Heatpipe e Vapor Chamber: come funziona la dissipazione di CPU e GPU

Oggigiorno, i sistemi di raffreddamento composti da heatpipe e vapor chamber sono lo standard. Vediamo come sono fatti questi componenti, come funzionano e perché sono così vantaggiosi.

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Daniele Vergara Daniele Vergara viene alla vita con un chip Intel 486 impiantato nel cervello, a mo' di coprocessore. E' più che entusiasta di tutto ciò che riguarda la tecnologia intera e i videogames, con un occhio di riguardo verso l'hardware PC e l'overclocking. D'inverno ama snowboardare, macinando km e km di piste. Lo trovate su Facebook, Twitter e Google+.

La progettazione di un sistema di raffreddamento, che sia o meno per un computer, richiede dei passaggi cruciali e una ricerca costante. Tutte le aziende coinvolte vogliono utilizzare le tecnologie che garantiscono le temperature più basse, incrementando così l'efficienza del sistema che mirano a gestire. Durante gli sviluppi avvenuti negli anni è venuto fuori che solo ventole ed alette varie non sono sufficienti per fornire una dissipazione al massimo dell'efficacia. Ecco perchè a un certo punto sono iniziati gli esperimenti con i sistemi di raffreddamento a due fasi, con l'utilizzo di altrettanti componenti chiamati heatpipe e vapor chamber. I principi con cui questi lavorano sono simili - se non uguali -, ma in realtà strutturalmente sono differenti, così diversi che anche l'utente meno esperto se ne accorge subito.

Heatpipe: panoramica

Quasi tutti hanno visto, in genere sui dissipatori delle schede video, dei tubi di rame o alluminio che attraversano la GPU, passando per delle alette prima di finire il loro percorso in una zona più arieggiata. Queste sono le heatpipe, che possono essere viste come dei connettori, e la loro principale funzionalità è quella di trasportare il calore da un punto A ad un punto B. Risultano generalmente molto utili per raffreddare aree molto calde ma troppo piccole per essere fisicamente raggiunte da altri componenti del sistema di dissipazione. Il calore di queste aree viene infatti portato via tramite esse e direzionato laddove può essere più facilmente smaltito, fino a terminare sull'estremità opposta del tubo, che deve necessariamente essere "chiusa". Le heatpipetrovano posto nei dissipatori di CPU desktop, di schede grafiche, nei notebook più prestanti e, solo recentemente, anche negli smartphone (come nel Samsung Galaxy S7). In questi ultimi dispositivi, per ovvie ragioni, le heatpipe sono molto piccole e sottili e non compiono il lavoro di quelle che siamo abituati a considerare.
Le heatpipe sono generalmente di una determinata lunghezza e spessore, che vengono decise dalle necessità del produttore. Alcune aziende hanno anche tentato di modificarne la forma, traendo determinati vantaggi in alcune circostanze. In genere, una heatpipe di diametro maggiore è più performante poiché in grado di trasportare più aria calda, ma ha un costo maggiore. Alcune società decidono poi di impiegarne in numero superiore per aumentare le performance: c'è chi ne usa due o chi ne usa otto, ma funzionano comunque allo stesso modo.

Alcune nozione tecniche

Le heatpipe funzionano passivamente e non c'è bisogno di alcun motore o pompa che li tenga in funzione. Esse rispondono inoltre abbastanza rapidamente alle variazioni di temperatura. Generalmente, le heatpipe sono riempite con un piccolo volume d'acqua, che viene sottoposta ad una pressione molto bassa così che possa andare ad ebollizione molto velocemente, tanto quanto si raffredda. Il liquido bolle, si muove lungo il canale, trova un lato freddo e lì ovviamente condensa. Il calore viene quindi trasferito da un punto molto caldo, come il die dalla CPU o della GPU, al punto più freddo, sfruttando proprio l'acqua. Essa poi ritorna al punto a temperatura più alta, parzialmente sfruttando la gravità, ma in larga parte grazie ad uno strato di fibra tessile intrecciata. Si tratta di un ingrediente piuttosto stravagante di primo acchito, ma fa davvero bene il suo lavoro. Per intenderci, è più o meno il materiale che ricopre la punta di una candela. Nel caso delle heatpipe esso è composto generalmente da polvere di rame, che viene iniettata e poi fatta bruciare in modo che si attacchi alle pareti e formi la trama di cui si ha bisogno. Ad ogni modo, questo non è l'unico modo di procedere e diverse aziende possono adoperare differenti tecniche. Provate a mettere un fazzoletto in un bicchiere d'acqua e vedrete che questa magicamente inizia a risalire pian piano lungo il tessuto, inumidendo il tutto. Il concetto è esattamente lo stesso, e la quantità d'acqua contenuta nelle heatpipe è necessaria solo per bagnare leggermente la tessitura, che la spinge verso il die della CPU o GPU. Il processo poi si ripete sempre allo stesso modo.

