Computersystemen/Koeling

Doelstellingen

Onderstaande doelstellingen komen in meer of mindere mate aan bod. De grijze doelstellingen komen hier niet aan bod. Dat zijn bv. praktijkoefeningen die aansluiten bij deze theorie, maar die in dit Wikibook niet behandeld worden. Of bv. theorie die in een ander hoofdstuk wordt behandeld.

Uit het leerplan van Applicatie- en Databeheer^[1], een deel van leerplandoel 23:

LPD 23: De leerlingen lichten de opbouw en werking van een computersysteem met zijn basiscomponenten en optionele componenten toe.
- Aansluitingen en connectoren
- Functie van controller en driver
Lexicon. De basiscomponenten van een computersysteem zijn: moederbord, processor,intern geheugen (werkgeheugen, cache geheugen, systeemgeheugen, CMOS), koeling, voeding, grafische kaart, klok.
Lexicon. De optionele componenten van een computersysteem zijn hardwarecomponenten die dienen voor invoer, uitvoer of opslag
Wenk. Enkel de gangbare actuele basiscomponenten en optionele componenten van een computersysteem worden besproken. Je kan ook sensoren als mogelijk invoerapparaat voor een smartphone behandelen.

Uit het leerplan Toegepaste Informatica van de richting Informaticabeheer^[2]:Onderstaande doelstellingen komen in meer of mindere mate aan bod. Ze komen uit het leerplan Toegepaste Informatica van de richting informaticabeheer^[3]. De cijfers verwijzen naar dit leerplan. De cursieve doelstellingen zijn praktijkoefeningen die aansluiten bij de theorie, maar die in dit Wikibook niet behandeld worden.

1.4.4 Het belang van koeling van verschillende componenten toelichten.
1.4.5 De verschillende mogelijkheden om in koeling te voorzien toelichten, bijvoorbeeld lucht, water, passief, actief.
1.4.6 Aan de hand van technische specificaties diverse uitvoeringen van optionele componenten vergelijken.

Algemene eigenschappen

Door gebruik van elektronische componenten heb je ongewenste restwarmte. Deze kan je niet laten verdwijnen, maar je kan die wel 'verplaatsen'. Dit is belangrijk, omdat de elektronische componenten ontworpen zijn binnen bepaalde temperatuurgrenzen. Buiten deze grenzen gaan ze niet meer betrouwbaar werken en/of defect gaan.

Een belangrijke onderverdeling bij koeling is actief versus passief.

Actief: er is een extra energiebron nodig om de koeling te laten werken. Bv. ventilator en waterkoeling.
Passief: zonder extra energie werkt de koeling. Bv. heatsink, heatpipe, koelpasta.

Factoren die belangrijk zijn bij het bepalen van de koeling zijn:

Kostprijs
Geluid (dB): bij een server niet zo belangrijk, maar wel bij een werkstation of HTPC.
Verbruik
Grootte: in een towerkast heb je meer ruimte dan in een laptop.
Koelcapaciteit: hoe goed koelt de gekozen koeling.

Naast koeling kan je er ook voor zorgen dat er minder restwarmte is:

De grootste vijand van de koeling is stof die zich met de tijd ophoopt en zo de air flow belemmert. Hoe minder plaats er is (bv. laptop), hoe meer het stof zich kan ophopen.
Bij een tower pc heb je een ruime kast en kan het de moeite zijn de kabels zodanig te schikken dat de air flow zo weinig als mogelijk belemmerd wordt. Sommige kasten laten toe om kabels zoveel mogelijk áchter het moederbord te stoppen.
Undervolting: door een component minder spanning aan te bieden, zal deze minder verbruiken en dus ook minder restwarmte ontwikkelen. De component is dan wel minder snel en er zijn grenzen aan het undervolten.

Stof
Air path
Air flow
Cable management

In wat volgt worden enkele soorten koelingen apart besproken. In de praktijk is er vaak een combinatie van koelingen. Zo wordt bv. de desktopprocessor vaak gekoeld door een combinatie van koelpasta, heatsink en ventilator.

Heat sink

Een heat sink (ook: koelplaat, koellichaam, koelblok of koelprofiel) verlaagt de temperatuur van een elektronische component door de ontwikkelde warmte over een groter, metalen oppervlak uit te stralen. Het metaal is belangrijk, omdat dit warmte goed geleid en voor het groter oppervlak worden vaak koelvinnen gebruikt, zodat het contactoppervlak tussen heat sink en de lucht sterk wordt vergroot.

Als extra koeling gewenst is, wordt vaak nog een ventilator geplaatst, zodat koele lucht wordt aangezogen en warme lucht wordt afgevoerd. Daar er bij een heat sink geen bewegende onderdelen zijn, is het een stille vorm van koeling.

