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Laptops 101: Entendiendo lo que se necesita para diseñar una solución de refrigeración eficiente para laptops

Vaidyanathan Subramaniam (traducido por Francisco García), 07/29/2019

Fresco como una rosa. El diseño e implementación de un sistema térmico eficiente en una computadora portátil requiere mucha investigación y desarrollo y la selección adecuada de cada componente individual en el sistema para asegurar que todos los componentes funcionen a su máximo potencial. En este artículo básico, echamos un vistazo a lo que se incluye en cada paso del proceso de diseño térmico y cómo los fabricantes de equipos originales prueban y prototipan sus diseños térmicos para lograr la máxima eficiencia. Tomemos el ejemplo del portátil GT76 de MSI que puede funcionar sin problemas a 5 GHz en todos los núcleos para ilustrar mejor el proceso. (sponsored article)

El diseño térmico debe permitir que un ordenador portátil alcance su máximo rendimiento durante períodos más largos sin estrangularse.
El diseño térmico debe permitir que un ordenador portátil alcance su máximo rendimiento durante períodos más largos sin estrangularse.

Introducción

Por lo tanto, usted acaba de conseguir una bestia absoluta de un ordenador portátil que es delgado pero potente y que teóricamente puede darle todos los cuadros que necesita para la dominación del mundo de los juegos. Después de configurarlo, usted enciende el juego en alegría con la esperanza de ser la última persona que quede en pie. Treinta minutos después del comienzo del juego, te das cuenta de que tus cuadros están cayendo rápidamente y que el portátil está tan caliente como un alto horno. Parece que, después de todo, las especificaciones no podían estar a la altura del rendimiento del mundo real. Lo que acaba de ocurrir es que has experimentado un estrangulamiento de la velocidad debido a un enfriamiento inadecuado. 

La importancia de una refrigeración adecuada en los ordenadores portátiles no puede ser exagerada. Los lectores habituales de Notebookcheck son conscientes de los numerosos artículos en los que hemos insistido una y otra vez en la necesidad de evaluar adecuadamente los sistemas de refrigeración de los ordenadores portátiles que utilizan componentes insignia y los riesgos asociados a la aceleración. La refrigeración inadecuada puede resultar en una pérdida importante de rendimiento y, en última instancia, puede que termine pagando más por un portátil que realmente funcione menos.   

Al comprar una computadora portátil, comprender cómo el OEM implementa el mecanismo de enfriamiento es una forma de inferir el potencial de un buen rendimiento. El espacio disponible para la refrigeración en un portátil es mucho menor que el que se obtiene en un PC de sobremesa, por lo que los fabricantes de equipos originales han ideado formas innovadoras de mantener los componentes como un procesador Intel Core i9-9980HK de sobremesa completo y una GeForce RTX 2080 de NVIDIA funcionando a la perfección. 

En este artículo, echaremos un vistazo a lo que entra en el diseño de una solución de refrigeración eficaz, incluyendo la elección de los componentes y la creación de prototipos que entra en este proceso, junto con algunas de las mejoras que los fabricantes de equipos originales han logrado hacer en los últimos tiempos. ¿Interesado en saber qué se necesita para hacer que un portátil como el MSI GT76 funcione con los 8 núcleos a 5 GHz? Sigue leyendo.

Diseño de una solución térmica capaz

El diseño de una buena solución térmica que pueda abarcar los requisitos de disipación de calor de componentes clave como la CPU, la GPU y los VRM no es un asunto trivial. Hay muchos factores y pruebas para tratar de entender cuánto calor generan los chips y qué tan bien pueden encajar en el factor de forma de un portátil en particular.

El proceso de diseño de la solución de refrigeración de un ordenador portátil es un aspecto muy importante del proceso de I+D y esto suele ocurrir como se detalla a continuación. Tenga en cuenta que aunque cada fabricante de equipos originales tendrá su propia forma de diseñar las térmicas para maximizar el rendimiento, los conceptos relacionados con el uso de bloques térmicos, tuberías de calefacción, esparcidores de calor y ventiladores son aplicables en casi todos los fabricantes.

Un "chip" sacado del viejo bloque térmico

El sistema de refrigeración de la MSI GP75 Leopard 9SD.
El sistema de refrigeración de la MSI GP75 Leopard 9SD.

Eche un vistazo a los componentes internos del MSI GP75 Leopard que se muestra al lado. Se trata de un portátil muy capaz para juegos de 1080p y funciona con el procesador Intel Core i7-9750H y la GeForce GTX 1660 Ti de NVIDIA. A partir de la imagen, podemos ver múltiples tubos de calor de cobre que se alejan de la CPU y la GPU hacia los ventiladores. Si se mira de cerca, se puede ver que estos tubos de cobre en realidad se alejan de un bloque de cobre que está presente en ambos procesadores. Este bloque de cobre, o bloque térmico si se quiere, hace contacto con la CPU/GPU actual a través de una pasta térmica. Por lo tanto, la transferencia de calor se produce como CPU/GPU > Pasta > Bloque > Tuberías de calor. La idea es transferir el calor del chip lo más rápido posible al bloque térmico para una disipación eficiente. ¿Por qué es importante?

