El rendimiento de la estación de trabajo y la potencia del procesador aumentan con cada nueva generación. En consecuencia, las capacidades de enfriamiento también deberían cambiar. Por ejemplo, en el Intel Xeon E5-2687W (Haswell) v3i de 10 núcleos, el paquete térmico aumentó de 150 a 160 W en comparación con su predecesor Intel Xeon E5-2687W v2ii de 8 núcleos (Ivy Bridge). Esta estación de trabajo está equipada actualmente con procesadores de 22 núcleos. El problema se ve agravado por el uso del mismo volumen de plataformas y cajas de hardware: las soluciones de ingeniería para enfriar en un formato compacto se vuelven críticas para el rendimiento y las características acústicas del producto.
Los dos procesadores más modernos de la serie Intel Xeon E5-2600 v4 proporcionan un nivel de rendimiento fundamentalmente nuevo con soporte para hasta 22 núcleos para cada uno. La estación de trabajo
Precision 7910 en el caso Tower es una solución para cargas de trabajo que requieren grandes recursos informáticos (tareas de visualización de procesos complejos,
herramientas de modelado y análisis de grandes volúmenes de datos). El sistema de refrigeración líquida de Dell ofrece un 38% de reducción de ruido.
Con las crecientes demandas en el proceso informático, se hace cada vez más difícil organizar el enfriamiento de las capacidades crecientes. Para resolver este problema, Dell ha desarrollado un innovador sistema refrigerado por líquido: su potencial de disipación de calor se ha triplicado en comparación con las soluciones tradicionales, y el nivel de ruido se ha optimizado.
La refrigeración por aire con tubos de calor y radiadores de aluminio es lo suficientemente confiable, pero requiere un flujo de aire significativo. Para él, a su vez, necesita ventiladores con una alta velocidad de rotación. Sin embargo, crean ruidos fuertes.
Para reducir la velocidad del ventilador y, en consecuencia, el nivel de ruido, es necesario optimizar el rendimiento y minimizar los requisitos de enfriamiento. La solución de Dell utiliza un innovador enfriamiento por líquido refrigerado por aire lateral, que redistribuye el volumen del chasis no utilizado para maximizar el rendimiento del refrigerador y minimizar el ruido.
Refrigeración líquida de la estación de trabajo Dell Precision Tower 7910.Estación de trabajo refrigerada por líquido Física
Para apreciar los beneficios de la refrigeración líquida, es importante comprender los conceptos básicos de lo que constituye una solución de alto rendimiento en esta área. Cualquier radiador refrigerado por aire o líquido tiene una propiedad básica llamada resistencia térmica [R]. Se mide en grados por vatio y es una función de la temperatura y la potencia del dispositivo:
Leyenda:
Para nuestro caso específico, Tj se refiere a la temperatura de la CPU, y Tamb representa la temperatura ambiente local (en la entrada del radiador de enfriamiento). Una buena analogía sería el agua que fluye hacia un fregadero. Si el agua que ingresa al fregadero desde el grifo se considera como la potencia suministrada, entonces el valor de resistencia R se determina por la fuerza con que se cierra el tapón (mínimamente abierto - valores R altos, completamente abierto - valores R pequeños), y el delta T está relacionado con el nivel de agua en el fregadero .
Cómo se relaciona la temperatura con la resistencia térmica. El agua en el fregadero representa energía.La segunda relación clave para cualquier dispositivo de enfriamiento está determinada por la cantidad de energía en el material del disipador de calor por unidad de tiempo. Esta relación transitoria se expresa en la siguiente ecuación:
Si el lado izquierdo de la ecuación representa la relación entre la densidad, el volumen del radiador y su capacidad calorífica, entonces el derecho es el intercambio de energía que entra y sale del radiador. Una vez más, puede hacer una analogía con los sumideros grandes y pequeños. Con la misma cantidad de líquido que ingresa a cada uno de ellos (energía), en un fregadero más grande, el nivel del agua (temperatura) aumentará más lentamente.
Cómo se relaciona la temperatura con la capacidad calorífica.A partir de las ecuaciones 2 y 3, puede determinar la diferencia de eficiencia entre dos soluciones de enfriamiento y ver cómo varía su rendimiento con el tiempo. Como se deduce de la ecuación 3, para materiales con alta capacidad calorífica (cf), el cambio de temperatura en función del tiempo (dT / dt) será pequeño para la misma potencia suministrada. Además, de la ecuación 2 sabemos que el aumento absoluto de la temperatura está directamente relacionado con la resistencia térmica.
