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Cálculos de temperatura de processadores

Autor: Laércio Vasconcelos
Data: 17/maio/2006

Entender os cálculos que envolvem a temperatura de um processador pode ajudar você a mantê-lo em uma temperatura segura, melhorando a segurança e a confiabilidade. Procuramos explicar de forma física, conceitos já conhecidos, como o uso de coolers maiores e a aplicação da pasta térmica.

A temperatura sobre o processador

Todos os usuários que cuidam pessoalmente do hardware de seus computadores conhecem as técnicas para manter a temperatura do processador dentro de limites seguros. Isso envolve o uso correto de coolers e garantir a melhor ventilação para o interior do gabinete, e em alguns casos, apelar para o ar condicionado. Em casos extremos, soluções mais complexas como o water cooler são utilizadas.

Nosso artigo pretende demonstrar numericamente a relação as diversas variáveis, como:

  • Temperatura
  • Resistência térmica do cooler
  • Potência elétrica
  • Taxa de utilização do processador

Conhecer matematicamente como essas grandezas estão relacionadas poderá ajudar você a manter a temperatura do seu processador dentro de limites seguros.

As providências a serem tomadas para reduzir a temperatura do processador são:

1) Reduzir a temperatura do ambiente
2) Melhorar a ventilação interna do gabinete
3) Tornar mais eficiente a operação do cooler do processador

Quanto mais elevada é a temperatura ambiente, ou seja, externa ao computador, mais elevada será a temperatura do processador. A temperatura ambiente pode ser reduzida, por exemplo, com o uso de ar condicionado. Caso isto não seja possível, devemos utilizar os outros dois processos para reduzir a temperatura: melhorar a ventilação interna do gabinete e tornar mais eficiente o cooler do processador, conseguindo assim os mesmos graus Celsius a menos que seriam obtidos graças ao ar condicionado.

A refrigeração interna do gabinete é outro fator importante. De um modo geral, a temperatura do interior do gabinete do computador é maior que a temperatura do ambiente, devido ao calor gerado pelos componentes, pelo disco rígido, pelo drive de CD-ROM, pela placa de vídeo 3D e pelo próprio processador. Quanto pior é a ventilação interna, maior é esta diferença. Um gabinete com ventilação deficitária pode ter a temperatura interna de 40oC ao operar em um ambiente de 30oC, portanto estaria 10oC mais quente que o ambiente. Este mesmo gabinete, com a ventilação melhorada, poderia ficar com a temperatura interna de 35oC ao ser colocado no mesmo ambiente de 30oC, portanto estaria apenas 5oC mais quente.

A terceira providência para reduzir a temperatura do processador é melhorar a eficiência do seu cooler. Um cooler de maior tamanho é capaz de dissipar o calor do processador (ou seja, retirar o calor do processador e transferi-lo para o ar do interior do gabinete) de forma mais rápida.

Melhorando a ventilação do gabinete

As fontes de alimentação puxam o ar do interior para o exterior do gabinete. Este método de ventilação tende a resfriar os componentes por igual, de uma forma mais “democrática”, ou seja, todos os componentes serão resfriados de forma equilibrada.

A001.H11Figura 1

Ar é jogado para fora do gabinete

 

 

 

A figura 1 mostra o fluxo de ar em um gabinete no qual o ar é jogado para fora, pela parte traseira. O ar frio entra pela parte frontal do computador, e também pela lateral (estamos no caso de um gabinete horizontal) ou pela parte de baixo (no caso de um gabinete vertical). Note que o fluxo de ar passa pela placa de CPU, em diagonal. Este método de ventilação é adequado tanto para processadores localizados na parte frontal da placa mãe (modelos antigos, padrão AT), quanto para os processadores localizados mais próximos da fonte (modelos novos, padrão ATX). É o método mais utilizado. Além de refrigerar bem o processador, que está no caminho do fluxo de ar, tende a resfriar de forma equilibrada todos os demais componentes do interior do gabinete.

Para que este método de ventilação funcione bem é preciso que a entrada principal de ar seja a localizada na parte frontal do gabinete. Fendas abertas desnecessariamente devem ser tampadas. Por exemplo, as fendas onde são encaixadas as placas de expansão, na parte traseira do gabinete. Quando um slot está livre, devemos deixar tampada a fenda correspondente.

A matemática do cooler

O último recurso, e normalmente o mais importante, para manter a temperatura do processador dentro de limites seguros é melhorar a eficiência do cooler. A figura 2 mostra um cooler acoplado ao processador e as duas temperaturas envolvidas:

tp: temperatura do processador

tg: temperatura do interior do gabinete

A001.H10Figura 2Cooler acoplado ao processador. 