Soorten
PCIe SSD Card
Grafische kaart
Animatie

Koelpasta

De bovenkant van een processor en de onderkant van een heat sink zien er behoorlijk vlak uit, maar als je wat meer in detail kijkt, zijn er toch redelijk wat imperfecties. Als je de twee op elkaar plaatst, zit daar dus lucht tussen en lucht geleidt de warmte niet zo goed. Het gebruik van koelpasta (en:thermal grease) zorgt dat er i.p.v. lucht koelpasta op die plaatsen zit en deze heeft een veel hogere thermische geleidbaarheid. De warmteoverdracht wordt hierdoor dus drastisch vergroot.

CPU imperfecties
Koelpasta
Aangebrachte koelpasta
Nadat de koeling is verwijderd.

Heat pipe

Een heat pipe kan warmte verplaatsen doordat een vloeistof bij hogere temperaturen verdampt en zo warmte onttrekt aan die omgeving. Deze damp kan zich verplaatsen naar de andere kant, om daar te condenseren en bijgevolg de opgenomen warmte terug afgeven. De gecondenseerde vloeistof kan zo terugstromen naar de warme kant van de heat pipe. Dit is net als de heat sink een passieve component en wordt soms ook in combinatie hiermee gebruikt.

Heat pipe en sink
Werking
Laptop
Doorsnede

Ventilator

Een ventilator (en:fan) kan de warme lucht verplaatsen (bv. buiten de computerkast) en zo koudere lucht aanzuigen. Soms wordt een ventilator gecombineerd met een heatsink.

80×80×25 mm fan
Grafische kaart
Fans
Onderdelen

Het is interessant om een ventilator en moederbord te hebben die de snelheid dynamisch kan regelen: als de temperatuursensor detecteert dan de warmteontwikkeling niet te hoog is, kan de ventilator trager draaien, wat beter is voor het verbruik en het geluid. Om dit dynamisch te regelen zullen sommige ventilators de spanning aanpassen (dc voltage control), maar met het héél snel aan- en uitzetten (PMW = pulse width modulation = pulsbreedtemodulatie) krijg je het nog efficiënter en dynamischer.^[4] Hoe groter trouwens de ventilator, hoe trager die kan draaien voor eenzelfde koelcapaciteit.

Waterkoeling

Waterkoeling (of algemener vloeistofkoeling) bestaat uit een waterblok, een waterreservoir, een pomp, slangen en een radiator, mogelijks gecombineerd met een ventilator. Het waterblok wordt op de bovenkant op de processor geplaatst. Op dat waterblok zitten twee aansluitingen, een gaat naar de radiator (om daar warmte te kunnen afgeven, eventueel geholpen door ventilatoren) en de andere naar de pomp (om het water te kunnen rondsturen). Het kan dat in het circuit nog een waterblok wordt gebruikt, bv. op de videokaart. Omdat het water kan verdampen is het van belang regelmatig vers water toe te voegen. Voor waterkoeling mag men geen gewoon water gebruiken, maar dient men gedestilleerd water of gedemineraliseerd water te gebruiken, met een anti-corrosiemiddel.

Niet alleen bij desktops, maar ook bij datacenters kan water worden gebruikt als koeling. Dit kan bv. oppervlaktewater of drinkwater zijn, waarbij een warmtewisselaar zorgt dat dit water gescheiden blijft van het interne circuit van de servers. De impact op de omgeving is uiteraard groter dan bij desktops: wat met de warmte (vissen, algengroei) en drinkwaterverbruik (warm water verdampt sneller)?^[5]

Schema
Waterkoeling
Detail aan de processor
Animatie

Het voordeel van waterkoeling is dat water meer warmte kan opnemen dan lucht, maar het is ook complexer en daardoor heel prijzig vergeleken met luchtkoeling.

Andere koelingen

De bekendste koelingen kwamen eerder aan bod, ter info geven we er nog enkele andere mee:

Vloeibare stikstof of helium wordt vaak gebruikt als men extreem wil overklokken.
Immersie (immersion cooling): door een elektronische component volledig onder te dompelen kan je een betere thermische geleiding krijgen en dus ook beter koelen. De vloeistof is vaak op basis van olie. Water zou uiteraard geen goed idee zijn, omwille van kortsluiting. Zelfs gedemineraliseerd water is geen goed idee, omdat water behoorlijk agressief is (deeltjes zouden in het water komen en zo het water alsnog geleidend maken). Bij case modding wordt immersion cooling soms eens toegepast, maar het is vooral interessant als je veel servers moet koelen. Bij onderhoud of upgrade is al die olie natuurlijk geen pretje.
Peltier-element: een elektrische component die gebruikt kan worden om warmte te verplaatsen van een koude naar een warme plek (of om een elektrische stroom op te wekken uit een temperatuurverschil).
Een container met servers in zee "droppen" en zeewater gebruiken om te koelen, zoals bij 'Project Natick' van Microsoft is gebeurd.^[6]