Les performances des stations de travail et la puissance du processeur augmentent à chaque nouvelle génération. En conséquence, les capacités de refroidissement devraient également changer. Par exemple, dans le processeur Intel Xeon E5-2687W à 10 cœurs (Haswell) v3i, le package thermique est passé de 150 à 160 W par rapport à son prédécesseur à 8 cœurs Intel Xeon E5-2687W v2ii (Ivy Bridge). Cette station de travail est actuellement équipée de processeurs 22 cœurs. Le problème est aggravé par l'utilisation du même volume de plates-formes et de boîtiers matériels: les solutions d'ingénierie pour le refroidissement dans un format compact deviennent critiques pour les performances et les caractéristiques acoustiques du produit.
Un niveau de performances fondamentalement nouveau est fourni par les deux processeurs les plus modernes de la série Intel Xeon E5-2600 v4 avec la prise en charge de jusqu'à 22 cœurs pour chacun. Le poste de travail
Precision 7910 dans le boîtier Tower est une solution pour les charges de travail nécessitant de grandes ressources informatiques (tâches de visualisation de processus complexes,
outils de modélisation et analyse de gros volumes de données). Le système de refroidissement liquide de Dell offre une réduction du bruit de 38%.
Avec des demandes croissantes sur le processus informatique, il devient de plus en plus difficile d'organiser le refroidissement de capacités croissantes. Pour résoudre ce problème, Dell a développé un système innovant refroidi par liquide: son potentiel de dissipation thermique a triplé par rapport aux solutions traditionnelles, et le niveau de bruit a été optimisé.
Le refroidissement par air utilisant des caloducs et des radiateurs en aluminium est suffisamment fiable, mais nécessite un flux d'air important. Pour lui, à son tour, ont besoin de ventilateurs avec une grande vitesse de rotation. Cependant, ils créent de forts bruits.
Pour réduire la vitesse du ventilateur et, par conséquent, le niveau de bruit, il est nécessaire d'optimiser les performances et de minimiser les besoins de refroidissement. La solution de Dell utilise un refroidissement liquide latéral refroidi par air innovant, qui redistribue le volume inutilisé du châssis pour maximiser les performances du refroidisseur et minimiser le bruit.
Refroidissement liquide de la station de travail Dell Precision Tower 7910.Physique des stations de travail refroidies par liquide
Pour apprécier les avantages du refroidissement liquide, il est important de comprendre les bases de ce qui constitue une solution performante dans ce domaine. Tout radiateur refroidi par air ou par liquide a une propriété de base appelée résistance thermique [R]. Il est mesuré en degrés par watt et est fonction de la température et de la puissance de l'appareil:
Légende:
Pour notre cas spécifique, Tj fait référence à la température du CPU, et Tamb représente la température ambiante locale (à l'entrée du radiateur de refroidissement). Une bonne analogie serait l'eau qui coule dans un évier. Si l'eau entrant dans l'évier par le robinet est considérée comme la puissance fournie, la valeur de résistance R est déterminée par la fermeture du bouchon (ouverture minimale - valeurs R élevées, ouverture totale - petites valeurs R), et delta T est lié au niveau d'eau dans l'évier .
Comment la température est liée à la résistance thermique. L'eau dans l'évier représente l'énergie.La deuxième relation clé pour tout dispositif de refroidissement est déterminée par la quantité d'énergie dans le matériau du dissipateur thermique par unité de temps. Cette relation transitoire est exprimée dans l'équation suivante:
Si le côté gauche de l'équation représente le rapport entre la densité, le volume du radiateur et sa capacité thermique, alors le droit est l'échange d'énergie entrant et sortant du radiateur. Là encore, vous pouvez faire une analogie avec les grands et les petits éviers. Avec la même quantité de liquide entrant dans chacun d'eux (puissance), dans un plus grand évier, le niveau d'eau (température) augmentera plus lentement.
Comment la température est liée à la capacité thermique.À partir des équations 2 et 3, vous pouvez déterminer la différence d'efficacité entre deux solutions de refroidissement et voir comment leurs performances varient avec le temps. Comme il ressort de l'équation 3, pour les matériaux à haute capacité calorifique (cf), le changement de température en fonction du temps (dT / dt) sera faible pour la même puissance fournie. De plus, d'après l'équation 2, nous savons que l'augmentation absolue de la température est directement liée à la résistance thermique.
De ces deux relations fondamentales, il est clair que la faible résistance thermique et la capacité thermique élevée sont la clé d'une efficacité de refroidissement maximale. Ensuite, considérez ces deux propriétés et comment elles se rapportent aux caractéristiques mesurées de la Dell Precision Tower 7910.