Vapor chamber e design

Fisicamente, le vapor chamber lavorano in maniera molto affine a quanto fanno le heatpipe, ma le prime sono capaci di mandare il calore in due direzioni contemporaneamente anziché in un unico senso. Tali strutture sono in grado di dissipare tre volte il calore di una heatpipe, a patto che siano assemblate in modo preciso. Inoltre, ogni produttore decide le loro dimensioni a seconda dell'uso e del costo, ma in genere sono quadrate o rettangolari. Queste sono in pratica heatpipe più larghe ma molto schiacciate, in genere fra i 3 ed i 5 millimetri, che lavorano alla stessa maniera vista sino ad ora. In teoria, le vapor chamber possono essere di qualsivoglia forma, essere direttamente a contatto con la sorgente di calore o meno... insomma, i produttori possono sbizzarrirsi.
Il design più comune è quello che prevede una vapor chamber alla base, su cui sono saldate delle alette in alluminio, fra le quali passano delle heatpipe collegate alla camera di vapore stessa. Di solito questo complesso appare come un unico blocco, ed è facile che la vapor chamber non si riesca ad intravedere fra la gabbia di alette. Altri dissipatori di fattura più vecchia, invece, prevedono in genere quattro vapor chamber di forma rettangolare collegate ad una base estrusa, mentre i sistemi di raffreddamento low profile spesso integrano la camera di vapore non alla base, ma al centro o comunque in mezzo alle alette di alluminio.
Le heatpipe, al contrario, non hanno mai ricevuto troppi stravolgimenti; recentemente si sono diffuse le cosiddette direct contact heatpipe, cioè una variante che è schiacciata sulla zona del die per fare direttamente contatto con l'heat spreader del chip (il processore, ad esempio). Questo approccio non cambia però le carte in tavola e non porta poi vantaggi troppo tangibili. I produttori usano molto spesso il design composto da due blocchi, e cioè da heatpipe e da vapor chamber contemporaneamente, sfruttando così il meglio dei due mondi, e cioè la grande capacità di trasporto delle prime e la migliore capacità di raffreddamento delle seconde. In questo modo, si riescono ad incrementare le prestazioni fra il 20 ed il 30 per cento.

Heatpipe e vapor chamber Oggigiorno, i sistemi di raffreddamento composti da heatpipe e vapor chamber sono lo standard. Le crescenti capacità di calcolo dei dispositivi a semiconduttore implicano una maggiore dissipazione di energia, e quindi dei dissipatori maggiormente adeguati. Solo recentemente si sta puntando sul tenere bassi i dispendi di corrente, probabilmente grazie alla crescente fetta del mercato IT che il settore mobile ha conquistato durante questi anni. Possiamo per esempio rifarci a NVIDIA, che con Maxwell e Pascal ha puntato fortemente sulla riduzione dei consumi, o su Intel che con Skylake ha introdotto alcuni meccanismi innovativi per tenere il TDP più basso possibile, come la tecnologia Speed Shift. L’overclocking è un’altra pratica che ha spinto i produttori ad inventarsi sempre più spesso soluzioni di raffreddamento nuove. Questa attività raccoglie a sé sempre più appassionati ogni anno, così come le competizioni di livello internazionale, che rappresentano una costante. Le heatpipe e le vapor chamber sono dunque due componenti di primaria importanza nei moderni dissipatori, e ci accompagneranno anche per il futuro date le loro ottime prestazioni, la loro economicità e la facilità di implementazione.