jueves, 2 de febrero de 2017

AMD 6990 CrossFireX. Dinámica de fluidos y disipación térmica – ProfessionalSAT

La semana pasada entregué uno de mis Sistemas de Altas Prestaciones especializado en proceso OpenCL mediante dos tarjetas AMD 6990 con 4 GPUs Cayman y 8 GB de GDDR5 a 5 GHz.

DSCF2305AMD 6990 CrossFireX.

Me ha llevado unas cuatro semanas todo el proceso, desde la elección de los componentes hasta el diseño de la refrigeración y la validación del sistema para asegurar su estabilidad total en cargas máximas sostenidas OpenCL.

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En este artículo detallaré el diseño de la exigente refrigeración del sistema y los resultados térmicos de su implementación, siendo una refrigeración por aire para un total de casi 1000W de consumo máximo.

Optimización del consumo eléctrico

El primer paso en la refrigeración de cada uno de mis Sistemas de Altas Prestaciones consiste en minimizar el consumo eléctrico de cada componente. Esto se consigue mediante la modulación independiente de los voltajes en BIOS.

DSCF2284La excelente Cooler Master Silent Pro Gold 80+ Gold alimenta el sistema.

Siempre empiezo marcando manualmente los voltajes mínimos estables (según los Data Sheets del fabricante, en este caso Intel) de cada parte del chipset. Hago lo mismo con la memoria, esta máquina se ha entregado con la DDR3 a 1.500 V.

Posteriormente entramos en la regulación de voltajes del procesador. Primero el voltaje en reposo en su estado de frecuencia mínima. En procesadores Sandy Bridge 2500K y 2600K escogidos he validado como estable los 0.712 V a 1.6 GHz.

Ahora llega la parte más dificultosa, el voltaje en carga máxima de CPU con los 4 cores al 100 %. En función del “sample que nos toque” estaremos sobre los 1.28 - 1.34 V a 4.4 GHz en un 2600K con 8 threads al 100% con absoluta estabilidad.

En las tarjetas AMD 6990 con dos GPUs Cayman cada una, los voltajes de core son 0.900 V en reposo a 250 MHz y 1.120 V en carga a 830 MHz (ajustes nominales).

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En los dos ejemplares utilizados a este voltaje es posible llegar a los 900 MHz fuera de especificación con absoluta precisión en las cargas de trabajo OpenCL en carga 100% con la refrigeración utilizada a unos 80 – 82º C pico tras 24 h de cálculo con usos de GPU mínimos del 98%.

En reposo en el escritorio de Windows 7 Ultimate X64 el consumo del sistema en el enchufe es de unos 145W.

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Debido a esta minimización del consumo eléctrico de cada componente he conseguido disminuir el consumo pico total desde los casi 1100W iniciales hasta los 939W finales en carga 100% sostenida.

DSCF2333Dual AMD 6990 CrossFireX: 939W en pico a 880 MHz, a velocidad de AMD 6790.

El consumo de la refrigeración.

Un dato a resaltar en un sistema de estas características dotado de muchos ventiladores y alguno de ellos de alto rendimiento es el consumo puro de la refrigeración.

Solamente variando del mínimo al máximo los 4 ventiladores regulables de este sistema y las dos turbinas de las dos tarjetas AMD 6990 arroja una diferencia de consumo de 40W debida al incremento de rpm de los motores de 12V. Nada despreciable.

Por otro lado recordar que los semiconductores incrementan su disipación térmica y consumo en función de la temperatura debido al incremento en el leakage de los transistores (pérdidas de corriente cuando está en off, en caso extremo degenera en electromigración). Por ello es conveniente controlar las temperaturas y no entrar en rangos peligrosos.

Diseño de la refrigeración del sistema AMD 6990 CrossFireX.

Desde el primer momento en que el cliente me encargó la máquina tuve claro que debía separar totalmente los flujos térmicos provenientes de la 4 GPUs del resto del sistema para evitar problemas en otras áreas.

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Además era crítico extraer inmediatamente los 850+ W disipados en las GPUs de la torre evitando crear realimentaciones de aire caliente a otras partes del sistema.

Para ello dividí la máquina en tres alturas o zonas térmicas independientes, cada una de ellas con sus flujos de aire separados y diferenciados y rutas independientes de entrada y salida de aire.

Las tres áreas de refrigeración.

En la zona superior y la intermedia (zonas 1 y 2) la salida de aire se efectúa por la parte frontal de la torre mediante ventiladores de 12 cm, en cambio en la zona inferior la salida es a través de la fuente de alimentación y del panel trasero de la torre.

DSCF2313Las tres zonas diferenciadas de refrigeración.

Zona 1. CPU, parte superior de placa base y memoria DDR3.

En esta zona se produce una disipación térmica estimada pico de unos 130 – 150 W.

La verdad es que refrigerar un Core i5 2500K a 4.2 GHz no es tarea difícil, un simple Arctic Cooling Freezer 7 PRO 2 modificado para socket 1155 basta.

