Moore yasasının sonuna yaklaşırken, kompakt ve verimli termal yönetim çözümlerine yapılan yatırımlar artıyor. Bununla birlikte, buhar odası (VC) soğutma gibi daha yeni ve gelişmiş teknolojiler giderek daha fazla cihaza girmeye başlıyor. Bu tür bir cihaz, Seeed Studio’nun reServer’ı, buhar odası teknolojisi sayesinde daha küçük bir form faktöründe olağanüstü performans ve uzun ömür sağlıyor.
Buhar odaları, bir masaüstü oyun makinesindeki sıvı akış tüpleri için bir dizüstü bilgisayar ve daha yakın zamanda akıllı telefonlar için neyse odur. İlk ticari buhar odaları, oyun dizüstü bilgisayarlarında uygulanmış ve Asus ROG Phone, 2018 yılında bir buhar odasına sahip olan ilk akıllı telefon olmuştur. 2021 yılına geldiğimizde, Apple’ın bu teknolojiyi iPhone’larına entegre etmeyi planladığı bildirilmektedir. Teknolojinin gelişmesi ve fiyatların düşmesiyle buhar odalarına olan ilgi artmakta ve bu teknoloji artık sunucular gibi diğer yüksek performanslı cihazlara da yayılmaktadır. Odaların dahil edilmesi ve boyutu, performansın artık yalnızca GHz cinsinden ölçülmediği bir çağda değerli bir özellik haline gelmektedir.
Yerel altyapınızdaki bir sunucu, akıllı telefonunuz kadar alan kısıtlamasına sahip olmayabilir veya bir oyun dizüstü bilgisayarı kadar enerji tüketmeyebilir, ancak akranlarınızın ne söylediğine bakılmaksızın, telefonunuzu her zaman kullanmadığınız muhtemeldir. Sunucular için, gün boyunca, ay boyunca ve yıl boyunca mümkün olan en az kesinti ve duraklama ile sürekli çalışmaları hayati önem taşır ve bu da çok fazla ısı üretir.
Seeed Studio’nun reServer cihazı, yüksek hızlı 2.5Gb Ethernet, BLE ve WiFi gibi hibrit bağlantı seçenekleri ve 5G ve LoRaWAN desteği dahil olmak üzere kompakt bir cihazda birçok işlevsellik sunmaktadır. ODYSSEY X86 v2 kartına dayanan ve Intel® Core™ 11. Nesil işlemci ve Intel UHD Graphics veya Intel Iris Xe Graphics ile güçlendirilmiş olan reServer, küçük kompakt bir pakette güçlü bir kenar bilişim cihazıdır.
Yüksek performanslı bir sunucu olarak, reServer soğutma gereksinimleri açısından sınırları zorlamaktadır. Çözüm, sunucunun yüksek talep altında çalışırken çok daha büyük bir stabilite sağlamasına olanak tanıyan benzersiz buhar odası-ısı emici (VCH) tasarımıdır. Peki, buhar odası tam olarak nedir ve performansı nasıl artırır?
Buhar odaları ve ısı boruları nasıl çalışır?
Buhar odası, ince bir fitil yapısıyla kaplanmış ve içinde genellikle su bulunan, vakumlu bir kap veya zarf (örneğin bakır) içermektedir. Oda, yüksek ısı yükleri altında duvarların çökmesini veya genişlemesini önlemek için iç destek yapıları içerebilir. Fitiller, ince bir ağ veya lif malzemesinden yapılabilir veya bakır zarfın iç yüzeyine kaynaklanmış ince bakır tozu ile kaplanabilir ya da doğrudan bakır zarf üzerinde kabartmalı şekiller veya oluklar içerebilir.
Kaynak: Wikipedia
Buhar odalarının çalışma prensibi esasen ısı borularınınkiyle aynıdır, ancak farklı bir geometridedir ve ikisi de birçok benzerliğe sahiptir.
