O resfriamento do computador é necessário para remover o calor residual produzido pelos componentes do computador, para manter os componentes dentro dos limites de temperatura operacional permitidos. Os componentes que são suscetíveis a mau funcionamento temporário ou falha permanente se superaquecidos incluem circuitos integrados, como unidades de processamento central (CPUs), chipsets, placas gráficas e unidades de disco rígido.
Os componentes geralmente são projetados para gerar o mínimo de calor possível, e os computadores e sistemas operacionais podem ser projetados para reduzir o consumo de energia e consequente aquecimento de acordo com a carga de trabalho, mas ainda pode ser produzido mais calor do que pode ser removido sem atenção ao resfriamento. O uso de dissipadores de calor resfriados por fluxo de ar reduz o aumento de temperatura produzido por uma determinada quantidade de calor. A atenção aos padrões de fluxo de ar pode prevenir o desenvolvimento de pontos quentes. Os ventiladores do computador são amplamente usados junto com os ventiladores do dissipador de calor para reduzir a temperatura, esgotando ativamente o ar quente. Existem também técnicas de resfriamento mais exóticas, como resfriamento líquido. Todos os processadores modernos são projetados para cortar ou reduzir sua voltagem ou velocidade de clock se a temperatura interna do processador exceder um limite especificado. Isso é geralmente conhecido como Thermal Throttling, no caso de redução de velocidades de clock ou Thermal Shutdown, no caso de um desligamento completo do dispositivo ou sistema.
O resfriamento pode ser projetado para reduzir a temperatura ambiente dentro do gabinete de um computador, como exaustão de ar quente ou para resfriar um único componente ou uma pequena área (resfriamento pontual). Os componentes comumente resfriados individualmente incluem a CPU, a unidade de processamento gráfico (GPU) e o northbridge.
Geradores de calor indesejado Os circuitos integrados (por exemplo, CPU e GPU) são os principais geradores de calor nos computadores modernos. A geração de calor pode ser reduzida por meio de um projeto eficiente e seleção de parâmetros operacionais, como tensão e frequência, mas, em última análise, o desempenho aceitável geralmente só pode ser alcançado gerenciando uma geração significativa de calor.
Em operação, a temperatura dos componentes de um computador aumentará até que o calor transferido para o ambiente seja igual ao calor produzido pelo componente, ou seja, quando o equilíbrio térmico for alcançado. Para uma operação confiável, a temperatura nunca deve exceder um valor máximo permitido específico para cada componente. Para semicondutores, a temperatura instantânea da junção, em vez da caixa do componente, dissipador de calor ou temperatura ambiente, é crítica.
O resfriamento pode ser prejudicado por: A poeira atua como um isolante térmico e impede o fluxo de ar, reduzindo assim o dissipador de calor e o desempenho do ventilador. Fluxo de ar ruim incluindo turbulência devido ao atrito contra componentes impeditivos, como cabos de fita, ou orientação incorreta dos ventiladores, pode reduzir a quantidade de ar que flui através de um gabinete e até mesmo criar redemoinhos localizados de ar quente no gabinete. Em alguns casos de equipamentos com design térmico ruim, o ar de resfriamento pode sair facilmente pelos orifícios de "resfriamento" antes de passar por componentes quentes; o resfriamento em tais casos geralmente pode ser melhorado bloqueando os orifícios selecionados. Má transferência de calor devido ao mau contato térmico entre os componentes a serem resfriados e os dispositivos de resfriamento. Isso pode ser melhorado pelo uso de pastas térmicas para uniformizar as imperfeições da superfície, ou mesmo por lapidação.
Prevenção de danos Como as altas temperaturas podem reduzir significativamente a vida útil ou causar danos permanentes aos componentes, e a saída de calor dos componentes às vezes pode exceder a capacidade de resfriamento do computador, os fabricantes costumam tomar precauções adicionais para garantir que as temperaturas permaneçam dentro dos limites de segurança. Um computador com sensores térmicos integrados na CPU, placa-mãe chipset ou GPU pode se desligar quando altas temperaturas são detectadas para evitar danos permanentes, embora isso possa não garantir completamente a operação segura a longo prazo. Antes que um componente superaquecido atinja esse ponto, ele pode ser "throttled" até que as temperaturas caiam abaixo de um ponto seguro usando tecnologia de escala de frequência dinâmica. O throttling reduz a frequência operacional e a tensão de um circuito integrado ou desativa recursos não essenciais do chip para reduzir a produção de calor, muitas vezes ao custo de um desempenho leve ou significativamente reduzido. Para computadores desktop e notebook, a limitação geralmente é controlada no nível do BIOS. A limitação também é comumente usada para gerenciar temperaturas em smartphones e tablets, onde os componentes são compactados com pouco ou nenhum resfriamento ativo e com calor adicional transferido da mão do usuário.
O usuário também pode fazer muito para prevenir preventivamente a ocorrência de danos. Eles podem realizar uma inspeção visual do cooler e dos ventiladores do gabinete. Se algum deles não estiver girando corretamente, é provável que precise ser substituído. O usuário também deve limpar os ventiladores completamente, pois poeira e detritos podem aumentar a temperatura ambiente do gabinete e afetar o desempenho do ventilador. A melhor maneira de fazer isso é com ar comprimido em um espaço aberto. Outra técnica preventiva para evitar danos é substituir a pasta térmica regularmente.
Mainframes e supercomputadores À medida que os computadores eletrônicos se tornaram maiores e mais complexos, o resfriamento dos componentes ativos tornou-se um fator crítico para uma operação confiável. Os primeiros computadores de tubo de vácuo, com gabinetes relativamente grandes, podiam contar com circulação de ar natural ou forçada para resfriamento. No entanto, os dispositivos de estado sólido foram compactados com muito mais densidade e tiveram temperaturas operacionais permitidas mais baixas.