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Esta CPU disipa unos 110W a la frecuencia objetivo de 4.2 GHz. Esta frecuencia ha sido seleccionada en función de la carga de trabajo OpenCL ejecutada en las 4 GPUs. La carga de CPU media es del 80% en los cuatro cores con el software elegido.

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He creado un diseño de refrigeración absolutamente desproporcionado para esta zona queriendo así crear un exceso neto de presión dentro de la torre pensado en refrigerar con este excedente la Zona 2, la más crítica.

DSCF2303La salida de aire de la Zona 1 antes de montar su ventilador de salida.

He situado tres ventiladores de entrada en esta zona, uno de 14 cm y dos de 12 cm, el refrigerador de CPU lo he montado en dirección inversa a la normal (hacia el frontal de la torre). El aire “caliente” (medido en salida frontal está a unos meros 28º C en carga máxima) de esta zona se evacúa por el frontal.

DSCF2317Durante varios días fui variando la colocación del divisor de flujo superior.

Zona 2. AMD 6990 CrossFireX.

En esta zona se produce una disipación térmica estimada continua en carga máxima de unos 800 – 850 W.

La inyección de aire frío del exterior se produce por dos entradas independientes, la primera es desde la parte superior, desde la Zona 1.

DSCF2321Entrada doble superior para aumentar la presión interna.

La segunda y más importante entrada se produce a alta presión mediante dos ventiladores Scythe de 12 cm de alto flujo colocados a 8 mm de las tarjetas AMD 6990, el aire viene del panel lateral perforado.

DSCF2305Los dos Scythe evitan los excesos térmicos en el sistema CrossFireX.

Su función es inyectar aire en el espacio inter GPUs y evitar el estancamiento de aire evitando los Hot Spots.

Sin estos ventiladores Scythe no comerciales la temperatura en tests OpenCL con carga 100% en las 4 GPUs alcanzaba los 92º C en sólo un minuto…

DSCF2388Gracias a “mis contactos” tengo acceso a componentes no comerciales.

Con ellos el pico máximo obtenido tras 24h en carga máxima OpenCL con relojes a 880 MHz (a frecuencias de AMD 6790) es de solamente 82ºC y con frecuencias nominales de 830 MHz nos quedamos en menos de 80ºC.

A modo de referencia en Furmark con carga 100% en las 4 GPUs en modo Extreme Burning alcanza 61ºC en la GPU más caliente tras 2h.

DSCF2304Estos ventiladores llevan reguladores de rpm montados en la parte trasera de la torre.

La salida del aire caliente procedente de las GPUs 1 y 3 (las GPUs a la izquierda de las tarjetas AMD 6990) sale de la torre a través del panel trasero y gracias al exceso de presión interno no vuelve a entrar (no hay reflujo) ya que en el canal entre las dos tarjetas soplan sendos ventiladores Scythe.

DSCF2379En la configuración final minimicé la turbulencia consolidando el cableado.

La evacuación de aire de las GPUs 2 y 4 es más complicada. Se  realiza por su diseño dentro de la torre amenazando a otros componentes con su potente chorro de aire a 60ºC.

DSCF2308Una de las pruebas que realicé. Tapar el final del espacio entre las tarjetas.

El objetivo en este caso consiste en crear mayor succión que la presión de salida de las turbinas de ambas tarjetas. Para ello monté otro Scythe de 12 cm justo delante de la salida de las GPUs 2 y 4 auxiliado por otro ventilador de 12 cm en la salida frontal.

DSCF2300El panel divisor de flujo en su posición final con los flujos de aire identificados.

El resultado es excelente pues no se aprecia incremento alguno (cero ºC) en ninguna temperatura interna (disco duro, placa base,…) cuando las cuatro GPUs con sus se ponen a trabajar al 100% indicando que todo el calor producido por ellas sale antes de calentar ningún componente o el chasis.

DSCF2377La configuración final.

De hecho, todos los paneles de la torre aparecen fríos al tacto en carga 100%, no así los dos chorros de aire que emergen de la parte trasera del sistema que con unos 60ºC hacen imposible mantener mucho tiempo la mano en ellos.

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Por el panel frontal se aprecia una clara diferencia de temperatura en la salida de la Zona 1 y la Zona 2. La Zona 1 evacúa por el ventilador superior a unos 28 – 30ºC, en cambio la Zona 2 evacúa por el central con un flujo mucho más potente a unos 42ºC.

Zona 3. Disco duro, fuente de alimentación y parte inferior de placa base.

En esta zona apenas se produce consumo eléctrico, quizás 100 W en pico entre el disco duro, el ventilador frontal y las pérdidas por efecto Joule en la excelente fuente Cooler Master PRO Gold 1200.

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La entrada de aire se produce por el frontal gracias al ventilador de 25 cm y sale por el panel trasero y la fuente de alimentación. La fuente recibe la mayoría del aire por el panel inferior.

DSCF2376Probé el ventilador en ambas configuraciones, entrada y salida.

Con el ventilador en entrada se consiguen mejores temperaturas, eso sí, tras aislar el frontal del caudal de salida de la Zona 2.

DSCF2313La Zona 3 al completo.

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Carlos Yus Valero – informaticapremium      informaticapremium-logo-150px[3]