Isı borusunun bir ucu veya buhar odasının bir tarafı bir kaynak tarafından ısıtıldığında, örneğin bir entegre devre, çalışma sıvısı buharlaşır ve buhar, ısı borusunun diğer ucuna veya buhar odası boyunca yanlamasına yüksek hızda hareket eder. Buhar soğuduğunda, depoladığı enerjiyi zarfına aktarır, bu da ya doğrudan çevreye dağılır ya da katı bakır veya alüminyum ısı emici gibi ek soğutma cihazlarına iletilir. Enerjisini kaybettikten sonra, buhar fitil yapısına geri sıvılaşır ve ardından kapiler etki ile ısı kaynağına geri taşınır – bir kuru mutfak havlusunun bir damla suyu emmesini hayal edin. Döngü tekrar eder. Sonuç, yüksek hızlı ısı transferi ve ısı borusu veya buhar odası boyunca düşük bir sıcaklık gradyanıdır.
Isı boruları ve buhar odaları, pasif iki aşamalı cihazlar olarak bilinir. Çalışma sıvısının yüksek gizli ısısını, yani sıvıdan gaz haline ve tersine geçiş için gereken enerjiyi enerji depolama aracı olarak kullanır ve ardından zarf üzerindeki güçlü basınç farkını kullanarak enerjiyi katı iletkenlerden yüzlerce kat daha hızlı taşır. Bakır, yaklaşık 400 W/(mK) (watt/metre-kelvin) termal iletkenliğe sahip en iyi metal ısı iletkenlerinden biridir, ancak pasif iki aşamalı cihazların etkili termal iletkenlikleri, fitil yapılarının türüne, çalışma sıvısına ve iç odanın tasarımına bağlı olarak 3200 ile 200,000 W/(mK) arasında değişmektedir.
Buhar odaları ve ısı boruları arasındaki fark nedir?
Buhar odası, 2D düzlemde ısıyı eşit şekilde bir alanda iletme konusunda etkili olan bir ısı borusudur ve dolayısıyla telefonun bataryasının arkasındaki gibi dar alanlara uyacak şekilde tasarlanabilir. Isı yayma işlevi görür, yüksek ısı akış yoğunluğuna sahip bir alandan çok daha büyük bir alana ısı taşır ve böylece ısı akış yoğunluğunu azaltır. Öte yandan, ısı boruları ısıyı tek bir yönde taşır ve bu nedenle ısıyı kaynağından daha fazla dağıtım yapabilecek bir alana, örneğin bir ısı borusu CPU’dan fanların ısıyı dışarı üfleyebileceği kasanın kenarına ısı transferi yapabilir. Isı boruları çok daha ucuzdur ancak geometrileri kısıtlıdır.
Buhar odalarının avantajları:
- 2D alanda son derece verimli ve eşit ısı yayma. Aynı boyuttaki ince bir bakır plaka ile karşılaştırıldığında %40 daha etkili termal performans.
- Düz ve geometrik olarak esnek, çok ince alanlara sığabilir. Sadece birkaç milimetre kalınlığında.
- 350W/cm2’ye kadar yüksek ısı akış yoğunluğu uygulamaları için uygundur ve gelişmiş fitil tasarımları ile daha da fazla.
- Isı boruları kullanarak doğrudan temas arayüzleri, katı metal braketler kullanır ve bu nedenle buhar odalarına kıyasla ısıyı yaymada o kadar etkili değildir; buhar odaları düz geometrisi sayesinde kaynağa temas eden odanın alanını maksimize eder.
- Performansı, geleneksel su pompalama sistemleri gibi yerçekiminden etkilenmez.
Buhar odalarının performans faydaları geniştir, belki de tek büyük dezavantajı, 20 veya daha fazla bireysel adımı içeren karmaşık üretim süreci nedeniyle maliyetidir. Geleneksel buhar odaları, odanın oluşması için dört tarafında kaynak yapılması gereken iki metal parçasından yapılır ve yapısal destek için iç destekler içerebilir. Bu ek işleme adımları, ısı boruları veya hibrit tek parça buhar odalarına kıyasla maliyeti artırır – bu, esasen düzleştirilmiş ısı borularıdır. Bu nedenle, artan verimlilik ve performansa rağmen, buhar odaları ısı emicileri veya ısı borularını yakında devre dışı bırakmayacaktır.
Seeed reServer’ın buhar odası
Seeed’in reServer’ı, 3.5 inçlik bir sabit disk sürücüsü ile aynı boyutta, 136 x 92 mm ölçülerinde büyük bir iki parçalı buhar odası soğutucusuna (VCH) sahiptir. Dış iskelet alüminyumdan yapılmış olup, bakır buhar odasını kapsar. Buhar odası, alüminyum yüzeyde hafifçe görülebilen yapısal destek sıralarına sahiptir. Bu destekler ve kaplama, odanın yüksek sıkıştırma basınçlarına ve yüksek sıcaklıklarda deformasyona dayanmasını sağlar.
