Kinerja workstation dan peningkatan daya prosesor dengan setiap generasi baru. Karenanya, kemampuan pendinginan juga harus berubah. Misalnya, dalam 10-core Intel Xeon E5-2687W (Haswell) v3i, paket termal meningkat dari 150 menjadi 160 W dibandingkan dengan pendahulunya 8-core Intel Xeon E5-2687W v2ii (Ivy Bridge). Workstation ini saat ini dilengkapi dengan prosesor 22-core. Masalahnya diperparah dengan penggunaan volume yang sama dari platform perangkat keras dan kasing: solusi rekayasa untuk pendinginan dalam bentuk yang ringkas menjadi penting untuk kinerja dan karakteristik akustik produk.
Tingkat kinerja yang secara fundamental baru disediakan oleh dua prosesor paling modern dari seri Intel Xeon E5-2600 v4 dengan dukungan hingga 22 core untuk masing-masing. Stasiun kerja
Precision 7910 dalam
kasing Menara adalah solusi untuk beban kerja yang membutuhkan sumber daya komputasi yang besar (tugas memvisualisasikan proses yang kompleks,
alat pemodelan , dan analisis volume data yang besar). Sistem pendingin cair Dell menghasilkan pengurangan kebisingan 38%.
Dengan meningkatnya permintaan pada proses komputasi, menjadi semakin sulit untuk mengatur pendinginan dengan peningkatan kapasitas. Untuk mengatasi masalah ini, Dell telah mengembangkan sistem cairan pendingin yang inovatif: potensi pembuangan panasnya tiga kali lipat dibandingkan solusi tradisional, dan tingkat kebisingan telah dioptimalkan.
Pendinginan udara menggunakan pipa panas dan radiator aluminium cukup andal, tetapi membutuhkan aliran udara yang signifikan. Baginya, pada gilirannya, membutuhkan kipas dengan kecepatan rotasi tinggi. Namun, mereka menciptakan suara keras.
Untuk mengurangi kecepatan kipas dan, akibatnya, tingkat kebisingan, perlu untuk mengoptimalkan kinerja dan meminimalkan persyaratan pendinginan. Solusi Dell menggunakan pendingin cairan pendingin lateral lateral yang inovatif, yang mendistribusikan kembali volume sasis yang tidak digunakan untuk memaksimalkan kinerja pendingin dan meminimalkan kebisingan.
Cairan pendingin stasiun kerja Dell Precision Tower 7910.Fisika Workstation Liquid-cooled
Untuk menghargai manfaat pendinginan cair, penting untuk memahami dasar-dasar apa yang merupakan solusi berkinerja tinggi di bidang ini. Radiator berpendingin udara atau cairan didinginkan memiliki sifat dasar yang disebut ketahanan termal [R]. Itu diukur dalam derajat per watt dan merupakan fungsi dari suhu dan daya perangkat:
Legenda:
Untuk kasus khusus kami, Tj mengacu pada suhu CPU, dan Tamb mewakili suhu sekitar lokal (di pintu masuk radiator pendingin). Analogi yang baik adalah air mengalir ke wastafel. Jika air yang masuk ke wastafel dari keran dianggap sebagai daya yang disuplai, maka nilai resistansi R ditentukan oleh seberapa erat sumbat ditutup (minimal terbuka - nilai R tinggi, terbuka penuh - nilai R kecil), dan delta T terkait dengan ketinggian air di wastafel .
Bagaimana suhu terkait dengan ketahanan termal. Air di wastafel mewakili energi.Hubungan kunci kedua untuk setiap perangkat pendingin ditentukan oleh jumlah energi dalam bahan heat sink per unit waktu. Hubungan sementara ini dinyatakan dalam persamaan berikut:
Jika sisi kiri persamaan mewakili rasio antara kepadatan, volume radiator dan kapasitas panasnya, maka yang kanan adalah pertukaran energi yang masuk dan dari radiator. Di sini lagi, Anda dapat menggambar analogi dengan sink besar dan kecil. Dengan jumlah cairan yang sama memasuki masing-masing (daya), di wastafel yang lebih besar, level air (suhu) akan meningkat lebih lambat.
Bagaimana suhu terkait dengan kapasitas panas.Dari persamaan 2 dan 3, Anda dapat menentukan perbedaan efisiensi antara dua solusi pendinginan dan melihat bagaimana kinerjanya bervariasi dengan waktu. Sebagai berikut dari persamaan 3, untuk bahan dengan kapasitas panas tinggi (cf), perubahan suhu sebagai fungsi waktu (dT / dt) akan kecil untuk daya yang disuplai sama. Selain itu, dari persamaan 2 kita tahu bahwa kenaikan absolut suhu berhubungan langsung dengan ketahanan termal.