El Apple MacBook Pro 2018 con el Core i9-8950HK era famoso por sus problemas de estrangulamiento debido a la refrigeración inadecuada. (Fuente: Dave Lee en YouTube)
El Apple MacBook Pro 2018 con el Core i9-8950HK era famoso por sus problemas de estrangulamiento debido a la refrigeración inadecuada. (Fuente: Dave Lee en YouTube)

Sin entrar en demasiados detalles, cada chip está clasificado para disipar una cierta cantidad de calor cuando funciona en su TDP clasificado. Aunque no hay consenso entre los fabricantes de chips sobre cómo se calcula el TDP, los fabricantes de equipos originales hacen sus propias pruebas para ver hasta qué punto se puede llevar este TDP dentro de un tamaño de chasis determinado. Ahora, si el calor no se extrae del chip de manera oportuna, el aumento de la envoltura de calor alrededor del chip lo fuerza a operar a una frecuencia más baja para prevenir daños, afectando así el rendimiento. Un ejemplo es cómo el Apple MacBook Pro 2018 con Core i9 inicialmente no pudo alcanzar la frecuencia de aumento nominal debido a un diseño térmico deficiente.

Además, el exceso de calor significa que el chip trabajará con una menor eficiencia en el ciclo del reloj y aunque pueda parecer que alcanza la frecuencia requerida, el rendimiento general se ve comprometido. La capacidad de overclocking también se ve seriamente obstaculizada. 

Un bloque de cobre genérico frente a un bloque de cobre pulido por CNC utilizado en el MSI GT76. (Imagen cortesía de MSI)
Un bloque de cobre genérico frente a un bloque de cobre pulido por CNC utilizado en el MSI GT76. (Imagen cortesía de MSI)

Por lo tanto, es importante que el calor sea extraído del chip con alta eficiencia y en el menor tiempo posible. El cobre es la opción preferida para los bloques térmicos debido a su alta conductividad. El bloque de cobre en la mayoría de los portátiles tiene una superficie áspera, que a nivel microscópico no permite un contacto completo con la grasa. Para evitar este problema y ofrecer una conductividad aún más eficiente, los portátiles para juegos más potentes, como el MSI GT76, utilizan un bloque de cobre pulido por CNC para maximizar la superficie de contacto, lo que ayuda a disipar mejor el calor del procesador.

Las buenas temperaturas siguen siendo el sueño de una tubería de calor

Principio de funcionamiento de la tubería de calor. (Fuente: Wikipedia)
Principio de funcionamiento de la tubería de calor. (Fuente: Wikipedia)

Así que, ahora que hemos eliminado el calor del chip de una manera eficiente, necesitamos canalizar este calor lejos del conjunto CPU/GPU por medio de tubos de calor. Una tubería de calor se compone de una sección de evaporador y una sección de condensador y se conoce técnicamente como un sistema de transporte de calor de dos fases. En una tubería de calor, un líquido (generalmente agua) absorbe el calor del bloque térmico y se convierte en vapor (sección del evaporador) que viaja a lo largo de la cavidad de la tubería hasta una región de menor temperatura (sección del condensador). Aquí, el vapor se condensa a líquido, que es reabsorbido por una mecha y fluye de vuelta a la posición original por acción capilar mientras que el calor se disipa en el exterior. 

Esquema de transferencia de calor. (Fuente: Calyos)
Esquema de transferencia de calor. (Fuente: Calyos)

A modo de ejemplo, considere el diagrama adjunto. Vemos que el líquido en el tubo de calor se calienta en vapor, viaja al área de transferencia de calor, transfiere el calor y se condensa de nuevo a la forma líquida. La parte denominada "Vaporización" puede compararse con el bloque térmico que hemos comentado anteriormente, mientras que el área de "Transferencia de Calor" es similar a las aletas del esparcidor de calor que veremos en breve. Así es como se transfiere el calor desde el bloque térmico y, en última instancia, a las aletas del dispersor de calor, donde el calor se expulsa a través de ventiladores. 

Sección transversal de un tubo de calor sinterizado metálico. (Fuente: Frosty Tech)
Sección transversal de un tubo de calor sinterizado metálico. (Fuente: Frosty Tech)

Los tubos de calor de calor suelen ser de cobre o aluminio y la estructura de la mecha en su interior está ranurada, con una malla de alambre (malla envuelta), sinterizada o de fibra. De estos, los tubos sinterizados son los más caros de fabricar pero ofrecen una excelente conducción de calor desde la mecha hasta la pared y viceversa. 