Caractérisation d'un poste de travail refroidi par liquide
Ainsi, l'efficacité de refroidissement dépend à la fois de la capacité thermique [cp] et de la résistance thermique [R]. Cela peut être utilisé pour étudier les effets du refroidissement liquide sur un poste de travail Dell. Étant donné que la capacité thermique de toute solution de refroidissement est essentielle du point de vue de la vitesse de chauffage du système, afin de comprendre à quelle vitesse les ventilateurs doivent fonctionner, il est important de prendre en compte les matériaux utilisés dans la technologie de refroidissement. Le tableau suivant illustre la capacité thermique de différents matériaux - du plus efficace au moins:
Le tableau confirme ce que la plupart des gens savent déjà: l'eau a une capacité thermique considérablement plus élevée que presque tous les autres matériaux. En fait, avec la même masse, l'eau chauffera quatre fois plus longtemps que l'aluminium, et plus de dix fois plus longtemps que le cuivre.
Puisque l'efficacité dépend non seulement de la chaleur spécifique [cp], nous devons également comprendre la relation entre la résistance thermique et les performances globales. Dans la plupart des refroidisseurs, la résistance [R] est principalement déterminée par la surface et la vitesse de l'air au-dessus du radiateur de refroidissement. Autrement dit, plus la surface et la vitesse de l'air du refroidisseur sont grandes, meilleure est la dissipation thermique.
Dell a utilisé ces deux phénomènes dans sa conception de la tour refroidie par liquide 7910 pour maximiser l'efficacité et minimiser le bruit. Pour cette étude spécifique, une configuration a été utilisée qui comprenait deux processeurs 160 W Xeon E5-2680 V3, une carte NVidia K6000, 2 modules de mémoire Hynix de 8 Go et un disque dur SATA de 1500 Go.
Pour maximiser le potentiel de stockage de chaleur et minimiser la résistance thermique, des radiateurs de 110 x 92 mm avec de grands réservoirs internes ont été utilisés. Cela a permis aux ingénieurs d'augmenter le volume de fluide dans le système de refroidissement, ainsi que d'augmenter la surface dans le volume disponible du boîtier.
De plus, une approche innovante de la distribution du flux d'air dans le système a été utilisée. La figure ci-dessous illustre la disposition d'une solution refroidie par liquide dans une tour de précision 7910.
Purge d'air à travers la paroi latérale du boîtier.Comme vous pouvez le voir, l'air de refroidissement entre par l'avant du système et est fourni aux deux processeurs. Le flux d'air passe à travers un radiateur, où l'énergie est échangée, et toute la chaleur absorbée par le CPU est retirée du liquide et libérée dans la pièce à l'extérieur du système. Cette stratégie «d'échappement latéral» vous permet d'utiliser le moyen le plus court pour éliminer la chaleur générée et de placer plus efficacement les composants du sous-système de refroidissement, ainsi que de réduire la vitesse des ventilateurs (car ils n'ont pas besoin de faire circuler de l'air sur toute la longueur du boîtier).
Pour un autre test, le Dell Tower 7910 a comparé les transitoires pendant le refroidissement par air et liquide au même débit d'air. Pour simplifier la relation entre le potentiel thermique spécifique [cp] et la résistance thermique [R] du refroidisseur, nous utiliserons la constante de temps thermique:
où tau est défini comme le temps nécessaire pour atteindre 63% de l'élévation de température totale à un état stable. La constante de temps permet de mesurer physiquement les caractéristiques de la résistance thermique et thermique spécifique du refroidisseur selon la méthodologie standard.
Les figures ci-dessous montrent la réponse en temps pour un système CPU refroidi par air et liquide avec un TDP élevé. La différence de température entre les deux solutions montre l'avantage de la résistance thermique grâce à l'utilisation d'une grande surface du radiateur dans le liquide de refroidissement. Le retard entre eux montre la différence de constantes de temps.
Caractéristiques thermiques du refroidissement liquide par rapport à l'air dans le poste de travail T7910.Comme vous pouvez le voir, le temps nécessaire au système de refroidissement liquide pour atteindre la température de l'air tau est de 97 secondes: il est plus de 3 fois supérieur au refroidissement à air traditionnel (30 secondes). Comme le montre la figure ci-dessus, la température absolue entre le refroidissement par air et liquide est réduite de 5 °, indiquant une augmentation de 12% des performances.