Dari dua hubungan mendasar ini, jelas bahwa resistansi termal yang rendah dan kapasitas panas yang tinggi adalah kunci efisiensi pendinginan maksimum. Selanjutnya, pertimbangkan dua properti ini dan bagaimana hubungannya dengan karakteristik yang diukur dari Dell Precision Tower 7910.
Karakterisasi workstation berpendingin cair
Dengan demikian, efisiensi pendinginan tergantung pada kapasitas panas [cp] dan hambatan termal [R]. Ini dapat digunakan untuk menyelidiki efek pendinginan cair pada stasiun kerja Dell. Karena kapasitas panas dari setiap solusi pendinginan adalah kunci dari sudut pandang laju pemanasan sistem, untuk memahami pada kecepatan apa kipas harus bekerja, penting untuk mempertimbangkan bahan yang digunakan dalam teknologi pendingin. Tabel berikut menggambarkan kapasitas panas berbagai bahan - dari yang paling efektif hingga yang paling sedikit:
Tabel ini menegaskan apa yang sudah diketahui kebanyakan orang: air memiliki kapasitas panas yang jauh lebih tinggi daripada hampir semua bahan lainnya. Bahkan, dengan massa yang sama, air akan memanas empat kali lebih lama dari aluminium, dan lebih dari sepuluh kali lebih lama dari tembaga.
Karena efisiensi tidak hanya bergantung pada panas spesifik [cp], kita juga harus memahami hubungan antara resistansi termal dan kinerja keseluruhan. Pada sebagian besar pendingin, tahanan [R] terutama ditentukan oleh luas permukaan dan kecepatan udara di atas radiator pendingin. Sederhananya, semakin besar luas permukaan pendingin dan kecepatan udara, semakin baik pembuangan panasnya.
Dell menggunakan kedua fenomena ini dalam desain Liquid Cooled Tower 7910 untuk memaksimalkan efisiensi dan meminimalkan kebisingan. Untuk studi khusus ini, konfigurasi digunakan yang mencakup dua prosesor 160W Xeon E5-2680 V3, kartu NVidia K6000, modul memori Hynix 2 x 8 GB dan hard drive SATA 1500 GB.
Untuk memaksimalkan potensi penyimpanan panas dan meminimalkan resistansi termal, radiator 110 x 92 mm dengan tangki internal besar digunakan. Ini memungkinkan para insinyur untuk meningkatkan volume cairan dalam sistem pendingin, serta memperluas area permukaan dalam volume perumahan yang tersedia.
Selain itu, pendekatan inovatif untuk distribusi aliran udara dalam sistem digunakan. Gambar di bawah ini menggambarkan tata letak solusi berpendingin cairan di Menara Presisi 7910.
Udara bersih melalui dinding samping rumah.Seperti yang Anda lihat, udara pendingin masuk dari depan sistem dan disuplai ke kedua prosesor. Aliran udara melewati radiator, di mana energi dipertukarkan, dan semua panas yang diserap dari CPU dikeluarkan dari cairan dan dilepaskan ke ruangan di luar sistem. Strategi "pembuangan samping" ini memungkinkan Anda menggunakan cara terpendek untuk menghilangkan panas yang dihasilkan dan menempatkan komponen subsistem pendingin secara lebih efisien, serta mengurangi kecepatan kipas (karena mereka tidak perlu menggerakkan udara di sepanjang casing).
Untuk pengujian lebih lanjut, Dell Tower 7910 membandingkan transien selama pendinginan udara dan cairan pada laju aliran udara yang sama. Untuk menyederhanakan hubungan antara potensi panas spesifik [cp] dan tahanan termal [R] pendingin, kami akan menggunakan konstanta waktu termal:
di mana tau didefinisikan sebagai waktu yang dibutuhkan untuk mencapai 63% dari total kenaikan suhu ke kondisi mapan. Konstanta waktu memungkinkan untuk secara fisik mengukur karakteristik panas spesifik dan ketahanan termal pendingin sesuai dengan metodologi standar.
Gambar di bawah ini menunjukkan respons waktu untuk sistem CPU berpendingin udara dan cair dengan TDP tinggi. Perbedaan suhu antara kedua solusi menunjukkan keuntungan dari resistensi termal karena penggunaan area permukaan radiator yang besar dalam pendingin. Keterlambatan di antara mereka menunjukkan perbedaan dalam konstanta waktu.
Karakteristik termal pendingin cair dibandingkan dengan udara di T7910 workstation.Seperti yang Anda lihat, waktu yang diperlukan untuk sistem pendingin cair untuk mencapai suhu udara adalah 97 detik: itu lebih dari 3 kali lebih tinggi daripada pendinginan udara tradisional (30 detik). Seperti yang ditunjukkan pada gambar di atas, suhu absolut antara pendingin udara dan cairan berkurang sebesar 5 °, yang menunjukkan peningkatan kinerja 12 persen.