Mientras que la estructura de la mecha es un criterio clave para seleccionar el tubo de calor correcto, hay varios otros factores que deben ser igualmente considerados para un rendimiento eficiente del tubo de calor. El primero de ellos es la cantidad - cuanto mayor sea el número de tubos de calor, mejor es la transferencia de calor desde el bloque térmico a la tubería. Sin embargo, la decisión sobre el número de tubos depende de la potencia térmica total del bloque y de la superficie disponible.

La longitud y el diámetro de la tubería afectan directamente la velocidad de desplazamiento del vapor dentro de la cavidad. Cuanto mayor sea el diámetro, mayor será el volumen de vapor que puede transmitirse. La longitud del tubo no debe ser demasiado larga. Las tuberías más cortas pueden transmitir más calor que las más largas y las más cortas también tienen límites capilares más altos, es decir, la velocidad a la que el fluido regresa del condensador al evaporador. 

Distribución individual de los tubos de calor para la CPU y la GPU en el MSI GT76.
Distribución individual de los tubos de calor para la CPU y la GPU en el MSI GT76.

Muchos portátiles suelen pasar tubos de calor por la CPU y la GPU. Aunque esto ahorra costes, la parte del tubo entre la CPU y la GPU es relativamente más fría, lo que puede provocar una condensación prematura del líquido que dificulta la eficacia de la transferencia de calor. Por lo tanto, en los portátiles para juegos de gama alta como el MSI GT76, la CPU y la GPU tienen sus propios tubos de calor y conjuntos de ventiladores para lograr la máxima transferencia de calor.

Dado que un ordenador portátil no tiene suficiente espacio para alojar un tubo de calor cilíndrico, el tubo debe ser aplanado antes de que pueda ser utilizado en el sistema térmico. Esto agrega otra capa de complejidad ya que el aplanamiento desigual o excesivo puede impedir la transferencia de líquido dentro de la mecha. Las curvas cerradas también son perjudiciales. Sin embargo, se ha demostrado que mientras el radio de curvatura sea 3 veces mayor que el diámetro del tubo, el rendimiento no se ve afectado.

Better airflow ensures a cooler laptop

Esquema que muestra la entrada de aire frío (azul) y la salida de aire caliente (rojo) en un cuaderno típico. (Fuente: Inyes.org)
Esquema que muestra la entrada de aire frío (azul) y la salida de aire caliente (rojo) en un cuaderno típico. (Fuente: Inyes.org)
Un típico conjunto de ventilador para computadora portátil con bloque térmico, tuberías de calefacción y esparcidor de calor. (Fuente: Cualquier parte de PC con ediciones)
Un típico conjunto de ventilador para computadora portátil con bloque térmico, tuberías de calefacción y esparcidor de calor. (Fuente: Cualquier parte de PC con ediciones)
El dispersor de calor del MSI GT76 tiene más superficie de aletas y ventiladores adicionales
El dispersor de calor del MSI GT76 tiene más superficie de aletas y ventiladores adicionales

Transmitir con éxito el calor desde el procesador es sólo la mitad del trabajo realizado. Obtener el calor completamente fuera del chasis es igualmente desafiante. Aquí es donde entran en juego los esparcidores de calor y los ventiladores. En un nivel muy básico, el dispersor de calor aumenta el área de superficie para el calor procedente de la tubería de calor, mientras que el ventilador aleja este calor aspirando aire frío del exterior.

Decidir sobre el tipo de ventilador y el esparcidor de calor va más allá de la simple selección de las mejores piezas para el trabajo. El ventilador en cuestión debe encontrar un equilibrio entre el número de aspas y la distancia entre ellas: si se introducen demasiadas aspas en un espacio reducido, no se puede expulsar suficiente aire. Al mismo tiempo, la eficiencia disminuye cuando hay menos hojas con mucho espacio entre ellas. Entonces, ¿cómo se determina la mejor estructura de ventiladores para un enfriamiento óptimo?

Entrar en el software de simulación. Muchos OEMs utilizan software de simulación estándar de la industria que puede dar una evaluación justa de cómo sería el flujo de aire para un chasis dado. La idea de utilizar un software de simulación es averiguar qué tipo de conjunto de ventilador funciona mejor para las necesidades de refrigeración dadas, en lugar de simplemente colocar el ventilador más rápido (y posiblemente el más ruidoso) del mercado. El software de simulación tiene en cuenta muchas características, como la forma en que el flujo de aire se dirige hacia y fuera del chasis, el espacio disponible dentro del chasis, el volumen de aire generado por el diseño del ventilador (CFM), la superficie de las aletas de dispersión de calor, etc. El software puede predecir la distribución de la temperatura dentro del chasis bajo diferentes simulaciones de carga. Esto ayuda a los fabricantes de equipos originales a comprender mejor y refinar su configuración de refrigeración para lograr la máxima eficiencia.

