blocco di rame lucidato a CNC utilizzato nell'MSI GT76. (Immagine per gentile concessione: MSI)

Pertanto, è importante che il calore venga estratto dal chip con alta efficienza e nel minor tempo possibile. Il rame è la scelta preferita per i blocchi termici grazie alla sua elevata conducibilità. Il blocco di rame nella maggior parte dei computer portatili ha una superficie ruvida, che a livello microscopico non consente un contatto totale con la pasta termica. Per aggirare questo problema e offrire una conducibilità ancora più efficiente, i portatili da gioco più potenti come l'MSI GT76 utilizzano un blocco di rame CNC lucidato per massimizzare la superficie di contatto, il che aiuta a dissipare meglio il calore dal processore.

Buone temperature dipendono ancora da un tubo di calore da sogno

Principio di funzionamento del condotto termico. (Fonte: Wikipedia)
Principio di funzionamento del condotto termico. (Fonte: Wikipedia)

Così, ora che abbiamo rimosso il calore dal chip in modo efficiente, abbiamo bisogno di convogliare questo calore lontano dal gruppo CPU/GPU tramite tubi di calore. Un tubo di calore è costituito da una sezione evaporante e una sezione condensante ed è tecnicamente indicato come sistema di trasporto del calore a due fasi. In un tubo di calore, un liquido (di solito acqua) assorbe il calore dal blocco termico e viene convertito in vapore (sezione evaporatore) che viaggia lungo la cavità del tubo fino ad una regione a bassa temperatura (sezione condensatore). Qui il vapore si condensa in liquido, che viene riassorbito da uno stoppino e ritorna nella posizione originale per azione capillare mentre il calore viene dissipato all'esterno.

Schema del trasferimento di calore. (Fonte: Calyos)
Schema del trasferimento di calore. (Fonte: Calyos)

Come esempio, si consideri il diagramma a corredo. Vediamo che il liquido nel condotto termico si riscalda in vapore, viaggia verso l'area di trasferimento del calore, trasferisce il calore e si condensa in forma liquida. La parte etichettata "Vaporization" può essere paragonata al blocco di calore di cui abbiamo discusso sopra, mentre l'area di "Heat Transfer" è simile alle alette di diffusione del calore che vedremo a breve. Questo è il modo in cui il calore viene trasferito dal blocco termico e, in ultima analisi, alle alette del dissipatore, dove il calore viene poi espulso grazie alle ventole.

Sezione trasversale di un tubo termico metallico sinterizzato. (Fonte: Frosty Tech)
Sezione trasversale di un tubo termico metallico sinterizzato. (Fonte: Frosty Tech)

I tubi di calore sono di solito realizzati in rame o alluminio e la struttura a stoppino all'interno è scanalata, una rete metallica (wrapped screen), sinterizzata o in fibra. Di questi, i tubi sinterizzati sono i più costosi da produrre, ma offrono un'eccellente conduzione del calore dallinterno alla parete e viceversa.

Anche se la struttura dello stoppino è un criterio chiave per la scelta del giusto tubo di calore, ci sono diversi altri fattori che devono essere ugualmente presi in considerazione per ottenere prestazioni efficienti dal tubo di calore. Il primo di questi è la quantità - più è il numero di tubi di calore, migliore è il trasferimento di calore dal blocco termico al tubo. Tuttavia, la scelta del numero di tubi dipende dalla potenza termica complessiva del blocco termico e dalla superficie disponibile.

La lunghezza e il diametro del tubo influiscono direttamente sulla velocità di passaggio del vapore all'interno della cavità. Maggiore è il diametro, maggiore è il volume di vapore che può essere trasmesso. La lunghezza del tubo non deve essere troppo lunga. Tubi più corti possono trasmettere più calore di quelli più lunghi e tubi più corti hanno anche limiti capillari più elevati - la velocità con cui il fluido ritorna dal condensatore all'evaporatore.

Distribuzione dei singoli tubi di calore per CPU e GPU nell'MSI GT76.
Distribuzione dei singoli tubi di calore per CPU e GPU nell'MSI GT76.

Molti computer portatili spesso fanno funzionare i tubi di calore sia sulla CPU che sulla GPU. Anche se questo consente di risparmiare sui costi, la parte del tubo tra la CPU e la GPU è relativamente più fredda, il che può portare a una condensazione prematura del liquido che ostacola l'efficienza del trasferimento di calore. Pertanto, nei computer portatili da gioco di fascia alta come l'MSI GT76, la CPU e la GPU hanno singoli propri tubi di calore e gruppi ventola per il massimo trasferimento di calore.

