Pasta térmica y transferencia de calor II. Actualizado - ProfessionalSAT

Como continuación del artículo anterior en el presente ilustraré el concepto de hot-spot y su importancia para la correcta aplicación de la pasta térmica.

Hot-spots o "puntos calientes" en procesadores

Hot spots en el die de un procesador real, termografía infrarroja (IR) en blanco y negro.

En la imagen anterior el blanco corresponde a las mayores temperaturas, como vemos, podemos observar 4 hot-spots con temperaturas rondando los 70 - 74ºC.

Hot spot en un chip IBM Power5 multicore.

En cambio en este caso observamos sólo un hot spot. Está claro que casi toda la emisión térmica en este procesador bajo esta carga de trabajo recae en su parte inferior izquierda.

Los hot spots y la pasta térmica

Toda esta teoría está muy bien, pero ahora veremos como afecta al diseño de nuestros sistemas y el porqué me extiendo hablando de ellos, a parte de, porque simplemente me apasionan estos temas ...

La pasta térmica debe cubrir con una finísima película y sin resquicio alguno para el aire las principales zonas productoras de calor de nuestros procesadores. Para conocer cuáles son los hot-spots de nuestras CPUs debemos conocer qué hay debajo del heat spreader de nuestra CPU.

Caso 1 – Procesadores SIN heat spreader

Sean Intel o AMD (u otros) no haré distinción alguna entre ellos. Lo importante en este tipo de CPUs es cubrir totalmente el die (el procesador en sí) con una fina capa de compuesto térmico.

Procesadores Intel con die desnudo (Pentium III S370 y CPUs de portátiles e Intel Atom)

Procesadores AMD con die desnudo (Athlon, Athlon XP y CPUs de portátiles)

Otros procesadores sin heat-spreader

GPUs (excepto algunas nVidia con heat-spreader)

Otro tipo de dies desnudas (chipsets, ...)

Dies desnudos de un Athlon64 X2 y Athlon64 sin heat-spreader encontrados en portátiles.

Athlon XP en versión de 180 nm (Palomino 256 KB) y 130 nm (Barton 512 KB)

Intel Atom e Intel Yonah (CoreDuo), ambos dies desnudos.

Procesadores CON heat-spreader

Intel Pentium 4 single core S478 o S775 (Willamette, Northwood, Prescott y Cedar Mill cores)

Intel Core2Duo dual core S775 (núcleos Conroe 65 nm y Penryn 45 nm)

AMD Athlon64 single core S754 / S939 / AM2 (130 nm y 90 nm)

AMD Athlon64 X2 dual core S939 / AM2 (90 nm y 65 nm)

AMD Phenom X4 quad core AM2+ (65 nm core Barcelona)

AMD Phenom X3 triple core AM2+ (65 nm core Barcelona)

AMD Athlon X2 serie 7000 dual core AM2+ (65 nm core Barcelona)

Es un caso sencillo, pues estos procesadores poseen una buena simetría cuadrada y están centrados sobre el heat-spreader. La aplicación ideal de la pasta térmica consiste en una pequeña cantidad (un grano y medio de arroz) en el centro geométrico del heat-spreader.

Procesador Pentium 4 Cedar Mill 65 nm single core 2 MB sin el heat spreader.

No debemos extender la pasta térmica, se repartirá sola formando un circulo centrado baja la presión del disipador de CPU.

Una vez montado y asegurado el disipador se recomienda hacer un pequeño (muy pequeño) giro en ambos sentidos del disipador sobre el procesador para asentar la pasta y eliminar posibles cavidades de aire.

• Intel Pentium D serie 800 dual core S775 (90 nm Smithfield core)
• Intel Pentium D serie 900 dual core S775 (65 nm Presler core)

El Pentium D dual core serie 800 de 90 nm de Intel es un die Smithfield compuesto de dos procesadores Prescott con 1 MB de L2:

Die Intel Smithfield dualcore 90 nm con dos L2 de 1 MB.

Presler 65 nm con dos L2 de 2 MB es un MCM, dos dies Cedar Mill en un chip.

Debido a su peculiar geometría, en ambos casos deberemos colocar una fina línea vertical de compuesto térmico como indico debajo (ojo a la marca de la esquina inferior izquierda):

 

Geometría del Intel Pentium D.