 

 

Entre as faces superior e inferior do cooler existe uma diferença de temperatura igual a:

D = tp – tg

Por exemplo, se o interior do gabinete está a uma temperatura de 45°C e o processador a 60°C, temos

D = tp – tg = 60°C – 45°C = 15°C

Considerando a temperatura do interior do gabinete como constante, valores elevados de D indicam que a temperatura do processador é mais elevada. Intuitivamente percebemos que quanto maior é a potência elétrica P gerada pelo processador, maior será a temperatura do processador, ou melhor, maior será o valor de D. Na verdade P e D são proporcionais. Se dobramos o valor de P, também dobrará o valor de D. A relação entre P e D é o que chamamos de resistência térmica do cooler:

q = D / P

Como P é medido em watts (W) e D é medido em °C, a unidade de resistência térmica é °C/W. Um cooler de maior tamanho possui uma resistência térmica menor. Coolers modernos têm resistência térmica entre 0,3°C/W e 0,5°C/W.

A001.H12Figura 3Coolers de maior tamanho possuem menor resistência térmica. 

 

 

Coolers de maior tamanho possuem menor resistência térmica, ou seja, oferecem menos resistência à passagem do fluxo de calor. É interessante que este fluxo de calor seja rapidamente transferido para fora do processador e do cooler, chegando ao ar, que por sua vez é ventilado para longe do processador. A rápida transferência do calor gerado pelo processador para longe evitará o acúmulo deste calor, ou seja, evitará o aumento da sua temperatura. Portanto, se quisermos reduzir a temperatura do processador, temos que usar um cooler com baixa resistência térmica.

Todos os processadores têm uma temperatura limite, definida pelo fabricante. Todos têm também um sensor térmico interno que ativa o sinal PROCHOT ao detectar que o limite foi ultrapassado. A partir daí, o clock normal passa a sofrer inúmeras pausas, reduzindo a carga total de trabalho, e em conseqüência, a geração de calor. O processador tende a resfriar até uma temperatura segura. Durante esse período os programas sofrem uma redução na velocidade e podem até travar, mas o processadro é protegido.

A001.H13Figura 4O processador reduz automaticamente o seu ciclo de trabalho quando “perceber” que atingiu a temperatura limite.

Cálculo da temperatura do processador

Para calcular a temperatura máxima em que um processador irá trabalhar, use a fórmula:

tp = P.q + tg Onde:tp = Temperatura do processadorP = Potência dissipada pelo processadorq = Resistência térmica do coolertg = Temperatura do interior do gabinete

 

Considere um processador com as seguintes características:

Potência dissipada (P) = 60 W

Temperatura externa máxima do processador: 70°C

Digamos que estamos usando um cooler com resistência térmica de 0,4°C/W. Digamos ainda que a temperatura do interior do gabinete seja de 40°C. Temos então:

tp = 60 x 0,4 + 40 = 64°C

Observe que nessas condições, a temperatura do processador (64°C) está abaixo, mas não muito, da máxima permitida pelo fabricante (70°C). Normalmente um processador dissipa potências elevadas quando tem alta carga de trabalho, e dissipa valores bem menores quando está executando tarefas leves.

Digamos que nas mesmas condições esse processador esteja dissipando 20 watts, executando uma tarefa leve. Teríamos então:

tp = 20 x 0,4 + 40 = 56°C

Note que os processos térmicos são relativamente lentos. Normalmente um processador demora alguns segundos para sofrer um brusco aumento de temperatura. O sistema de resfriamento do processador e do gabinete normalmente precisa de alguns minutos para uma redução de temperatura, quando o processador reduz a sua carga de trabalho.

Por outro lado, considere agora o uso de um cooler de menor tamanho, com resistência térmica de 1°C/W. Ou então um cooler de tamanho grande, porém com pasta térmica ressecada, ou então com sua ventoinha defeituosa. Teremos então:

tp = 60 x 1 + 40 = 100°C

Uma temperatura como essa certamente iria “fritar o processador”. Nos modelos atuais, existem curcuitos internos que reduzem automaticamente a velocidade do processador quando a temperatura está muito elevada.

