Elements de conception pour waterblocks – Page 1

Qu’est ce qu’un bon waterblock ? C’est un échangeur capable de maintenir la zone de contact avec le processeur la plus froide possible. Bien refroidir requiert plusieurs choses qui vont être détaillées dans cet article. S’il n’est pas difficile de faire un bloc basique qui refroidira « normalement » il en va autrement pour un bloc qui soit le plus performant possible face à l’augmentation de la puissance à dissiper. Cet article ne se veut ni exhaustif car les possibilités de blocs sont infinies, ni destiné à la recherche du waterblock ultime, mais plutôt pour donner des pistes et comprendre un peu mieux les choses pour une conception personnelle. La diversité des waterblocks est tellement grande qu’il est difficile d’en faire le tour, même si l’on peut dégager des grands groupes.

Aspects théoriques et pratiques

Tout d’abord, il ne faut pas penser qu’un faible débit est obligatoire dans le waterblock pour que l’eau ait le temps d’absorber la chaleur. Ceci est tout le contraire de ce qu’il faut faire pour obtenir un échange thermique correct ! Je ne dis pas que les blocs qui occasionnent un débit faible, du fait de leur structure, ne sont pas bons, mais ils ont d’autre atouts, tout est histoire de compromis. Un débit plus élevé améliorerait leurs performances de toute façon, on peut plutôt parler de vitesse du fluide que de débit (les 2 sont liés) car c’est elle qui dictera les capacités d’un écoulement à absorber la chaleur des parois. Ce que l’on souhaite obtenir c’est une résistance thermique globale pour le bloc la plus faible possible pour un débit donné. Cette résistance, communément appelée Rth, a pour unité des °C/W :

Voilà les résistances thermiques globales de quelques blocs connus évalués sur le banc de test de Bill Adams. Différentes conceptions s’affrontent et en déduit le meilleur indépendamment du circuit. Attention, le C/W n’est pas le seul facteur qui permette vraiment de départager les blocs dans un circuit puisque les pertes de charges (PDC) associées sont différentes, et donc le débit les traversant est différent. On doit utiliser la courbe Rth en fonction des pertes de charges que l’on verra plus tard. Le débit du circuit va varier lorsque l’on changera juste le bloc, c’est pour cela que les classements que l’on voit sur la majorité des sites sont inexacts : d’une part il y a un manque sévère de précision et de non prise en compte des conditions de montage dans la procédure de test (quand elles ne sont pas complètement farfelues…), et d’autre part le classement obtenu dépend du circuit utilisé (pompe, radiateur, longueur tubes, coudes, etc.) qui est différent du votre. Si vous utilisez une pompe faible débit avec un bloc conçu pour très peu le casser (peu de PDC) et être performant à plus « haut débit », le bloc sera complètement sous-exploité et sera très mal classé. Il suffit de changer la pompe par une plus puissante pour voir le classement complètement chamboulé.

Prenons l’exemple de l’Atlantis. Sachant qu’il casse peu le débit, un circuit comportant une petite pompe 300 L/h aura un débit global d’environ 100-150 L/h avec tous les éléments. Si d’autres blocs à PDC plus élevées mais performants à faible débit sont testés sur ce circuit, l’Atlantis se retrouvera bon dernier à priori puisque sa Rth atteint environ 0.28 °C/W sur le banc d’essais. Maintenant vous changez seulement la pompe en prenant une 1000 L/h, l’Atlantis va pouvoir laisser passer beaucoup plus de débit que les autres blocs qui sont très résistifs. En accord avec sa courbe de Rth on voit qu’il est très réceptif à l’augmentation du débit et ses performances augmentent très vite avec celui-ci contrairement à un REV3 par exemple. La différence avec les autres blocs en terme de température obtenue va considérablement se réduire et l’Atlantis pourra sûrement passer devant certains blocs, ce qui change complètement le classement et l’idée qu’on se fait de ce bloc. Dans un cas on se dira « Il est nul ! » et dans l’autre « Il est bien ! », ce n’est pas franchement génial pour trancher la question des performances ! Il suffit de tracer une horizontale à C/W = 0.23 °C/W par exemple pour voir que chaque bloc présenté peut avoir exactement les mêmes performances à un débit différent, il suffit juste de pouvoir l’atteindre. Dire qu’un bloc est meilleur qu’un autre sans autre information ne veut rien dire du tout !