El grueso de la disipación térmica se emitirá en el eje vertical, con mayor potencia en el lado derecho (donde están los núcleos de ejecución). Las cachés están a la izquierda y disipan comparativamente muchos menos W/cm2.

Para los amantes de la micro arquitectura, dies de Smithfield 90 nm y Presler 90 nm:

Smithfield versus Presler a escala.

En la transición de 65 a 45 nm, se notó (mucho) la disminución de tamaño gracias a la migración de 90 a 65 nm pese al aumento de caché.

• Intel Core2Quad serie 6000, 8000 y 9000 S775 (núcleos Conroe 65 nm y Penryn 45 nm)

El Intel core2 Quad es un MCM compuesto de dos dies Conroe 65 nm (en la serie 6000) o Penryn 45 nm (en la serie 9000) dispuestos horizontalmente.

Aquí podemos ver el primer C2Quad (serie 6000) basado en dies Conroe de 65 nm.

En este caso la mejor manera de distribuir la pasta térmica es en una delgada línea horizontal (atención a la marca de la esquina inferior izquierda, en cada placa puede ir colocado de otra manera).

 

La disipación de calor se concentrará en el eje horizontal por encima de la línea trazada, ya que ahí están los cuatro núcleos Core2, en cambio, debajo se sitúan las dos L2 compartidas de 4 o 6 MB de capacidad con disipaciones insignificantes relativamente a los cores en este excelente diseño de Intel derivado de su línea de chips móviles Centrino.

• Intel Core i7 quad core (núcleo Nehalem 45 nm)

Como vemos, el procesador Core i7 tiene una forma rectangular y va posicionado a lo largo del chip. De este modo, la pasta la debemos poner en una fina línea horizontal a lo largo del chip:

Posición real del die Nehalem en el procesador Core i7.

Colocación pasta térmica en Core i7.

El grueso de la disipación térmica se emitirá en el eje horizontal, con mayor densidad térmica en la zona superior (donde están los núcleos de ejecución y las cachés privadas L1 y L2). La caché L3 de 8 MB compartida está bajo la línea y son muy poco disipativas debido a su diseño de bajo consumo con celdas de 6T.

En los Core i7 y futuros Core i5 hay que tener especial cuidado puesto que al incorporar SMT (HyperThreading) tienen hot spots más agresivos con densidades térmicas más elevadas. Estos hot spots están situados sobre los núcleos de ejecución y especialmente en las unidades de enteros (integer units).

• AMD Phenom II X4 quad core AM2+ (45 nm core Shanghai)

Suponiendo que la orientación del die en el nuevo procesador de AMD basado en el núcleo Shanghai de 45 nm con 6 MB de L3 sea la misma que en el AMD Barcelona 65 nm (Phenom) la mejor opción es una pequeña cantidad en el centro geométrico del heat spreader (sobre un grano y medio de arroz) o rizando el rizo una pequeña´línea vertical" para ajustarnos mejor a la geometría del die.

Wafer de dies Shanghai AMD 45 nm.

Simetría del nuevo Phenom II 45 nm Shanghai.

El grueso de la disipación térmica se emitirá en el eje vertical, con mayor potencia en la zona superior donde se encuentran los cuatro núcleos con sus cachés privadas L1 y L2. La caché L3 de 6 MB está situada en la parte inferior y disipa comparativamente muchos menos W/cm2.

Hasta la próxima ...

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Dos equipos de altas prestaciones II - ProfessionalSAT

Como recordaréis del último artículo, dejé ambos sistemas pasando el conocido test de memoria Memtest86+. Estos dos sistemas están destinados a cálculo continuo. Cálculos que no pueden dar un solo error en toda la vida útil del equipo y además estarán en uso ininterrumpido excepto por mantenimiento (limpieza o sustitución de piezas).