Considere agora um outro processador com as seguintes características:

Potência dissipada (P) = 50 W
Temperatura externa máxima do processador: 70°C

Digamos ainda que a temperatura do interior do gabinete seja de 40°C, e que vamos usar um cooler com resistência térmica 0,5°C/W. A temperatura externa deste processador será então:

tp = P.q + tg

tp = 50 x 0,5 + 40 = 65°C

Este valor é seguro, está abaixo dos 70°C permitidos no nosso exemplo. Entretanto temos que tomar muito cuidado. Estamos supondo que a temperatura no interior do gabinete é de 40°C, a mesma do exemplo anterior. Note que quanto mais potência dissipa um processador, maior será a tendência de aumento na temperatura do interior do gabinete. O cooler consegue manter o processador em uma temperatura segura, mas se a ventilação interna do gabinete não for eficiente, a temperatura interna aumentará de 40°C para 41°C, 42°C e assim por diante, até chegar a um ponto em que a temperatura do processador ficará comprometida. Se a temperatura do interior do gabinete chegar a 45°C, termos:

tp = 50 x 0,5 + 45 = 70°C

Neste ponto é atingida a temperatura máxima permitida para o processador. Se a ventilação do gabinete não for eficiente, a temperatura do seu interior continuará aumentando, e a temperatura máxima permitida para o processador será ultrapassada. Cada 1°C a mais na temperatura interna do gabinete corresponderá a 1°C a mais na temperatura do processador.

Portanto, quanto mais potência dissipa um processador, melhor deve ser a ventilação do gabinete. Em PCs com processadores que dissipam mais potência devemos usar de preferência, um segundo ventilador, instalado na parte frontal interna do gabinete, contribuindo para melhorar o fluxo de ar e a ventilação. Processadores modernos dissipam entre 60 e 130 watts, dependendo do modelo. Você pode obter uma tabela completa dos modelos da Intel e da AMD, incluindo características técnicas de dissipação de potência elétrica, em:

Intel: http://processorfinder.intel.com
AMD: www.amdcompare.com

Influência da temperatura do ambiente

A temperatura do ambiente também tem influência sobre a temperatura final do processador. Como vimos nos cálculos, a temperatura do processador depende da temperatura do interior do gabinete:

tp = P.q + tg

A temperatura tg do gabinete, por sua vez, depende da temperatura do ambiente tamb (ou seja, a temperatura externa ao computador) e do aquecimento do interior do gabinete (ag). Este aquecimento deve ser o menor possível, em geral varia entre 5°C e 10°C. É indesejável que este aquecimento seja elevado, pois qualquer aumento é automaticamente refletido na temperatura do processador. Este aquecimento depende da eficiência do sistema de ventilação e da quantidade de calor gerada por todos os circuitos internos do computador. A temperatura interna do gabinete está relacionada com a temperatura do ambiente da seguinte forma:

tg = tamb + ag

Ou seja, a temperatura do gabinete é igual à temperatura do ambiente somada com o aquecimento do gabinete. Para simplificar, se o ambiente estiver a 30°C e o aquecimento interno for 10°C, a temperatura interna do gabiente será 40°C.

Trocando tg por tamb + ag na fórmula da temperatura do processador, temos:

tp = tamb + ag + P.q

Portanto, para encontrar a temperatura do processador, tomamos a temperatura do ambiente (externa ao micro), somamos com o aquecimento do gabinete, e finalmente somamos com o produto P.q (potência x resistência térmica do cooler). Cada 1°C a mais na temperatura do ambiente resultará em 1°C a mais na temperatura do processador. Cada 1°C a mais no aquecimento interno do gabinete também resultará no aumento correspondente de 1°C na temperatura do processador. Sendo assim, para reduzir a temperatura do processador, podemos tomar três providências:

a) Reduzir a temperatura do ambiente
b) Reduzir o aquecimento do gabinete
c) Reduzir a resistência térmica do cooler

Como reduzir a temperatura do ambiente

O método mais comum é utilizar o computador em um ambiente com ar refrigerado. Aliás, muitos dizem que “computador precisa de ar refrigerado”. Não necessariamente. Existem outras formas de reduzir a temperatura dos chips, e usar ar condicionado, reduzindo a temperatura ambiente, é apenas uma delas. Evite utilizar o computador em locais muito quentes. Fuja dos locais onde há incidência de raios solares. Não instale o computador em locais onde o ar quente à sua volta pode ficar represado, como em estantes ou em cantos.

Como reduzir o aquecimento do gabinete

Organize os cabos flat no interior do gabinete para que não atrapalhem o fluxo de ar. Tampe as fendas desnecessárias do gabinete, fazendo com que a maior parte do ar entre pela sua parte frontal. Use um segundo na parte traseira do gabinete, puxando o ar quente para fora (exaustor). Se você tem mais de um disco rígido, instale também um ventilador na parte frontal do gabinete, puxando o ar frio para dentro.

A001.H14Figura 5Fonte de alimentação com ventiladores adicionais. 