Buhar odasının yanından, Intel® Core™ çipine benzer boyut ve şekle sahip küçük bir alan çıkıntı yapar ve her köşede yaylı bir vida bulunur. Vidalar, VCH ile IC arasında sıkı ve düzgün bir uyum sağlamak için sıkılabilir. Buhar odasının diğer tarafına doğrudan yapıştırılmış bir fermuarlı kanat soğutucu, soğutucunun tabanı olarak işlev görerek hacmi daha da azaltır.
Buhar odası, IC’nin küçük alanından gelen ısıyı buhar odası boyunca yayar ve ardından soğutucunun kanatları aracılığıyla iletilir. Tabanındaki büyük bir fan, havayı delikli alt kısımdan dışarı üfler. Tüm bu termal yönetim unsurları, diğer çözümlerle karşılaştırıldığında olağanüstü soğutma performansı sağlamak için birlikte çalışır.
VC teknolojisine karar vermeden önce, Seeed’in araştırma ve geliştirme mühendisleri, farklı katı alüminyum soğutucular ve iki aşamalı cihazların çeşitli kombinasyonlarını içeren benzer pasif soğutma çözümlerini test etti. Sonuç olarak, buhar odası ve soğutucu, aynı boyuttaki bir soğutucuya bağlandığında ısı transferi açısından en iyi performansı gösterdi. VCH ile CPU, maksimum 28W güçle çalışabilmektedir.
Termal Analiz
İki nokta arasındaki sıcaklık artışı veya sıcaklık gradyanı, gücün ve cihazın termal direncinin çarpımıdır, theta θ. Bu nedenle, daha fazla güç tüketen makineleri çalıştırmak için θ’yı mümkün olduğunca azaltmamız gerektiği sonucuna varılabilir.
∆T = P × θ
Elektrik direncine benzer şekilde, bir yoldaki termal direnç, toplam termal direncin yol üzerindeki tüm termal dirençlerin toplamı olduğu seri bir şekilde modellenebilir. Örneğin, IC’nin soğutucuya ve soğutucunun çevreye olan termal direnci.
θja = θjc + θca
Burada θjc, bağlantıdan kasaya olan termal direnci ifade eder; burada bağlantı (j) IC üzerindeki en sıcak noktadır ve kasa (c) cihaz paketidir. θca, kasa ile ortam (a) veya çevre arasındaki termal direnci tanımlar. IC’nin iç işleyişini kontrol edemeyiz, ancak ortam ile olan yolu kontrol edebiliriz; örneğin, IC’ye doğrudan temas sağlamak ve soğutucular eklemek gibi düşük dirençli arayüzler ve bileşenler ekleyerek.
Termal direnç, genellikle soğutucular için dakikada taşınan hava hacmi (CFM) olarak belirtilen mevcut hava akışına bağlı olarak da değişir.
Aşağıdaki grafik, aynı hacim için üç soğutma çözümünün performansını göstermektedir; temel bir alüminyum ekstrüzyon soğutucu, ısı borusu fan dizileri ve buhar odası soğutucu kombinasyonu.
Açıkça, buhar odası diğer teknolojilere kıyasla çok daha düşük termal direncin avantajını sunmaktadır. Alüminyum soğutucudan ısı borusu kanat dizisine ve buhar odasına geçiş yapıldığında, çeşitli hava akış hacimlerinde kasa ile ortam arasındaki termal direncin sürekli olarak azaldığı görülmektedir; bazı durumlarda %68 oranında (üçte iki) azalma sağlanmıştır. Bu üstün performans, reServer’ın uzun süre yüksek güçte çalışmasına olanak tanır, bu da uzun ömür ve kesintisiz hizmet için mükemmeldir.
reServer hakkında daha fazla bilgi alabilir ve fiyat sorgulaması yapabilirsiniz Seeedstudio.com adresinden. Şu anda, 8GB ve 256 SSD depolama veya 16GB ve 512GB SSD depolama seçeneklerine sahip Intel® Core™ i3 versiyonu mevcuttur.