Normalmente ninguno de estos sistemas da problemas debido a lo exigente de los tests a los que los someto y a los márgenes de seguridad que dejo por precaución:

• Voltajes conservadores, incluso nominales
• Sobredimensionado de la refrigeración
• Redundancia de ventiladores
• Márgenes de seguridad en overclock
• Pruebas de temperatura en condiciones reales
• Sistemas RAID si es preciso por la importancia de los datos

Ambos sistemas están configurados del siguiente modo:

• Core i7 920 a 3.33 GHz nominal.
• Bus de sistema 166 MHz
• Multiplicador CPU 20X (3.33 GHz)
• Multiplicador CPU Turbo Mode 21X y 22X (3.50 y 3.66 GHz)
• Multiplicador QPI 36X (6.00 GHz)
• Multiplicador Uncore & L3 16X (2.66 GHz)
• Memoria Triple Channel DDR3 1333 8-8-8-24 1T  @ 1.58 V (Corsair)
• Voltajes de CPU, Northbridge, Southbridge y Uncore sin modificación.

Pues bien, cuando llegué por la mañana me encontré con una sorpresa aunque no inesperada. El sistema con los timings más agresivos (7-7-7-20 1T 1.58V) dio un fallo de memoria a los 58 minutos de test mientras que el otro (Timings 8-8-8-24 1T 1.58V) había completado sin errores 58 pasadas en casi 19 horas de test:

Memtest86+ 2.10: 19 horas en Core i7 3.33 GHz.

Como esperaba, el sistema en el que seleccioné timings de 7-7-7-20 1T falló el test, aunque estoy seguro de que con un voltaje de DDR3 algo superior (1.62V) lo habría superado (Ya lo probé en otro sistema idéntico hace un par de meses).

En este momento, de todos modos, prefiero concentrarme en la estabilidad. Y más sabiendo que la diferencia respecto al 8-8-8-24 1T me aportaría sobre un 1- 2% de velocidad y mayor riesgo de fallo a largo plazo.

Recordar además que Intel recomienda siempre permanecer por debajo de los 1.60 V en VTT (voltaje de DDR3) para proteger el procesador.

Refrigerador Asus Triton 81 con 2 ventiladores de 8 cm.

Como pasta térmica, en ambos he utilizado la excelente Arctic Cooling MX2, una interfaz térmica de viscosidad media, muy fácil aplicación y un sobresaliente rendimiento térmico. Además garantizan una durabilidad de 8 años (!!) y al no tener componentes metálicos es totalmente aislante.

Arctic Cooling MX-2 en jeringuilla de 30g.

Tras haber pasado satisfactoriamente Memtest86+ el sistema a 1333MHz 8-8-8-24 1T 1.58V, he replicado esta configuración en el otro equipo y he instalado en ambos desde cero WinXP Pro con drivers y la infinidad de tests que utilizo por defecto ....

Refrigerador Noctua con dos Tacens 12 cm en push-pull.

He sustituido los dos excelentes ventiladores Noctua del conjunto radiador-ventiladores NH-U12P SE1366 para hacer unas pruebas de rendimiento térmico y acústico de las que en artículos posteriores hablaré.

A modo de avance sobre la tercera parte de este análisis diré que las temperaturas máximas en carga 100% con 8 threads en Prime95 tras tres horas llegaban a 60ºC en el Noctua y 63ºC en el Asus (Temperaturas en el núcleo más caliente del procesador Core i7 a 3.5 GHz) en modo Blend.

Alrededor de 60ºC a 3.5 GHz es una enorme mejora respecto a los 78ºC de la refrigeración estándar IN A BOX Intel con frecuencias nominales (Core i7 920 @ 2.66 GHz) en el mismo test.

Mañana por la mañana veré si han habido errores en Prime95 en modo Blend y con Round off checking activado y si todo ha ido bien seguiré con los demás tests previstos.

En la tercera parte encontraréis las temperaturas máximas y en reposo finales, los resultados de los tests y el montaje ya en las respectivas torres lo que me llevará todavía unos días.

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Dos equipos de altas prestaciones - ProfessionalSAT

Hoy empiezo el montaje y validación de dos equipos basados en los procesadores Intel Core i7, son dos equipos gemelos que formarán parte de un paquete de cuatro sistemas idénticos destinados a exigentes cálculos matemáticos continuos.