A partir de 1965, a IBM e outros fabricantes de computadores mainframe patrocinaram pesquisas intensivas sobre a física do resfriamento de circuitos integrados densamente compactados. Muitos sistemas de resfriamento de ar e líquido foram concebidos e investigados, usando métodos como convecção natural e forçada, impacto de ar direto, imersão direta em líquido e convecção forçada, ebulição em piscina, filmes em queda, ebulição em fluxo e impacto de jato líquido. A análise matemática foi usada para prever os aumentos de temperatura dos componentes para cada geometria possível do sistema de resfriamento.
A IBM desenvolveu três gerações do Módulo de Condução Térmica (TCM) que usava uma placa fria refrigerada a água em contato térmico direto com pacotes de circuitos integrados. Cada pacote tinha um pino termicamente condutor pressionado sobre ele, e o gás hélio envolvia chips e pinos condutores de calor. O projeto pode remover até 27 watts de um chip e até 2.000 watts por módulo, mantendo as temperaturas do pacote do chip em torno de 50 °C (122 °F). Os sistemas que usavam TCMs eram a família 3081 (1980), ES/3090 (1984) e alguns modelos da ES/9000 (1990). No processador IBM 3081, os TCMs permitiam até 2700 watts em uma única placa de circuito impresso, mantendo a temperatura do chip em 69 °C (156 °F). Módulos de condução térmica usando resfriamento a água também foram usados em sistemas de mainframe fabricados por outras empresas, incluindo Mitsubishi e Fujitsu.
O supercomputador Cray-1 projetado em 1976 tinha um sistema de resfriamento distinto. A máquina tinha apenas 77 polegadas (2.000 mm) de altura e 56 1⁄2 polegadas (1.440 mm) de diâmetro e consumiu até 115 quilowatts; isso é comparável ao consumo médio de energia de algumas dezenas de lares ocidentais ou de um carro de tamanho médio. Os circuitos integrados usados na máquina eram os mais rápidos disponíveis na época, usando lógica acoplada ao emissor; no entanto, a velocidade foi acompanhada por alto consumo de energia em comparação com dispositivos CMOS posteriores.
A remoção do calor era crítica. O refrigerante circulava através de tubulações embutidas em barras verticais de resfriamento em doze seções colunares da máquina. Cada um dos 1662 módulos de circuito impresso da máquina tinha um núcleo de cobre e era preso à barra de resfriamento. O sistema foi projetado para manter as caixas dos circuitos integrados a no máximo 54 °C (129 °F), com refrigerante circulando a 21 °C (70 °F). A rejeição de calor final foi através de um condensador refrigerado a água. A tubulação, os trocadores de calor e as bombas para o sistema de resfriamento foram dispostos em um banco estofado ao redor da parte externa da base do computador. Cerca de 20 por cento do peso da máquina em operação era refrigerante.Keith Devlin, All the Math That's Fit to Print: Articles from The Guardian, Cambridge University Press, 1994 page 146
No último Cray-2, com seus módulos mais compactados, Seymour Cray teve problemas para resfriar a máquina de maneira eficaz usando a técnica de condução metálica com refrigeração mecânica, então ele mudou para o resfriamento por 'imersão líquida'. Este método envolvia encher o chassi do Cray-2 com um líquido chamado Fluorinert. Fluorinert, como o próprio nome indica, é um líquido inerte que não interfere no funcionamento dos componentes eletrônicos. À medida que os componentes atingiam a temperatura operacional, o calor se dissipava no Fluorinert, que era bombeado para fora da máquina para um trocador de calor de água gelada.
O desempenho por watt dos sistemas modernos melhorou muito; muito mais cálculos podem ser realizados com um determinado consumo de energia do que era possível com os circuitos integrados das décadas de 1980 e 1990. Projetos recentes de supercomputadores, como o Blue Gene, dependem do resfriamento a ar, o que reduz o custo, a complexidade e o tamanho dos sistemas em comparação com o resfriamento líquido.
Resfriamento a ar
Fans Ventiladores são usados quando a convecção natural é insuficiente para remover o calor. Os ventiladores podem ser instalados no gabinete do computador ou conectados a CPUs, GPUs, chipsets, fontes de alimentação (PSUs), discos rígidos ou como placas conectadas a um slot de expansão. Os tamanhos comuns de ventilador incluem 40, 60, 80, 92, 120 e 140 mm. Ventoinhas de 200, 230, 250 e 300 mm às vezes são usadas em computadores pessoais de alto desempenho.
Desempenho dos ventiladores no chassi
Um computador tem uma certa resistência ao fluxo de ar através do chassi e dos componentes. Esta é a soma de todos os menores impedimentos ao fluxo de ar, como aberturas de entrada e saída, filtros de ar, chassi interno e componentes eletrônicos. Os ventiladores são bombas de ar simples que fornecem pressão ao ar do lado de entrada em relação ao lado de saída. Essa diferença de pressão move o ar pelo chassi, com o ar fluindo para as áreas de menor pressão.
Os ventiladores geralmente têm duas especificações publicadas: fluxo de ar livre e pressão diferencial máxima. Fluxo de ar livre é a quantidade de ar que um ventilador moverá com contrapressão zero. A pressão diferencial máxima é a quantidade de pressão que um ventilador pode gerar quando completamente bloqueado. Entre esses dois extremos, há uma série de medições correspondentes de fluxo versus pressão, que geralmente é apresentada como um gráfico. Cada modelo de ventilador terá uma curva única, como as curvas tracejadas na ilustração ao lado.
Instalação paralela em relação à série