Projeto de refrigeração de CPU/GPU com Peltier – Primeiros testes da Cold Plate

Fala pessoal, tudo certo?

Cerca de dois anos atrás postei por aqui aquele que seria o início do meu trabalho de conclusão de curso, basicamente montar um sistema de refrigeração de CPUs/GPUs usando pastilha peltier. De 2016 pra cá, algumas coisas no projeto acabaram mudando por uma série de fatores como os custos envolvidos, complexidade adicional, limitação do sistema de watercooler e tempo.

Em relação ao conteúdo do primeiro post, a principal alteração é que agora será usada apenas uma pastilha e com isso, o desenho da cold plate acabou mudando um pouco. A motivação para ter tomado essa decisão é simplificar o design do conversor DC-DC, aliviar a barra pro lado do meu watercooler pois a dissipação de duas dessas TEC-12726 chega a ser algo insano e por fim também facilitar a minha vida, já que a ideia do trabalho é produzir mais um “PoC” (Proof of Concept) do que algo comercial.

Sobre a cold plate, foram fabricadas duas peças idênticas em cobre e que basicamente tem metade do comprimento da peça que havia desenhado para uso com duas pastilhas. Como é possível ver na foto abaixo, ela comporta uma pastilha de 50mm x 50mm com conforto! 😀

O procedimento de instalação é bastante simples, apenas precisei ir atrás de parafusos mais longos do que os originais que vem no bloco devido a altura extra que o combo Peltier + Cold Plate apresentam e no demais, aproveitei todos os outros componentes do kit de montagem fornecidos pela Alphacool.

Para esse primeiro teste, liguei a pastilha diretamente em uma fonte 12V – 30A que o pessoal costuma utilizar na alimentação de sistemas CCTV, o que implica que ainda não tenho nenhum controle sobre a condição de operação do peltier naquilo que diz respeito a ajustar os parâmetros de funcionamento para evitar condensação, o que justifica o isolamento da placa-mãe… Como dizem por ai “Better safe than sorry” 🙂

Vamos aos resultados! Para isso utilizei a seguinte configuração:

CPU: AMD Sempron 150

MOBO: ASUS M5A99X EVO R2.0

RAM: 2x2GB G.Skill PI 2200 CL7

GPU: GeForce GT210

SOFTWARE: Windows 7 SP1 x64 + Cinebench R11.5 x64 + HWMonitor 1.35 + CPU-Z

Objetivo dos testes: Verificar o comportamento do cold plate em relação a temperatura do CPU (tdie) e ter uma noção melhor de até onde posso exigir do meu watercooler, visando facilitar a programação e posterior ajuste do sistema de controle. Maiores detalhes de como foram conduzidos os testes e medições estão contidas no texto a seguir. No dia em que realizei os testes, a temperatura ambiente era de 29.4ºC.

Como já foi dito, o trabalho está sendo tratado como um “PoC”, o que significa que não existe a necessidade de se usar um CPU com TDP alto pois isso complicaria e muito a minha vida por uma série de fatores que vão desde limitação da pastilha (estou adotando Potência da pastilha = TDP*4 para o dimensionamento) até ao aumento considerável da dissipação de calor do lado quente, o que faria meu watercooler sofrer. Por essas razões acabei escolhendo o Sempron 150 como cobaia no desenvolvimento do projeto, um CPU single core, com TDP baixo (45W) e que escala muito bem com temperaturas baixas. 🙂

Para obter os dados, instalei um termopar na cold plate e usei o HWMonitor para fazer a leitura da temperatura do CPU (tdie) sendo que a princípio deixei o sistema em idle parado no desktop com o CPU @ 4650 1.55V visando aferir a diferença de temperatura entre o coldplate e o sensor do CPU e com isso cheguei nos seguintes dados:

O delta observado foi de 4.1ºC com o sistema em idle e operando em uma faixa de temperatura que invariavelmente ocorrerão problemas de condensação no cold plate. É esperado que esse delta aumente com o CPU sob stress pois o mesmo não usa solda entre o DIE e o IHS, comprometendo um pouco a condução de calor ali.

Para testar o comportamento com o CPU sob stress, usei o Cinebench R11.5, que nesse CPU demora bastante tempo para completar, rodando nesses mesmos 4650 1.55V citados anteriormente e os seguintes resultados foram obtidos:

Como era esperado, o delta aumentou em relação a idle e foi de 9.3ºC. Uma forma de diminuir essa variação é fazer delid no CPU e usar ele direct-die, o que é perfeitamente viável no caso desses Sempron AM3+ e algo que já testei uns tempos atrás usando um Sempron 145. Apenas para ficar registrado aqui, ainda que brevemente, a galeria abaixo tem algumas fotos dessa sessão do Sempron 145 e um resultado no Cinebench:

Ainda sobre os resultados obtidos com o Peltier, essa cold plate @ 13.7ºC implica que para uma temperatura ambiente de 29.4ºC, o máximo de umidade admissível no ar para que não haja condensação seria cerca de 35%… Percebem o porque da necessidade de elaborar um sistema de controle no caso de querer se usar algo assim diariamente? Isso tende a ser um problema ainda maior quando as temperaturas em idle caem abaixo dos 0ºC e em carga ficam acima disso pois nesse processo de “congela e descongela”, acaba-se formando um pequeno pântano no socket que nem o melhor dos isolamentos resolve e dai-lhe instabilidade! 🙁

Por fim, existe uma formula para se calcular a temperatura mínima para uma certa condição de umidade em que não vai ocorrer condensação e portanto, existem várias calculadoras online como essa que podem fazer o “serviço sujo” para nós. 🙂

Como um “bônus”, abaixo uma validação do clock máximo que consegui nesse Sempron 150 usando o Peltier, nada mal se me perguntarem o que eu acho!

Validação 4.8ghz: https://valid.x86.fr/ri8j76

Por enquanto é só! Nas próximas semanas devo trazer mais novidades sobre o projeto e mais uns “monstrinhos” novos bem interessantes… Até a próxima!