Poiché un computer portatile non ha abbastanza spazio per ospitare un condotto termico cilindrico, il tubo deve essere appiattito prima di poter essere utilizzato nel sistema di raffreddamento. Questo aggiunge un altro elemento di complessità in quanto un appiattimento non uniforme o eccessivo può impedire il trasferimento di liquido all'interno dello stoppino. Anche le curve strette sono dannose. Tuttavia, è stato dimostrato che fino a quando il raggio di curvatura è 3 volte superiore a quello del diametro del tubo, le prestazioni sono inalterate.

Un migliore flusso d'aria assicura una migliore gestione del calore nel computer portatile

Schema che mostra l'ingresso di aria fresca (blu) e l'uscita di aria calda (rossa) in un tipico computer portatile. (Fonte: Inyes.org)
Schema che mostra l'ingresso di aria fresca (blu) e l'uscita di aria calda (rossa) in un tipico computer portatile. (Fonte: Inyes.org)
Un tipico gruppo di ventole per computer portatile con blocco termico, tubi di calore e dissipatore di calore. (Fonte: Any PC Part modificato)
Un tipico gruppo di ventole per computer portatile con blocco termico, tubi di calore e dissipatore di calore. (Fonte: Any PC Part modificato)
Il dissipatore di calore dell'MSI GT76 ha una maggiore superficie delle alette e ventole aggiuntive.
Il dissipatore di calore dell'MSI GT76 ha una maggiore superficie delle alette e ventole aggiuntive.

L'efficace trasmissione del calore lontano dal processore è solo la metà del lavoro da eseguire. Anche l'estrazione completa del calore dal telaio è altrettanto impegnativo. È qui che entrano in gioco i dissipatori e le ventole. Ad un livello molto semplice, il dissipatore aumenta la superficie per il calore proveniente dal tubo di calore, mentre la ventola allontana questo calore aspirando aria fresca dall'esterno.

La scelta del tipo di ventola e del dissipatore va oltre la semplice selezione dei componenti migliori per il lavoro da svolgere. La ventola in questione deve trovare un equilibrio tra il numero di pale e la distanza tra di loro - inserire troppe pale in uno spazio ridotto significa che non è possibile espellere abbastanza aria. Allo stesso tempo, l'efficienza diminuisce quando ci sono meno lame con molto spazio tra loro. Come si determina la struttura della ventola migliore per un raffreddamento ottimale?

Qui entra in gioco il software di simulazione. Molti OEM utilizzano un software di simulazione standard in grado di fornire un'equa valutazione di come sarebbe il flusso d'aria per un dato telaio. L'idea di utilizzare un software di simulazione è quella di scoprire quale tipo di gruppo di ventole funziona meglio per le esigenze di raffreddamento precise, invece di limitarsi ad inserire rapidamente una ventola (forse più rumorosa) sul mercato. Il software di simulazione tiene conto di molte caratteristiche come il modo in cui il flusso d'aria viene diretto all'interno e all'esterno del telaio, lo spazio disponibile all'interno del telaio, il volume d'aria generato dal design della ventola (CFM), l'area di superficie delle alette del dissipatore di calore, ecc. Il software è in grado di prevedere la distribuzione della temperatura all'interno del telaio sotto diverse simulazioni di carico. Questo aiuta gli OEM a comprendere meglio e perfezionare la loro configurazione di raffreddamento per ottenere la massima efficienza.

Nel video sottostante relativo a un test di simulazione, possiamo avere un'idea di come la simulazione del flusso d'aria aiuta a capire il probabile risultato di un'implementazione del sistema di raffreddamento. Qui, vediamo che questo particolare progetto prototipo ha portato a risucchiare l'aria calda all'ingresso, con il risultato di temperature più elevate.

Dopo aver apportato le modifiche richieste sulla destra, vediamo ora che tutta l'aria calda viene espulsa dalle ventole con una distribuzione della temperatura molto più uniforme. Pertanto, utilizzando tale simulazione è possibile apportare modifiche al progetto del sistema di raffreddamento nella fase di prototipo stesso. Aiuta anche a rilevare problemi che potrebbero non essere identificabili fisicamente.