A partir de estas dos relaciones fundamentales, está claro que la baja resistencia térmica y la alta capacidad de calor son la clave para la máxima eficiencia de enfriamiento. A continuación, considere estas dos propiedades y cómo se relacionan con las características medidas de la Dell Precision Tower 7910.
Caracterización de una estación de trabajo refrigerada por líquido.
Por lo tanto, la eficiencia de enfriamiento depende tanto de la capacidad de calor [cp] como de la resistencia térmica [R]. Esto se puede usar para investigar los efectos del enfriamiento líquido en una estación de trabajo Dell. Dado que la capacidad calorífica de cualquier solución de enfriamiento es clave desde el punto de vista de la velocidad de calentamiento del sistema, para comprender a qué velocidad deben funcionar los ventiladores, es importante tener en cuenta los materiales utilizados en la tecnología de enfriamiento. La siguiente tabla ilustra la capacidad de calor de varios materiales, desde el más efectivo hasta el menos:
La tabla confirma lo que la mayoría de la gente ya sabe: el agua tiene una capacidad de calor significativamente mayor que casi todos los demás materiales. De hecho, con la misma masa, el agua se calentará cuatro veces más que el aluminio y más de diez veces más que el cobre.
Dado que la eficiencia no solo depende del calor específico [cp], también debemos comprender la relación entre la resistencia térmica y el rendimiento general. En la mayoría de los enfriadores, la resistencia [R] está determinada principalmente por el área de superficie y la velocidad del aire por encima del radiador de enfriamiento. En pocas palabras, cuanto mayor sea la superficie del enfriador y la velocidad del aire, mejor será la disipación de calor.
Dell usó estos dos fenómenos en su diseño Liquid Cooled Tower 7910 para maximizar la eficiencia y minimizar el ruido. Para este estudio específico, se utilizó una configuración que incluía dos procesadores Xeon E5-2680 V3 de 160 W, una tarjeta NVidia K6000, módulos de memoria Hynix de 2 x 8 GB y un disco duro SATA de 1500 GB.
Para maximizar el potencial de almacenamiento de calor y minimizar la resistencia térmica, se utilizaron radiadores de 110 x 92 mm con grandes tanques internos. Esto permitió a los ingenieros aumentar el volumen de fluido en el sistema de enfriamiento, así como expandir el área de superficie en el volumen disponible de la carcasa.
Además, se utilizó un enfoque innovador para la distribución del flujo de aire en el sistema. La siguiente figura ilustra el diseño de una solución enfriada por líquido en una torre de precisión 7910.
Purga de aire a través de la pared lateral de la carcasa.Como puede ver, el aire de enfriamiento ingresa desde la parte frontal del sistema y se suministra a ambos procesadores. El flujo de aire pasa a través de un radiador, donde se intercambia energía, y todo el calor absorbido de la CPU se elimina del líquido y se libera en la habitación fuera del sistema. Esta estrategia de "escape lateral" le permite utilizar la forma más corta para eliminar el calor generado y colocar de manera más eficiente los componentes del subsistema de enfriamiento, así como reducir la velocidad de los ventiladores (porque no necesitan conducir aire a lo largo de toda la carcasa).
Para una prueba adicional, la Dell Tower 7910 comparó transitorios durante el enfriamiento de aire y líquido al mismo caudal de aire. Para simplificar la relación entre el potencial de calor específico [cp] y la resistencia térmica [R] del enfriador, utilizaremos la constante de tiempo térmico:
donde tau se define como el tiempo requerido para alcanzar el 63% del aumento de temperatura total a un estado estable. La constante de tiempo permite medir físicamente las características de la resistencia térmica y térmica específica del enfriador de acuerdo con la metodología estándar.
Las siguientes figuras muestran la respuesta de tiempo para un sistema de CPU refrigerado por aire y líquido con alto TDP. La diferencia de temperatura entre las dos soluciones muestra la ventaja de la resistencia térmica debido al uso de una gran superficie del radiador en el refrigerante. El retraso entre ellos muestra la diferencia en las constantes de tiempo.
Características térmicas del enfriamiento líquido en comparación con el aire en la estación de trabajo T7910.Como puede ver, el tiempo requerido para que el sistema de enfriamiento por líquido alcance la temperatura del aire tau es de 97 segundos: es más de 3 veces mayor que el enfriamiento por aire tradicional (30 segundos). Como se muestra en la figura anterior, la temperatura absoluta entre el enfriamiento por aire y líquido se reduce en 5 °, lo que indica un aumento del 12 por ciento en el rendimiento.