Imaginons maintenant qu’on soit à 300 L/h avec un REV3 et de l’eau à l’entrée du bloc à 25 °C, la température du processeur (70 W dissipés) serait égale à (T°eau + Rth * Puissance) soit à 25+0.235*70 = 41.45 °C sur le banc de test schématisé ci-dessous avec les différentes résistances thermiques qui interviennent dans la mesure :

Nota : Si l’on veut transposer çà à une situation plus « réelle », la température sera moindre car une partie de la Rth obtenue provient du banc d’essai lui-même. Le banc est conçu pour assurer une comparaison contrôlée de divers blocs et non pas donner des températures « réelles » puisque dans la réalité divers points sont incontrôlables et variables d’une machine à une autre (taille core, pâte, serrage, placement de la sonde, points chauds, pertes secondaires variables, etc.). Les points de mesures ne peuvent être physiquement placés sur la base au contact avec le core. Le positionnement des sondes de température calibrées au 1/100ème de degré sur le banc d’essai induit de traverser une certaine quantité de métal et donc offre une certaine résistance thermique. On ne place pas non plus la sonde qui a un diamètre non nul directement dans le core sous la zone de contact pour ne pas perturber la répartition des températures dans le die.

On constate bien que plus il y a de débit, plus le bloc est performant (comme un radiateur lorsque le ventilateur souffle plus fort), car l’écoulement est de plus en plus turbulent et capable d’absorber efficacement la chaleur. Que l’on soit à 50 L/h ou 500 L/h, l’eau absorbe intégralement toute la puissance, 70 W si le processeur dégage 70 W (on négligera les pertes secondaires dans le socket). Ce qui occasionne la différence de température observée entre 50 L/h et 500 L/h sur le processeur, c’est le fait que la température se répartisse différemment dans le bloc suivant l’écoulement.

Un bon bloc est usiné dans un matériau avec la plus grande conductivité thermique possible. Le cuivre est tout désigné pour des raisons de coût et de facilité d’approvisionnement. L’argent est beaucoup plus cher et un peu inutile vu la faible différence de conductivité entre les 2 métaux. Il faut également toujours prendre un métal le plus pur possible, car ses performances en thermique chutent vite dès qu’il est allié avec d’autres métaux.

D’un point de vue local on a la relation Q = h*S*Delta(T), on a donc 2 paramètres : h (coefficient de convection) et S (surface) sur lesquels jouer, Q étant la puissance à dissiper. Le Delta(T) est la différence de température entre l’eau et la surface. Le bloc devra posséder une surface importante là où c’est nécessaire (le plus au dessus du core possible) pour augmenter la surface mouillée et un écoulement avec la plus haute vitesse possible pour avoir un coefficient de convection h le plus grand possible qui garantira un écoulement intéressant. Le paramètre h va dicter en partie la répartition des températures. C’est en quelque sorte la force avec laquelle en un point donné sur la paroi l’eau est capable d’absorber la puissance. Allier les 2 choses à la fois n’est pas forcément évident car h et S s’influencent mutuellement… Par exemple, si on désire augmenter la surface cela va créer des pertes de charges plus élevées si l’on créé des canaux étroits par exemple, ces PDC vont faire baisser le débit admissible et donc faire baisser h. On gagne d’un coté mais on perds de l’autre, tout l’art est de concilier les 2 pour obtenir le meilleur compromis pour un design donné.

Ce que l’on veut donc c’est diminuer la résistance thermique globale du bloc, les autres résistances étant peu influençables et concerne principalement la pâte thermique et le contact qui se décompose ainsi :

• les résistances de contact sur les surfaces dépendent de la viscosité de la pâte thermique, de sa nature, de la pression de serrage, de l’aire des surfaces en contact, de l’état de surface ainsi que de la manière dont la pâte a été appliquée. Pour les minimiser il faut une pâte assez fluide et facilement étalable pour la faire pénétrer dans les minuscules crevasses à la surface du bloc.
• la résistance de la pâte thermique est due à son épaisseur donc à la pression de serrage et à sa nature. Une pâte à haute conductivité thermique est souhaitable (~7 W/m.K) pour réduire cette résistance ainsi qu’une viscosité pas trop importante pour créer une épaisseur fine (de l’ordre de 0.05 mm à 0.1 mm). Une pâte à 7 W/m.K d’une épaisseur de 0.05 mm sur un core 10×10 mm occasionne une hausse de température entre ses 2 faces de contact et pour 100 W qui la traversent de 100*(0.00005/(7*0.012) = 7.1 °C. En réalité c’est un peu moins puisque le core et le bloc se touche sur environ 2% de leurs surfaces par contact direct métal/métal et la couche de pâte n’est pas uniformément répartie. Cette pâte compte donc pour beaucoup dans la température que l’on obtient pour le core, 20 à 50% suivant si le bloc est bon ou pas. Il faut donc en mettre le moins possible car c’est une véritable barrière thermique, en attendant des interfaces bien meilleures que nous apporterons les pâtes nano-particulaires par exemple.

On va donc étudier chaque résistance qui intervient dans la performance d’un bloc :

• résistance thermique de contact processeur-waterblock
• résistance thermique de la base du waterblock
• résistance thermique de convection