Tecnologie informatiche: gestione del calore nei dispositivi elettronici

Tecnologie Informatiche 2023/24

2023/24 Tecnologie informatiche PRIMA TL-CAT (VERS 0.1) PARTE 3 ANTONIO PINNA1 ISTITUTO DI ISTRUZIONE SUPERIORE Spdo "tecnico scatole "G.M. DEVILLA" SASSARI

Introduzione al Computer e Smartphone

In questa terza parte si riprenderà il viaggio all'interno delle varie parti del computer e di riflesso anche degli smartphone. Una volta Si illustreranno le schede grafiche e le GPU; si approfondirà la parte video illustrando come viene costruita l'immagine in un monitor e come avvengono le trasmissioni in streaming.

Dissipazione Energetica

Il computer come ogni dispositivo elettronico ed elettrico consuma energia per funzionare. Aprendo un computer di tipo tower il primo elemento vitale per il suo funzionamento è l'alimentatore; nei dispositivi portatili l'elemento essenziale è la batteria insieme all'alimentatore esterno che la carica.

L Disc Depot U e a 1 il circuito elettronico scalda a 0 non scalda. Come tutti i circuiti percorsi da corrente, il computer e le sue componenti tendono a scaldare per via dell'effetto Joule (lo stesso usato dalle stufette elettriche); esso afferma che il calore emesso da un filo conduttore e direttamente proporzionale al quadrato della corrente che lo attraversa. Ne consegue che ogni volta che il bit

Un altro fattore da tenere in considerazione è la frequenza: ovvero il numero di volte che il bit cambia da 0 a 1 in un secondo. Come si può intuire maggiore sarà la frequenza di questo cambio maggiore sarà la richiesta di corrente.

Calore e Consumo Energetico

one. it W= R 12 t ww R Ricapitolando i fattori da tenere in considerazione per quanto riguarda il consumo di energia e quindi la dissipazione sono:

• Intensità della corrente elettrica: dovuta essenzialmente alla complessità architetturale dei vari componenti (specialmente CPU e GPU)
• Frequenza di funzionamento, ovvero la velocita con cui si decide di far funzionare i vari componenti.2

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Il calore oltre una certa temperatura può causare malfunzionamenti e se non correttamente disperso nell'ambiente circostante può portare alla fusione del componente elettronico. Questa problematica affligge tutti i componenti ma in particolare la CPU e la GPU. È quindi necessario trovare un metodo per poterle raffreddare in maniera efficiente.

Dissipazione Passiva

La prima tecnica di dissipazione del calore proveniente dalla CPU o dalla GPU è quella della dissipazione passiva: si sfrutta la capacità dei metalli di condurre in maniera efficace il calore. È noto infatti che i metalli (fra questi l'alluminio) hanno una alta conducibilità termica. Appoggiare quindi una massa metallica sopra la CPU permette di togliere il calore in eccesso alla CPU e trasferirlo per convezione (moti convettivi del calore) all'ambiente; in partica si sfrutta lo stesso principio dei termosifoni, solamente che in questo caso lo scopo non è quello di riscaldare la casa ma, bensì, far andare via il calore dall'elemento di alluminio.

Un'altra caratteristica che possiedono i dissipatori oltre è la tipica forma lamellare. Questo tipo di struttura è in realtà un altro trucco che si usa per disperdere il calore: ovvero l'aumento della superficie radiante. Maggiore è la superficie esposta all'aria di un oggetto maggiore sarà la sua velocità di raffreddamento: questo si ottiene, a parità di volume, costruendo il blocco dissipativo come sottili fogli di metallo vicini fra loro come in figura.

Dissipazione Attiva

Spesso la dissipazione passiva non basta, pertanto l'aria calda che si forma in prossimità delle lamelle del dissipatore ha bisogno di essere dispersa nel più breve tempo possibile e scambiata con aria più fresca. Questo compito e affidato ad una ventola e ad un circuito di controllo.3

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In prossimità dell'elemento da raffreddare viene posto un sensore di temperatura che legge la temperatura della CPU. Un software, solitamente parte del firmware, AMD .AdN si occupa di leggere il valore di temperatura ed azionare la ventola quando viene superata una certa soglia. Una volta che l'elemento è raffreddato la ventola viene spenta. Questa situazione è 1 ben conosciuta da chi gioca con le console: ad esempio nella Playstation, che possiede un sistema di raffreddamento simile a quello appena descritto, quando si sta giocando con dei videogiochi impegnativi dal punto di vista della grafica e quindi del calcolo (ad esempio Fortnite) si sente la ventola che si accende frequentemente.

Problemi di Accumulo Polvere

Il problema della dissipazione passiva Thermal zone Fan device DO/D3 e attiva da PC mediante uso di ventola e quello relativo all'accumulo di polvere Notify(0x80) On/off Firmware (ACPI) fra le lamelle. Come è intuibile Hardware (EC) l'accumulo di polvere ostruisce le Temperature sensor superficie di dissipazione oltre che Fan diminuire la conducibilità termica. Quanto appena detto, nel caso di dissipazione attiva, causa un maggior intervento della ventola in quanto la temperatura della CPU scende lentamente o nei casi limite non scende.

Quando l'intasamento della polvere e eccessivo la temperatura non scende, anzi a volte tende a salire per il mancato raffreddamento del componente; in una situazione simile il processore dovrebbe fondere, ma spesso esiste, collegato al sensore di temperatura, un circuito di emergenza che stacca l'alimentazione causando l'arresto improvviso della macchina.