¿Qué significa todo esto para el usuario de la estación de trabajo Tower 7910? Un sistema refrigerado por líquido funcionará a una velocidad mucho menor del ventilador. Además, como se puede ver a continuación, mientras se mantiene la carga y la temperatura constante de la CPU, la velocidad del ventilador del procesador 1 es superior a 2000 rpm, mientras que la velocidad del ventilador del procesador 2 es ligeramente superior a 500 rpm.
Los parámetros de sonido se midieron para dos escenarios. El primero es una extensión del análisis presentado previamente para TDP, mientras que el segundo caso de prueba examinó el escenario específico para los usuarios de CAD. La respuesta acústica del sistema se determinó a la carga máxima (160 vatios de potencia del procesador). La figura muestra la respuesta transitoria del sistema bajo esta carga para refrigeración líquida y de aire. Como se puede ver, se observa un retraso significativo en la respuesta acústica entre ellos. Como referencia, un nivel de ruido de 30 dBA es equivalente al silencio en la biblioteca, y 45 dBA a una sala de conferencias completa.
A partir de la prueba, queda claro que el tiempo total hasta un estado acústico estacionario para el enfriamiento por aire es de 40 segundos y para el líquido, más de 200 segundos. Además, por muestreo, se pueden analizar las ventajas asociadas con el uso de refrigeración líquida. La siguiente tabla ilustra un paso de muestreo de 25 segundos y características acústicas en cada punto en el tiempo. Como se puede ver en los datos en el intervalo de tiempo de 50 segundos, la diferencia acústica entre el enfriamiento por líquido y aire es de casi 10 dB, y cuando se acerca a la marca de 125 segundos - 5 dB. Este resultado indica que la capacidad calorífica del fluido proporciona una ventaja acústica con el tiempo.
Comparación de sistemas con refrigeración por aire y líquido durante el muestreo.El segundo caso bajo investigación es una prueba con el popular software CAD (3D CAD). Para esta aplicación, utilizamos un script de prueba que realizaba acciones generales: desplazamiento, zoom, rotación, creación de piezas, ensamblaje, etc. La potencia y la carga del procesador se midieron en función del tiempo. La primera figura muestra la irregularidad de la carga de la CPU con respecto al tiempo, así como el% de la potencia máxima medida. Esta aplicación típica de carga variable muestra el gran potencial de una solución de enfriamiento de alta capacidad térmica, como el enfriamiento por líquido.
La siguiente figura detalla el intervalo de tiempo de 250 a 500 segundos. En este intervalo del escenario de prueba, se puede ver que la carga tiene un máximo local cercano al 70% de la potencia máxima medida. Al mismo tiempo, los mínimos locales están cerca del 35% de la potencia máxima medida.
La alta capacidad calorífica del enfriamiento líquido debe absorber estos picos sin acelerar el ventilador tan rápido como con el enfriamiento por aire. Para un análisis más detallado de la diferencia en la presión del sonido entre los dos sistemas, los datos acústicos se determinaron en pasos de tiempo discretos.
La figura muestra la dependencia de la presión del sonido en el tiempo entre el aire y el enfriamiento del líquido. Los datos ilustran claramente los beneficios de un LSS para un usuario de estación de trabajo. En este caso, el enfriamiento por líquido no excede los 28 dBA en nivel de ruido, y un sistema de aire alcanza un pico de más de 40 dBA.
Usando los datos de la figura, la tasa de cambio promedio para el enfriamiento de líquidos se determinó como 0.054 dBA / s, mientras que para un sistema refrigerado por aire esta cifra fue de 0.38 dBA / s. En el LSS, la tasa de cambio en el intervalo de 250 segundos fue 86% menor.
Conclusiones
El estudio demuestra importantes beneficios acústicos para los clientes de estaciones de trabajo Dell Precision con la solución de refrigeración líquida Dell Precision Tower 7910. Estos beneficios son evidentes tanto en cargas de calor pesadas como en operaciones interactivas típicas. Para ambos escenarios, la capacidad de calor natural del líquido proporcionó un aumento de tres veces en el tiempo requerido para alcanzar la velocidad máxima del ventilador en comparación con el mejor enfriamiento de aire en su clase. Y para aplicaciones de carga variable, la respuesta acústica transitoria ha ganado 10 dB.
Por lo tanto,
la refrigeración líquida puede hacer que
la estación de trabajo Tower 7910 sea significativamente más silenciosa, tanto para ingenieros o usuarios de CAD tradicionales como para aquellos que trabajan con aplicaciones informáticas intensivas (por ejemplo, se dedican al modelado y análisis).