Raffreddare i componenti – Sotto la scocca

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L’E3 oramai è passato, ma tra i tanti annunci ci sono sempre ottimi spunti di riflessione. Xbox One X sarà la prima console a montare una vapor chamber. Qualcuno si sarà chiesto di cosa si tratta? Parliamo quindi di un elemento che spesso passa in sordina ma che è importante prendere in considerazione durante il processo di progettazione di una console: il raffreddamento.

Quando in un componente elettronico scorre una corrente, questo si scalda. La differenza di temperatura tra il componente e l’ambiente esterno causa il movimento del calore, che segue il percorso che offre la minor resistenza. Quando c’è equilibrio tra calore dissipato e prodotto la temperatura si stabilizza. Un componente elettronico che raggiunge una temperatura elevata può rovinarsi e rompersi e per evitare ciò si utilizzano diversi sistemi di raffreddamento, da tempo applicate nel mondo delle console da gioco.

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Con una temperatura massima vicina a quella corporea, lo sconforto è ridotto al minimo

L’idea alla base della gestione del calore è la seguente: creare un percorso preferenziale per lo spostamento del calore, aumentare la capacità di smaltimento e trovare una nuova temperatura di equilibrio con l’ambiente esterno, nel nostro caso l’aria.

Il quantitativo di calore che deve essere smaltito è proporzionale alla potenza assorbita dal macchinario. L’avanzamento nel campo dell’elettronica permette di avere ad ogni nuova generazione più potenza per minor costo energetico ma il problema è che le richieste grafiche sono aumentate ancor di più. L’aumento spropositato del numero di transistor all’interno delle componenti moderne ha portato a temperature sempre maggiori che devono essere dissipate a modo.

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I dissipatori del Nintendo 64 in tutta la loro piattezza

Prendiamo le vecchie console. NES, SNES e N64, ma anche PS1 o il Master System. In questi periodi si giocava con macchine che andavano dai 9  ai 19 watt, quindi consumi bassi e componenti da pochi transistor. Questo si traduceva nell’utilizzo di metodi passivi per lo smaltimento del calore. Il metodo usato in questi casi era non usare nulla o applicare un semplice heatsink. Un heatsink è un serbatoio di calore che assorbe quello generato dal componente e lo scambia con l’aria. Il movimento naturale dell’aria è sufficiente quando le potenze in gioco sono basse.

La sesta generazione ha però richiesto un aumento sostanziale della potenza in gioco, necessario per spingere più in là il 3D. Per migliorare lo smaltimento del calore, la soluzione più economica è quella di forzare il passaggio d’aria nell’heatsink. Aumentando la velocità del flusso d’aria migliora la dissipazione. Una ventola permette di fare proprio questo, spingere l’aria in una direzione determinata da chi progetta l’hardware. Questo però introduce un nuovo problema: il rumore. Le console da questa generazione hanno smesso di essere silenziose. Inoltre la polvere è diventata un’acerrima nemica, in grado di ostruire i percorsi d’aria e depositarsi sulle ventole.

Le ventole adottate da Microsoft, Nintendo e Sony al tempo per le loro macchine da 40W fu di tipo assiale, come quelle usate nei PC fissi. Prendono l’aria da una direzione e la spingono nell’altra, lungo l’asse della propria rotazione. C’era bisogno non solo dello spazio per la ventola, ma anche di pensare ad un percorso per l’aria, di entrata e di uscita, di dimensioni adeguate per gestire il flusso forzato.

PS2 Slim Blower Fan
Soffiare aria su un heatsink funziona sempre alla grande.

Sony fu l’unica a rilasciare una versione SLIM della sua console, dove adottò una ventola radiale, come quelle usate nei portatili, conosciute anche come blower fan o ventole centrifughe. Queste ricevono aria lungo il loro asse di rotazione, ma la espellono radialmente, lungo la direzione delle pale.

Con la settima generazione di console, abbiamo assistito ad un aumento sostanziale dei consumi e con console che consumano 200W, c’era bisogno di migliorare di molto la dissipazione. I nostri salotti si incominciavano a riempire di aeroplani in fasi di decollo quando dovevano eseguire giochi molto pesanti o durante l’estate. E nel caso di Xbox 360, la soluzione adottata non fu neanche sufficiente, con le prime ondate di console facilmente predisposte a rottura da surriscaldamento. Nintendo, rimanendo su livelli di potenza più contenuti è rimasta per tre generazioni sullo stesso setup composto da una ventola assiale e un heatsink di dimensioni contenute.

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Un disegno per spiegare meglio come funziona un heatpipe

Con l’ottava generazione abbiamo assistito a un approccio opposto da parte di Microsoft e Sony rispetto alla precedente. Microsoft non ha lesinato ed ha optato per dissipatori e ventole assiali abbastanza grandi, scelta che ha avuto la sua influenza sull’effetto “mattone” della sua console. Il loro sistema ricorda anche i dissipatori ad aria per processori PC. Playstation è stata più attenta alla forma, integrando ventole radiali, compatte ma non proprio silenziosissime.

Nintendo con Switch e Microsoft con Xbox One X hanno scelto strade diverse ed interessanti perché si tratta della prima volta che sono usate in ambito console. Switch è la prima console ibrida, con la necessità di gestire due livelli di potenza diversi e farlo in mobilità. È stato necessario l’uso di un heatpipe. Questo tubo di rame contiene al suo interno del liquido che si fa carico di assorbire calore. Una volta caldo vaporizza e lo porta in un posto dove è più semplice smaltirlo. In questo caso lo “scarica” davanti alla bocca di uscita di una ventola. Una volta raffreddato, si condensa e ritorna nel punto caldo. Questo sistema è largamente usato nei portatili da anni ed è praticamente necessario per prodotti limitati in spessore. È un sistema molto efficiente ed infatti Switch si mantiene abbastanza silenzioso e mai bollente al tatto.

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La vapor chamber è stata davvero una bella sorpresa

Microsoft invece ha voluto dimostrare a tutti di essere la “migliore” e quindi è riuscita a creare non solo la console più potente sul mercato, ma anche a renderla la più piccola o quantomeno densa. L’Xbox One X è leggermente più piccola dell’Xbox One S, eppure è più potente di 4,6 volte. Questo perché ha sfruttato un sistema di raffreddamento mutuato dal mondo PC: la Vapor Chamber. Questo meccanismo funziona in modo simile all’heatpipe, sfruttando un liquido che vaporizza per spostare calore. La Vapor Chamber però permette di spostare il calore in più direzioni contemporaneamente, aumentandone l’efficacia. Il loro costo è superiore, per questo di solito si trovano su prodotti premium del mondo PC. Microsoft, nell’usare questa tecnologia ha voluto creare una macchina senza compromessi.

Tutte le soluzioni al problema riscaldamento che ho illustrato evidenziano come le console siano macchine più complesse di quanto sembri. Quando si vuole andare oltre il limite, quando si vuole provare a portare potenza nelle mani degli utenti, si deve far fronte ai due eterni nemici calore e rumore. Con il tempo siamo passati da macchine che consumavano 1/6 di una lampadina ed erano quasi inesistenti, ad aggeggi che si trovano prepotentemente nel salotto o nelle nostre mani e scalpitano, fanno rumore, si fanno sentire. Sembra di essere passati da semplici biciclette a motociclette. Ora mi chiedo, a quando la console con raffreddamento a liquido completo?

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