Perché un dissipatore funziona davvero

A questo punto abbiamo dimostrato matematicamente che una CPU che dissipa 30 W su una superficie di appena 0,0036 m² non può essere raffreddata efficacemente dalla sola convezione naturale. La temperatura teorica di equilibrio risulta infatti incompatibile con il funzionamento del processore.

La domanda successiva nasce spontanea:

“Come fanno allora le CPU moderne a dissipare 65, 125, 170 o addirittura oltre 250 watt senza raggiungere temperature distruttive?”

La risposta risiede in un principio molto semplice della trasmissione del calore:

non basta raffreddare meglio, bisogna aumentare enormemente la superficie di scambio.

È questo il vero compito di un dissipatore. A tal proposito riprendiamo la relazione già vista:

$$Q=hA\Delta T$$

Questa equazione contiene tre grandezze sulle quali il progettista può intervenire. Quest’ultimo può aumentare il coefficiente di scambio h, o aumentare la superficie A o ridurre la differenza di termperatura. Fra queste, l’aumento della superficie è di gran lunga la soluzione più efficace ed economicamente conveniente. Una CPU possiede una superficie di pochi centimetri quadrati e un moderno dissipatore ad aria può arrivare ad avere, considerando tutte le alette, una superficie complessiva superiore a 0,5–1 metro quadrato. In pratica, senza aumentare le dimensioni esterne del computer, il dissipatore riesce a moltiplicare l’area disponibile anche di oltre cento volte. Di seguito ho elaborato un immagine con l’intelligenza articiale per capire quanto detto in queste ultime righe.

Osservando un dissipatore moderno si nota immediatamente la presenza di decine, talvolta centinaia, di sottilissime lamelle metalliche. La loro funzione non è estetica, ma ogni aletta introduce nuova superficie a contatto con l’aria. Se una singola piastra (si intende la superficie di scambio termico relativo ad un aletta) possiede una superficie:

$$A$$

aggiungendo cento alette si ottiene una superficie complessiva che può essere approssimata come:

$$A_{tot}=A_{base}+\sum_{i=1}^{N}A_i$$

dove:

A_base​ è la superficie della base;

A_i​ rappresenta la superficie della singola aletta.

Maggiore è il numero delle alette, maggiore diventa la superficie disponibile per lo scambio termico, ma esiste un limite a tutto ciò. Se le alette sono troppo vicine, l’aria non riesce più a circolare efficacemente tra di esse e l’efficienza diminuisce. Per questo motivo la distanza tra le lamelle viene accuratamente progettata durante lo sviluppo del dissipatore.

Perché si utilizzano rame e alluminio insieme

Un’altra caratteristica che si osserva nei dissipatori moderni è l’impiego contemporaneo di due metalli differenti. Questa non è una scelta casuale, ma dipende dalla loro conducibilità termica.

Materiale	Conducibilità termica
Argento	≈ 430 W/mK
Rame	≈ 401 W/mK
Oro	≈ 318 W/mK
Alluminio	≈ 237 W/mK

Tabella 2
(Materiali e conducibilità termica)

Il rame trasporta il calore molto rapidamente e l’alluminio, invece, conduce leggermente meno ma presenta due vantaggi enormi: pesa circa un terzo del rame e costa decisamente meno. Per questo motivo molti dissipatori adottano una soluzione ibrida, ossia la base, direttamente appoggiata sulla CPU, è realizzata in rame e le alette sono invece costruite in alluminio. In questo modo si ottiene un eccellente compromesso tra prestazioni, peso e costo.

Il percorso del calore

Per quanto sia invisibile il passaggio del calore ad occhio nudo, Il trasferimento dell’energia termica avviene secondo una sequenza ben precisa.

1. Il silicio genera calore durante l’elaborazione.
2. Il calore attraversa il package del processore.
3. Attraversa la pasta termica.
4. Raggiunge la base del dissipatore.
5. Si distribuisce nelle heatpipe.
6. Viene trasportato alle alette.
7. L’aria lo allontana definitivamente.

Di seguito riporto un immagine costruita con l’IA per l’esplicazione delle fasi appena citate.

Ogni passaggio introduce una propria resistenza termica. L’intero sistema può essere rappresentato come una serie di resistenze:

$$R_{tot}=R_{CPU}+R_{TIM}+R_{Base}+R_{Heatpipe}+R_{Aletta}+R_{Aria}$$

dove TIM (Thermal Interface Material) indica la pasta termica. Dal punto di vista ingegneristico, progettare un buon dissipatore significa ridurre il più possibile ciascuna di queste resistenze.

Parlando del ruolo della pasta termica indicato da R_TIM nella precedente, molti utenti immaginano che questa abbia la funzione di raffreddare il processore, in realtà svolge una funzione completamente diversa. Le superfici a contatto della CPU e del dissipatoresembrano apparentemente lisce, ma presentano, se osservate al microscopio, minuscole asperità. Se CPU e dissipatore venissero messi direttamente a contatto, tra le due superfici rimarrebbero intrappolate numerose sacche d’aria e l’aria è un pessimo conduttore termico.

La sua conducibilità è infatti circa:

$$k_{aria}\approx0,026\ W/(mK)$$

contro la seguente del rame$$k_{rame}\approx401\ W/(mK)$$

La pasta termica riempie queste microscopiche cavità eliminando l’aria e riducendo drasticamente la resistenza termica dell’interfaccia. È importante sottolineare che la pasta termica non deve essere applicata in grandi quantità e uno strato eccessivamente spesso introduce esso stesso una nuova resistenza termica. Per tale motivo la quantità ideale è soltanto quella necessaria a riempire le imperfezioni superficiali.

Heatpipe: l’evoluzione nei sistemi di raffreddamento

Nei dissipatori di fascia media e alta è presente quasi sempre un elemento cilindrico costruito interamente in rame: la heatpipe. A prima vista potrebbe sembrare un semplice tubo metallico, ma in realtà rappresenta uno dei componenti più sofisticati dell’intero sistema di raffreddamento. All’interno della heatpipe è presente una piccola quantità di fluido in equilibrio tra fase liquida e fase vapore e quando la base del dissipatore si riscalda accade quanto descritto successivamente.

• il liquido evapora;
• il vapore si sposta rapidamente verso le zone più fredde;
• il calore viene ceduto alle alette;
• il vapore condensa tornando liquido;
• il liquido ritorna alla base grazie alla struttura capillare interna.

Questo ciclo può ripetersi migliaia di volte al secondo e consente di trasferire grandi quantità di calore con una resistenza termica estremamente ridotta. Dal punto di vista fisico, la heatpipe sfrutta il calore latente di evaporazione, uno dei meccanismi più efficienti conosciuti per il trasporto dell’energia termica.

Di seguito un immagine esplicativa realizzazione con l’IA del funzionamento della heatpipe.

Il dissipatore ad aria rappresenta a tutt’ora la soluzione più diffusa, ma non è l’unica disponibile. Quando la potenza dissipata aumenta ulteriormente, entrano in gioco tecnologie ancora più sofisticate, come i sistemi a liquido, le camere di vapore (vapor chamber) e i raffreddamenti utilizzati nei server e nei supercomputer. Non parlerò approfonditamente di questi sistemi evoluti, ma dovevo almeno accennarne l’esistenza.