Ora, consideriamo come funziona tutto questo in un esempio pratico come l'MSI GT76. IL GT76 mira a prestazioni elevate costanti a 5 GHz su tutti i cores del Core i9-9900K. Come si vede nell'immagine, il sistema di raffreddamento del GT76 presenta non meno di 11 tubi di calore, due blocchi di rame lucidato a CNC, dissipatori di calore potenziati e un design a quattro ventole. I dissipatori di calore coprono l'intera lunghezza del laptop e la disponibilità di quattro ventole aiuta a dissipare il calore su tutto il lato posteriore invece di uno o due angoli.

Il GT76 è in grado di dissipare il calore su tutta la lunghezza del telaio.
Il GT76 è in grado di dissipare il calore su tutta la lunghezza del telaio.

MSI dice che ampie simulazioni hanno aiutato a progettare il nuovo sistema di flusso d'aria che raggiunge un flusso di 2,25 volte migliore rispetto alla concorrenza con le ventole del GT76 che spingono 96 CFM di aria rispetto ai 42,6 CFM degli altri. Anche la maggiore superficie delle alette del nuovo dissipatore di calore contribuisce ad evitare che il 9900K venga strozzato. Il lato CPU del GT76 ha una superficie delle alette di 252.910 mm2 - ~2,3x quella della GT75 Titan (110.045 mm2).

Le ventole del GT76 possono soffiare il 125% di aria in più rispetto alla concorrenza.
Le ventole del GT76 possono soffiare il 125% di aria in più rispetto alla concorrenza.
La superficie delle alette del GT76 è superiore del 130% rispetto al GT75 dello scorso anno.
La superficie delle alette del GT76 è superiore del 130% rispetto al GT75 dello scorso anno.

Nella nostra recensione del GT76, abbiamo scoperto che il notebook non ha rallentato affatto, anche se sottoposto a un FurMark di 60 minuti e a una prova di stress Prime95, anche se abbiamo notato che i componenti erano più caldi della norma. Abbiamo anche notato che il portatile girava costantemente a 4,7 GHz in un Cinebench R15 loop senza sudare.

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MSI GT76 Titan DT 9SG Intel Core i9-9900K, Intel Core i9-9900K: Ø1998 (1943.92-2022.14)
Alienware Area-51m i9-9900K RTX 2080 Intel Core i9-9900K, Intel Core i9-9900K: Ø1875 (1847.15-1952.27)
Schenker XMG Ultra 17 Turing Intel Core i9-9900K, Intel Core i9-9900K: Ø1887 (1858.65-1934.33)

Conclusioni

Come avrete ormai capito, progettare un sistema di raffreddamento adeguato che permetta ai componenti di funzionare al massimo delle loro potenzialità è uno degli obiettivi più importanti della ricerca e sviluppo dei computer portatili. Diversi aspetti, a partire dalla visione di come dovrebbe avvenire il flusso d'aria all'interno del telaio, alla scelta dei materiali giusti e ai test di simulazione, giocano un ruolo cruciale nel garantire che si sia in grado di lavorare o giocare senza sacrificare le prestazioni.

Come avrete ormai capito, progettare un sistema di raffreddamento adeguato che permetta ai componenti di funzionare al massimo delle loro potenzialità è uno degli obiettivi più importanti della ricerca e sviluppo dei computer portatili. Diversi aspetti, a partire dalla visione di come dovrebbe avvenire il flusso d'aria all'interno del telaio, alla scelta dei materiali giusti e ai test di simulazione, giocano un ruolo cruciale nel garantire che si sia in grado di lavorare o giocare senza sacrificare le prestazioni.Anche se abbiamo approfondito alcuni aspetti hardware del raffreddamento, sono necessarie molte ottimizzazioni software per garantire che il sistema sia in grado di rilevare lo scenario termico e regolarsi di conseguenza. Ci auguriamo che questo articolo sulle modalità di progettazione delle soluzioni di raffreddamento dei computer portatili abbia contribuito a migliorare le vostre conoscenze su questo importante ma spesso trascurato aspetto degli acquisti di portatili. MSI afferma che i computer portatili con soluzioni di raffreddamento migliori saranno al centro del suo prossimo programma, quindi aspettatevi di vedere soluzioni di raffreddamento avanzate in tutto il portafoglio.  

Avete domande o suggerimenti? Fateci sapere nei commenti qui sotto. Guarda questo spazio per i prossimi argomenti Portatili 101, tra cui, cosa significa determinare la precisione del pannello LCD, il design del touchpad, l'acustica e altro ancora.

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Vaidyanathan Subramaniam (Update: 2019-08-23)