Configuración de los sistemas:

• Placa Intel DX58SO iX58
• 3 x 1 GB en 3 canales DDR3 1333 7-7-7-20 1T @ 1.58V Corsair
• Intel Core i7 920 2.66 GHz 2.13 GHz 8 MB L3

Los dos sistemas esperando la configuración inicial de BIOS y el primer test: Memtest86+.

Como refrigeración he elegido dos soluciones diferentes, ambas de gran eficiencia térmica y gran calidad:

• Un Noctua LGA1366 con dos ventiladores Noctua de 12cm en configuración Push-Pull
• Un Asus Triton con dos ventiladores en configuración Push-Pull

Ambos conjuntos de refrigeración son torres con base de cobre, heatpipes de cobre y láminas en aluminio (todo ello bañado en zinc). En el caso del Noctua ha planteado algunos "problemas de montaje". El problema era que la base de anclaje inferior podía entrar en contacto con algunas soldaduras de la parte inferior de la placa base y tuve que recurrir a una solución "imaginativa".

Plástico duro y grueso sujeto por un trozo de Scotch. La pasta tiene su explicación...

Base de anclaje del refrigerador Noctua ya instalada. El celo ya no es necesario.

A la derecha observaréis el plástico aislante para evitar posibles cortos o sorpresas desagradables. La placa base DX58SO de Intel ya trae un back-plate de aluminio brillante (en la foto, debajo de la base Noctua) para anclar el socket LGA1366. Entre ambos he situado pasta térmica Artic Cooling MX2 para asegurar las más bajas temperaturas, pues esta zona está caliente debido a la regulación de voltaje de CPU.

Vista general del Noctua ya montado.

Vista general del Asus Triton ya ensamblado.Serán estaciones de trabajo destinadas a cálculo intensivo "en ventana" y deben estar en servicio ininterrumpidamente sin fallos y sin error alguno en los cálculos. Por ello, el garantizar la absoluta estabilidad del sistema y la exactitud y repetivilidad de los resultados es la primera prioridad.

La segunda prioridad es, como no, el máximo rendimiento. Y ello se logra mediante un estudiado y esmerado overclock y un ajuste de cada parámetro tanto en BIOS como en el sistema operativo.

Detalle del Noctua sobre el LGA 1366, se ven cuatro heatpipes. En primer plano los disipadores azules de los reguladores de voltaje de la Intel DX58SO.

Ventilador de salida del Noctua (Pull).

Detalle de montaje.

Vista lateral del Asus Triton. En primer plano el triple channel DDR3 1333 Corsair.

Ventilador de salida del Asus Triton (Pull).

Detalle de los cuatro heat pipes.

Los dos sistemas ya en marcha ...

Noctua al 100% de velocidad (ventilador Push).

Asus al 100% de velocidad (ventilador Push).

Y tras todo el proceso, así es como los he dejado antes de irme:

3 x DDR3 1333 8-8-8-24 1T @ 1.58V.

3 x DDR3 1333 7-7-7-20 1T @ 1.58V.

Espero, al llegar mañana, ver que han pasado correctamente Memtest86+ y así poder seguir según el plan de montaje y validación previsto. Y si alguno no lo hace, debido a que los he ajustado de diferente modo, (observad los timings) elegir una de las dos configuraciones iniciales.

Equipos gemelos.

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Wikipedia consigue sus 6 M de dólares - ProfessionalSAT

Últimamente habréis visto que al consultar algo en Wikipedia, en la parte superior aparecía un banner con la petición de donaciones para asegurar su mantenimiento para los próximos seis meses y hoy aparece el que muestro:

Según relatan, unas 125000 personas han donado un total de 4 M de dólares y junto con otras donaciones mayores han llegado ya a los 6 millones que necesitaba, según explica su fundador (Jimmy Wales) en el texto inferior, para "cubrir nuestros gastos de operaciones para el actual año fiscal":

Desde este blog celebro que iniciativas de este tipo tengan éxito y hayan sitios tales como Wikipedia donde encontrar información y recursos útiles, por que Internet es mucho más que descargas ilegales ...

Debido a las suspicacias levantadas por esta forma de trabajar, habría que someter a auditoría a las organizaciones de este tipo (mantenidas mediante donativos anónimos) con vistas a aclarar su situación financiera y determinar a donde exactamente van los fondos de los donantes.

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