Raffreddare una CPU: perchè il calore è il nemico numero uno?

Ogni processore, quando lavora, trasforma una parte dell’energia elettrica che riceve in calore. È un fenomeno inevitabile: più la CPU esegue calcoli, più i transistor commutano, più cresce la potenza dissipata sotto forma di energia termica. Nel caso dell’overclock, questo problema diventa ancora più evidente. Aumentare la frequenza di funzionamento della CPU può migliorare le prestazioni, ma porta quasi sempre a una conseguenza diretta: la CPU scalda di più. Per questo motivo il raffreddamento non è un dettaglio secondario, ma una parte essenziale del funzionamento stabile di un sistema.

L’articolo originale presente nel sito Megaoverclock parte da un esercizio molto interessante: una CPU quadrata con lato di 60 mm “dissipa” 30 W in un ambiente a 20 °C. La domanda è semplice solo in apparenza:

“Quale temperatura raggiungerebbe la CPU se non fosse raffreddata in modo adeguato?”

Per rispondere, dobbiamo considerare che il calore, nel caso di esempio, può “lasciare” la superficie del processore principalmente in due modi. Il primo modo è per convenzione ossia attraverso lo scambio termico con l’aria, mentre il secondo modo è per irraggiamento, cioè mediante l’emissione di energia termica sotto forma di radiazione.

Il coefficiente complessivo di scambio termico può quindi essere scritto come:

h_tot = h + h_irr

dove h è il coefficiente di convezione eh_irr è il contributo dell’irraggiamento.

Il primo passaggio consiste nel stimare il comportamento dell’aria attorno alla superficie calda. Per farlo si usa il numero di Grashof, indicato con Gr, che permette di valutare l’intensità della convezione naturale:

Gr = g · β · L³ · ΔT / ν²

In questa formula:

g è l’accelerazione di gravità;
β è il coefficiente di dilatazione termica dell’aria;
L è la lunghezza caratteristica della superficie;
ΔT è la differenza tra temperatura della CPU e temperatura ambiente;
ν è la viscosità cinematica dell’aria.

Considerando l’esercizio originale si assume inizialmente una temperatura della CPU pari a 100 °C, cioè 373 K, e una temperatura ambiente pari a 20 °C, cioè 293 K. La temperatura media dell’aria viene quindi stimata come:

T_media = (100 + 20) / 2 = 60 °C = 333 K

Poiché per i gas si può approssimare:

β = 1 / T

si ottiene:

β = 1 / 333 K

A questo punto, usando:

g = 9,81 m/s²
L = 0,06 m
ΔT = 373 K − 293 K = 80 K
ν = 16 · 10⁻⁶ m²/s

il numero di Grashof diventa circa:

Gr ≈ 1.988.513

Questo valore non rappresenta ancora la temperatura finale della CPU, ma serve invece a capire come si muove l’aria vicino alla superficie calda. In altre parole, Gr ci dice se il moto dell’aria rimane ordinato e laminare, oppure se tende a diventare turbolento.

La conclusione provvisoria è importante: senza un dissipatore adeguato, una CPU che disperde 30 W su una superficie relativamente piccola non riesce a smaltire il calore in modo sufficiente attraverso la sola superficie esposta. La soluzione è quella di aumentare l’area di scambio termico, ed è proprio qui che entrano in gioco le alette del dissipatore. Le alette non “creano freddo”, ma fanno qualcosa di più semplice e più intelligente inquanto aumentano enormemente la superficie attraverso cui il calore può passare dal metallo all’aria.

A proposito del numero di Grashof, pubblico questa immagine che trovo interessante, realizzata interamente con l’IA.