Qu'est-ce que tout cela signifie pour l'utilisateur de la station de travail Tower 7910? Un système refroidi par liquide fonctionnera à une vitesse de ventilateur beaucoup plus faible. De plus, comme on peut le voir ci-dessous, tout en maintenant la charge et la température constante du CPU, la vitesse du ventilateur du processeur 1 est supérieure à 2000 tr / min, tandis que la vitesse du ventilateur du processeur 2 est légèrement supérieure à 500 tr / min.
Les paramètres sonores ont été mesurés pour deux scénarios. Le premier est une extension de l'analyse présentée précédemment pour TDP, tandis que le second cas de test a examiné le scénario spécifique aux utilisateurs de CAO. La réponse acoustique du système a été déterminée à charge maximale (160 watts de puissance processeur). La figure montre la réponse transitoire du système sous cette charge pour le refroidissement par liquide et par air. Comme on peut le voir, un retard important dans la réponse acoustique est observé entre eux. Pour référence, un niveau de bruit de 30 dBA équivaut à un silence dans la bibliothèque et de 45 dBA à une salle de conférence complète.
D'après le test, il devient clair que le temps total jusqu'à un état acoustique stationnaire pour le refroidissement par air est de 40 secondes et pour le liquide - plus de 200 secondes. De plus, par échantillonnage, les avantages liés à l'utilisation du refroidissement liquide peuvent être analysés. Le tableau ci-dessous illustre une étape d'échantillonnage de 25 secondes et les caractéristiques acoustiques à chaque instant. Comme le montrent les données à l'intervalle de temps de 50 secondes, la différence acoustique entre le refroidissement par liquide et par air est de près de 10 dB, et à l'approche de la marque de 125 secondes - 5 dB. Ce résultat indique que la capacité calorifique du fluide offre un avantage acoustique dans le temps.
Comparaison des systèmes avec refroidissement par air et liquide pendant l'échantillonnage.Le deuxième cas sous enquête est un test avec le logiciel de CAO populaire (CAO 3D). Pour cette application, nous avons utilisé un script de test qui a effectué des actions générales: panoramique, zoom, rotation, création de pièces, assemblage, etc. La puissance et la charge du processeur ont été mesurées en fonction du temps. La première figure montre l'inégalité de la charge CPU par rapport au temps, ainsi que le% de la puissance maximale mesurée. Cette application typique à charge variable montre le grand potentiel d'une solution de refroidissement à haute capacité thermique, comme le refroidissement liquide.
La figure ci-dessous détaille l'intervalle de temps de 250 à 500 secondes. Dans cet intervalle du scénario de test, on peut voir que la charge a un maximum local proche de 70% de la puissance maximale mesurée. Dans le même temps, les minima locaux sont proches de 35% de la puissance maximale mesurée.
La capacité thermique élevée du refroidissement liquide doit absorber ces pics sans accélérer le ventilateur aussi rapidement qu'avec le refroidissement par air. Pour une analyse plus approfondie de la différence de pression acoustique entre les deux systèmes, les données acoustiques ont été déterminées à des pas de temps discrets.
La figure montre la dépendance de la pression acoustique sur le temps entre le refroidissement par air et par liquide. Les données illustrent clairement les avantages d'un LSS pour un utilisateur de poste de travail. Dans ce cas, le refroidissement liquide ne dépasse pas 28 dBA en niveau de bruit, et un système d'air atteint un pic de plus de 40 dBA.
En utilisant les données de la figure, le taux de variation moyen pour le refroidissement liquide a été déterminé à 0,054 dBA / s, tandis que pour un système refroidi par air, ce chiffre était de 0,38 dBA / s. Dans l'ESL, le taux de changement dans l'intervalle de 250 secondes était de 86% inférieur.
Conclusions
L'étude démontre des avantages acoustiques importants pour les clients des postes de travail Dell Precision avec la solution de refroidissement liquide Dell Precision Tower 7910. Ces avantages sont évidents à la fois dans les fortes charges thermiques et les opérations interactives typiques. Pour les deux scénarios, la capacité thermique naturelle du liquide a multiplié par trois le temps nécessaire pour atteindre la vitesse maximale du ventilateur par rapport au refroidissement par air le plus performant de sa catégorie. Et pour les applications à charge variable, la réponse acoustique transitoire a gagné 10 dB.
Ainsi,
le refroidissement liquide peut rendre
la station de travail Tower 7910 beaucoup plus silencieuse - à la fois pour les ingénieurs ou les utilisateurs de CAO traditionnels, et pour ceux qui travaillent avec des applications informatiques intensives (par exemple, ils sont engagés dans la modélisation et l'analyse).