En el siguiente video de una prueba de simulación, podemos hacernos una idea de cómo la simulación del flujo de aire ayuda a entender el resultado probable de una implementación de enfriamiento. Aquí, vemos que este diseño de muestra en particular resultó en la succión de aire caliente en la toma, resultando en temperaturas más altas.

Después de hacer los cambios requeridos a la derecha, ahora vemos que todo el aire caliente es expulsado por los ventiladores, lo que resulta en una distribución mucho más uniforme de la temperatura. Por lo tanto, utilizando esta simulación es posible realizar cambios en el diseño de refrigeración en la propia etapa del prototipo. También ayuda a detectar problemas que tal vez no se puedan identificar físicamente.

Ahora, consideremos cómo funciona todo esto en un ejemplo práctico como el MSI GT76. La GT76 apunta a un rendimiento sostenido a largo plazo a 5 GHz en todos los núcleos del Core i9-9900K. Como se puede ver en la imagen, el sistema de refrigeración de la GT76 cuenta con no menos de 11 tubos de calor, dos bloques de cobre pulidos por CNC, dispersores de calor mejorados y un diseño de cuatro ventiladores. Los dispersores de calor abarcan toda la longitud del portátil y la disponibilidad de cuatro ventiladores ayuda a disipar el calor en toda la parte trasera en lugar de sólo una o dos esquinas. 

La GT76 puede disipar el calor a lo largo de todo el chasis.
La GT76 puede disipar el calor a lo largo de todo el chasis.

MSI dice que las extensas simulaciones le han ayudado a diseñar el nuevo sistema de flujo de aire que logra un flujo de aire 2,25 veces mejor en comparación con la competencia, con los ventiladores de la GT76 empujando 96 CFM de aire en comparación con 42,6 CFM en los demás. La mayor superficie de aletas del nuevo dispersor de calor también contribuye a evitar que el 9900K se estrangule. El lado CPU de la GT76 tiene una superficie de aleta de 252.910 mm2 - ~2,3 veces la de la GT75 Titan (110.045 mm2).

Los aficionados de la GT76 pueden impulsar un 125% más de aire en comparación con la competencia.
Los aficionados de la GT76 pueden impulsar un 125% más de aire en comparación con la competencia.
La superficie de las aletas de la GT76 es un 130% mayor que la de la GT75 del año pasado.
La superficie de las aletas de la GT76 es un 130% mayor que la de la GT75 del año pasado.

En nuestra propia revisión de la GT76, encontramos que el portátil no aceleraba en absoluto, incluso cuando se sometía a una prueba de esfuerzo de 60 minutos de FurMark y Prime95, aunque notamos que los componentes estaban más calientes de lo normal. También nos dimos cuenta de que el portátil podía funcionar continuamente a 4,7 GHz en un bucle Cinebench R15 sin sudar.

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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)

Conclusión

Como ya se habrá dado cuenta, diseñar un sistema de refrigeración adecuado que permita que los componentes funcionen al máximo de su potencial es uno de los objetivos más importantes de la investigación y desarrollo de ordenadores portátiles. Diversos aspectos, desde imaginar cómo debería ocurrir el flujo de aire dentro del chasis hasta la elección de los materiales adecuados y las pruebas de simulación, juegan un papel crucial para garantizar que usted pueda trabajar o jugar sin sacrificar el rendimiento.

Aunque hemos profundizado en algunos de los aspectos de hardware de la refrigeración, también se requieren muchas optimizaciones de software para asegurar que el sistema sea capaz de detectar la envolvente térmica y regularla en consecuencia. Esperamos que este manual sobre cómo se diseñan las soluciones de refrigeración para portátiles haya contribuido a ampliar sus conocimientos sobre este aspecto importante, pero a menudo pasado por alto, de la compra de portátiles.

MSI dice que las computadoras portátiles con mejores soluciones de enfriamiento serán el foco de su próximo programa de regreso a la escuela, así que espere ver soluciones de enfriamiento mejoradas en todo el portafolio.

¿Tiene alguna pregunta o sugerencia? Háganoslo saber en los comentarios de abajo. Vea este espacio para los próximos temas de laptop 101, incluyendo lo que se necesita para determinar la precisión de la pantalla LCD, el diseño del touchpad, la acústica y mucho más.

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Vaidyanathan Subramaniam, 2019-07-29 (Update: 2019-07-29)