Apa arti semua ini bagi pengguna workstation Tower 7910? Sistem berpendingin cairan akan beroperasi pada kecepatan kipas yang jauh lebih rendah. Selain itu, seperti yang dapat dilihat di bawah, sambil mempertahankan beban dan suhu CPU konstan, kecepatan kipas prosesor 1 lebih dari 2000 rpm, sedangkan kecepatan kipas prosesor 2 sedikit lebih tinggi dari 500 rpm.
Parameter suara diukur untuk dua skenario. Yang pertama adalah perpanjangan dari analisis yang disajikan sebelumnya untuk TDP, sedangkan kasus uji kedua memeriksa skenario khusus untuk pengguna CAD. Respons akustik sistem ditentukan pada beban maksimum (daya prosesor 160 watt). Gambar ini menunjukkan respons transien sistem di bawah beban ini untuk cairan dan pendingin udara. Seperti dapat dilihat, jeda yang signifikan dalam respons akustik diamati di antara mereka. Untuk referensi, tingkat kebisingan 30 dBA setara dengan keheningan di perpustakaan, dan 45 dBA ke ruang konferensi penuh.
Dari pengujian menjadi jelas bahwa total waktu ke keadaan akustik stasioner untuk pendinginan udara adalah 40 detik, dan untuk cairan - lebih dari 200 detik. Selain itu, dengan pengambilan sampel, keuntungan yang terkait dengan penggunaan pendingin cair dapat dianalisis. Tabel di bawah ini menggambarkan langkah pengambilan sampel 25 detik dan karakteristik akustik pada setiap titik waktu. Seperti dapat dilihat dari data pada interval waktu 50 detik, perbedaan akustik antara cairan dan pendingin udara hampir 10 dB, dan ketika mendekati tanda 125 detik - 5 dB. Hasil ini menunjukkan bahwa kapasitas panas fluida memberikan keuntungan akustik dari waktu ke waktu.
Perbandingan sistem dengan pendingin udara dan cairan selama pengambilan sampel.Kasus kedua yang sedang diselidiki adalah tes dengan perangkat lunak CAD populer (3D CAD). Untuk aplikasi ini, kami menggunakan skrip uji yang melakukan tindakan umum: menggeser, memperbesar, memutar, membuat bagian, merakit, dll. Daya prosesor dan beban diukur sebagai fungsi waktu. Gambar pertama menunjukkan ketidakrataan beban CPU sehubungan dengan waktu, serta% dari daya maksimum yang diukur. Aplikasi beban variabel khas ini menunjukkan potensi besar dari solusi pendinginan kapasitas panas tinggi, seperti pendingin cair.
Gambar di bawah merinci interval waktu dari 250 hingga 500 detik. Dalam interval skenario pengujian ini, dapat dilihat bahwa beban memiliki maksimum lokal mendekati 70% dari daya maksimum yang diukur. Pada saat yang sama, minimum lokal mendekati 35% dari daya maksimum yang diukur.
Kapasitas panas yang tinggi dari pendingin cair harus menyerap puncak-puncak ini tanpa mempercepat kipas secepat dengan pendingin udara. Untuk analisis lebih lanjut tentang perbedaan tekanan suara antara kedua sistem, data akustik ditentukan pada langkah waktu diskrit.
Gambar tersebut menunjukkan ketergantungan tekanan suara pada waktu antara pendinginan udara dan cairan. Data tersebut dengan jelas menggambarkan manfaat LSS bagi pengguna workstation. Dalam hal ini, pendinginan cairan tidak melebihi 28 dBA dalam tingkat kebisingan, dan sistem udara mencapai puncak lebih dari 40 dBA.
Dengan menggunakan data pada gambar, laju perubahan rata-rata untuk pendingin cair ditentukan 0,054 dBA / s, sedangkan untuk sistem berpendingin udara angka ini adalah 0,38 dBA / s. Dalam LSS, tingkat perubahan dalam interval 250 detik adalah 86% lebih sedikit.
Kesimpulan
Studi ini menunjukkan manfaat akustik yang signifikan bagi pelanggan workstation Dell Precision dengan solusi pendingin cair Dell Precision Tower 7910. Manfaat ini terbukti dalam beban panas yang berat dan operasi interaktif yang khas. Untuk kedua skenario, kapasitas panas alami cairan memberikan peningkatan tiga kali lipat dalam waktu yang diperlukan untuk mencapai kecepatan kipas maksimum dibandingkan dengan pendingin udara terbaik di kelasnya. Dan untuk aplikasi beban variabel, respons akustik transien telah memperoleh 10 dB.
Dengan demikian,
pendingin cair dapat membuat
workstation Tower 7910 secara signifikan lebih tenang - baik untuk insinyur atau pengguna CAD tradisional, dan bagi mereka yang bekerja dengan aplikasi komputasi intensif (misalnya, mereka terlibat dalam pemodelan dan analisis).