 

Como reduzir a resistência térmica do cooler

Para isso é preciso utilizar um cooler de maior tamanho. Quanto maior é o tamanho, menor é a sua resistência térmica. Devemos também, conforme recomendam os fabricantes de processadores, aplicar pasta térmica entre o cooler e o processador.

Periodicamente (ex: de 6 em 6 meses), desmonte o cooler e retire a sua ventoinha. Limpe a poeira da ventoinha, lave a parte metálica do cooler, deixe de molho em água com detergente, depois use um jato de água para remover o detergente. Isso é necessário para retirar a poeira que fica no interior do cooler. Faça um polimento da base do cooler usando um polidor de metais e aplique pasta térmica nova.

O efeito da pasta térmica

Como vimos na sessão anterior, o uso de um cooler de maior tamanho é recomendável em qualquer caso, mas ele sozinho não resolve todo o problema de aquecimento. Existe um outro inimigo do processador, que é a má condução térmica entre a sua chapa metálica superior e o cooler. Na discussão anterior estávamos supondo uma transferência de calor perfeita entre o processador e o cooler, o que na prática não ocorre. De um ponto de vista microscópico, o contato físico entre o processador e o cooler não é perfeito. As superfícies de ambos não são perfeitamente lisas, e minúsculas lacunas de ar são formadas nesta junção. O calor atravessaria com mais facilidade um contato perfeito entre dois metais, mas terá maior dificuldade (ou seja, existe uma resistência térmica) para atravessar as microscópicas lacunas de ar. Tipicamente esta junção tem uma resistência térmica em torno de 0,5oC/W. Este valor é somado à resistência térmica do cooler. Digamos que tenhamos dois coolers, um pequeno em um grande, com resistências térmicas de 1°C/W e 0,5°C/W, respectivamente. Teríamos então, sem pasta:

Cooler pequeno:         q = 1°C/W + 0,5°C/W = 1,5°C/W

Cooler grande:          q = 0,5°C/W + 0,5°C/W = 1°C/W

Apesar do cooler grande continuar levando vantagem, ambos farão o processador operar com temperaturas mais elevadas. Considerando como 40oC a temperatura interna do gabinete e 30 watts a potência dissipada pelo processador, as temperaturas do processador em ambos os casos seriam de:

Cooler pequeno:         tp = 40°C + 30W x 1,5°C/W = 85°C

Cooler grande:           tp = 40°C + 30W x 1°C/W = 70°C

Vemos desta forma o processador pode ficar muito quente. Em um processador que dissipa 60 Watts, cada 0,1°C/W a mais na resistência térmica resultará em um aumento de 6°C na temperatura final do processador. Por isso é importantíssimo, principalmente no caso de processadores mais quentes, reduzir a resistência térmica entre o processador e o cooler. Esta redução é conseguida com a ajuda da pasta térmica.

A pasta térmica tem com boa condutividade térmica (ou seja, pequena resistividade térmica), e é aplicada entre o processador e o cooler, preenchendo a maior parte das as microscópicas lacunas de ar. Sem pasta térmica, a junção entre o processador e o cooler tem resistência térmica em torno de 0,5°C/W. Com a pasta térmica, esta resistência é de cerca de 0,2°C/W. Parece uma vantagem pequena, mas com o processador dissipando 60 watts, esta menor resistência térmica provocará uma redução de 18°C na temperatura do processador.

Aplicando a pasta térmica

A pasta térmica pode ser encontrada com facilidade em lojas de material eletrônico, e até em algumas lojas especializadas em material de informática, especificamente hardware. Um pote de 15 gramas, como o da figura 6, é suficiente para aplicação em algumas dezenas de processadores.

A001.H15Figura 6Pote de pasta térmica. 

 

 

Para processadores que têm o núcleo exposto, como Athlon, Athlon XP, Duron, Sempron (Socket A), Pentium III e Celeron (FC-PGA), basta aplicar uma pequena quantidade como mostra a figura 7.

A001.H16A001.H17Figura 7: Aplicando pasta térmica em um Athlon XP.

Para processadores que tem chapa matálica superior (Pentium 4, Celeron moderno, Athlon 64, etc), aplicamos a pasta sobre toda a extensão da sua face metálica, mas sem deixar “esparramar). Vale lembrar que quando o cooler já é acompanhados de um material térmico, não precisamos, e nem devemos, fazer aplicação de pasta.

A001.H18Figura 8Aplicando pasta térmica em processadores com chapa metálica. 

 

Não exagere na quantidade de pasta, por ser for aplicada uma quantidade muito grande, poderá prejudicar a condução térmica, ao invés de melhorar. Lembre-se que o objetivo da pasta é preencher as microscópicas lacunas de ar que ficam entre o processador e o cooler, portanto uma pequena quantidade é suficiente.