Raffreddamento a Liquido

Un secondo esempio di dissipazione passiva e quella data dal raffreddamento a liquido. Le lamelle del dissipatore sono immerse in una soluzione di liquido refrigerante (solitamente R134a usato anche nei condizionatori di casa) e un apposito circuito idraulico si occupa di far girare il liquido per portarlo ad un elemento esterno di raffreddamento (radiatore), in maniera simile a X quanto fatto per le automobili. Questa soluzione e molto efficiente ma delicata e costosa, viene utilizzata in grosse Workstation, nei super computer o in costose macchine da gaming.

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Heat In 3 5 High Temperature High Pressure Vapor State Low Temperature Low Pressure Vapor State Heat Out Refrigerant: R134a (Industry Standard) 4 6 1 1 Low Temperature Low Pressure Liquid State 8 7 Low Temperature High Pressure Liquid State

Dissipazione in Tablet, Smartphone e PC Portatili

LA DISSIPOAZIONE NEI TABLET, SMARTPHONE, PC PORTATILI Anche nei Tablet e Smartphone abbiamo, seppur in maniera minore, problemi di dissipazione. Si rende quindi necessario trovare una soluzione che consenta di risparmiare spazio ma di dissipare in maniera efficiente. A questo proposito si usano delle strisce adesive in rame che, essendo un buon conduttore di calore, riesce a spostare il calore in eccesso dalla CPU allo chassis dello smartphone.

Allowing for slimmer smartphone design

Architetture ARM e Consumo Energetico

Ma la riduzione del calore avviene anche a livello architetturale, è noto che la maggior architettura con cui sono prodotti i chip di smartphone e tablet è ARM. Le architetture ARM consumano meno energia rispetto ad altre come x86 (quella usata per i PC) principalmente per due motivi:

• Approccio alla progettazione: esse sono progettate per ottimizzare le risorse, il che significa che tendono a consumare meno energia e a produrre meno calore
• Set di istruzioni semplificato (RISC): A differenza delle CPU x86, che utilizzano un set di istruzioni complesso (CISC), le CPU ARM utilizzano un set di istruzioni ridotto (RISC). Questo significa che le operazioni eseguite da una CPU ARM sono più semplici e richiedono meno transistor, il che si traduce in un minor consumo di energia

Inoltre, i processori ARM sono spesso integrati come System on a Chip (SoC), il che significa che tutti i componenti necessari (CPU, GPU, RAM, ecc.) sono integrati in un unico chip, riducendo ulteriormente il consumo di energia dovuto alla lontananza dei componenti in un PC normale.5

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Nei portatili, quelli più performanti, a differenza dei Tablet è prevista la dissipazione attiva (come in figura), oltreché che la riduzione delle prestazioni (ad esempio il dimezzamento della velocità di clock). Questo oltre a diminuire il riscaldamento dei componenti serve anche per evitare il forte consumo quando sono alimentati a batteria.

MINOTEBOOKCHECK

Il Clock del Computer

CLOCK Il clock di un computer è un componente fondamentale che regola il tempo e la sincronizzazione delle operazioni all'interno del sistema. È un oscillatore elettronico che genera impulsi elettrici a una frequenza costante, misurata in Hertz (Hz), che determina la velocità a cui il processore esegue le istruzioni e sincronizza altre componenti come la memoria e gli input/output. In sostanza, il clock funge da "metronomo" per il computer, garantendo che tutte le operazioni avvengano in modo coordinato e tempestivo.

Il clock solamente non basta a determinare la potenza di calcolo di un sistema in esso intervengono altri fattori quali il numero di core, l'architettura utilizzata etc.

Un tempo l'affermazione che più alto fosse il clock più il PC era potente (nel senso della capacità di calcolo) era vera, ora questo tipo di considerazione non ha più senso se non corredata da altre caratteristiche.

Se si guarda il clock con uno strumento in grado di visualizzare gli impulsi elettrici avremo una caratteristica come in figura:6

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File 1 Vertical ++ Timebase " Trigger Display Cursors Measure Math Analysis * Utilities Support C1 C1 FLT DC1M Timebase 0.00 ms Trigger C1 DC 500 mV/div 500 us/div Auto 1.590 V -1.54500 V 12.5 MS 2.5 GS/s Edge Positive TELEDYNE LECROY

Ogni volta che l'impulso è a livello alto (1,68 V) una istruzione elementare viene eseguita.

Frequenze di Clock dei Processori Moderni

Le frequenze di clock dei processori moderni possono variare notevolmente a seconda del modello e del produttore. Tuttavia, è comune vedere processori che operano a frequenze nell'ordine dei gigahertz (1 GHz = 1 miliardo di variazioni al secondo). In seguito ecco alcune frequenze per modello di processore:

Processori per PC Desktop

• Processori Intel Core i7 / AMD Ryzen 7: Frequenze di clock fino a 5 GHz.
• Processori Intel Core i9 / AMD Ryzen 9: Frequenze di clock fino a 5.5 GHz.

Processori per Laptop e Dispositivi Mobili

• Processori Intel Core i5 / AMD Ryzen 5: Frequenze di clock fino a 4 GHz.
• Processori Intel Core i7 / AMD Ryzen 7: Frequenze di clock fino a 4.5 GHz.

Processori per Smartphone e Tablet

• Processori Snapdragon serie 800 (es. Snapdragon 888): Frequenze di clock fino a 3 GHz.
• Processori Apple A14 Bionic (usato in iPhone 12): Frequenze di clock fino a 3.1 GHz.

Le frequenze di clock nei dispositivi mobili tendono ad essere inferiori rispetto ai dispositivi desktop e laptop a causa delle esigenze energetiche e delle limitazioni di dissipazione del calore tipiche di dispositivi più compatti.

Il Video

IL VIDEO Una parte importante nella scelta di un PC o di uno smartphone è la parte video. Questo paragrafo vuole dare un'idea dei fattori da tenere in considerazione per la scelta di un 9/11/2013 12:22:21 PM