Repositorio Institucional de Documentos

Proyecto Fin de Carrera Refrigeración de un procesador de baja potencia mediante aceite: modelado y análisis Autora: María Elena Velázquez Hernández Departamento de Ingeniería Mecánica Área de Máquinas y Motores Térmicos Universidad de Zaragoza Director Universidad de Zaragoza Proyecto Fin de Carrera Ingeniería Industrial Refrigeración de un procesador de baja potencia mediante aceite: modelado y análisis experimental María Elena Velázquez Hernández Mecánica Área de Máquinas y Motores Térmicos Departamento de Informática e Ingeniería de Sistemas Universidad de Zaragoza Director : José María Marín Herrero Zaragoza, Junio 2012 Refrigeración de un procesador de baja potencia mediante aceite: modelado y análisis Departamento de Informática e Ingeniería de Sistemas Universidad de Zaragoza A GRADECIMIENTOS Quiero expresar mi gratitud a todas las personas que han hecho posible la realización de este proyecto. Especialmente a mi director, José María Marín por brindarme en todo momento su ayuda y sus consejos. Agradecer también a Darío Suárez Gracia, Carlos Gracia y Alfonso Gracia del departamento de Informática e Ingeniería de Sistemas y a Beatriz Rodríguez y José María Pérez del departamento de Ingeniería Mecánica por brindarme su atención y ayuda siempre que lo he necesitado. Asimismo, me gustaría agradecer a todos los miembros del Grupo de Investigación de Ingeniería Termal y Sistemas Energéticos, por hacer de este tiempo un período de trabajo realmente agradable. Gracias por vuestra simpatía y amabilidad. Desearía agradecer igualmente a mis amigos y compañeros, por estar ahí durante estos años, y especialmente a Aitor, por su comprensión y su cariño. Finalmente, gracias a mi familia por su confianza, su paciencia y su apoyo incondicional. Muchas gracias a todos. R EFRIGERACIÓN DE UN PROCESADOR DE BAJA POTENCIA MEDIANTE ACEITE : M ODELADO Y ANÁLISIS EXPERIMENTAL R ESUMEN La tendencia actual en la concepción y diseño de nuevos procesadores es la de compactar sus componentes en el menor espacio posible sin que esto afecte significativamente a su rendimiento y eficiencia lo cual aumenta considerablemente la densidad de potencia ya que su consumo no disminuye. Gran parte de este aumento de potencia consumida acaba disipándose en forma de calor lo cual deriva en la necesidad de incluir sistemas de refrigeración más sofisticados y eficientes. Así mismo, hay que tener en cuenta la dificultad existente para relacionar la temperatura que se alcanza en el microprocesador con su arquitectura interna, ya que la información necesaria no está a disposición pública. Además, existe una creciente tendencia a refrigerar los ordenadores mediante otros sistemas que no sean el típico radiador con su correspondiente ventilador. Esto es debido sobre todo a nivel usuario al ruido que produce dicho ventilador mientras el ordenador está en marcha y también al consumo que conlleva a largo plazo tener en marcha ese ventilador sobre todo a gran escala, como puede ser en centros de cálculo. En este contexto, los departamentos de Ingeniería Mecánica y de Ingeniería de Sistemas Informáticos de la Universidad de Zaragoza colaboran en el Proyecto de la refrigeración de un procesador de baja potencia mediante aceite que sirve de continuación a otros proyectos realizados con anterioridad en este campo y para aprovechar los resultados que se obtengan sobre el tema para la enseñanza de futuros estudiantes tanto de Ingeniería Industrial como de Ingeniería Informática. El principal objetivo de este proyecto es el estudio de la refrigeración de un procesador de bajo consumo con aceite y la implementación de una plataforma para la realización de medidas de la temperatura en distintos puntos de dicho procesador y del consumo que tiene bajo la ejecución de distintos programas. Para alcanzar este resultado ha sido necesario recopilar los datos y comparar los resultados experimentales obtenidos con distintos modelos de simulación. 4 Í NDICE R ESUMEN ................................................................................................................ 3 L ISTA DE SÍMBOLOS .................................................................................................... 6 1. I NTRODUCCIÓN ................................................................................................ 7 1.1. Antecedentes ...................................................................................................................... 7 1.2. Generación de calor en un microprocesador ..................................................................... 7 Consumo de un circuito integrado ........................................................................................ 8 1.3. Motivación y justificación del proyecto .............................................................................. 9 1.4. Objetivos y alcance ............................................................................................................. 9 1.5. Contenido de la memoria ................................................................................................. 10 2. C ÁLCULO TEÓRICO PREVIO ................................................................................. 11 2.1. Condiciones iniciales ......................................................................................................... 11 2.2. Cálculo de la refrigeración del microprocesador por convección natural ........................ 11 2.3. Replanteamiento del problema ........................................................................................ 12 2.4. Cálculo de la refrigeración por convección forzada .......................................................... 14 2.5. Solución final: refrigeración con Radiador ........................................................................ 15 3. M ETODOLOGÍA DE SIMULACIÓN ......................................................................... 16 3.1. Consideraciones iniciales .................................................................................................. 16 3.2. Modelado y condiciones de contorno consideradas ........................................................ 16 3.3. Parámetros de control de mallado ................................................................................... 21 3.4. Opciones de simulación en FLUENT.................................................................................. 22 3.5. Resultados de simulación ................................................................................................. 30 3.5.1. Simulación con el modelo 2D realizando la refrigeración por convección natural ... 33 3.5.2. Simulación con los modelos 2D 3, 6, 9 y 15 realizando la refrigeración mediante convección forzada .............................................................................................................. 34 3.5.3. Simulación con los modelos 3D 19 y 21 .................................................................... 36 4. M ETODOLOGÍA DE E NSAYO ............................................................................... 37 4.1. Instalación del laboratorio ................................................................................................ 37 4.2. Toma de datos .................................................................................................................. 38 4.3. Tipos de ensayo ................................................................................................................ 40 4.3.1. Ensayos llevados a cabo a baja frecuencia ................................................................ 40 4.3.2. Ensayos llevados a cabo a alta frecuencia ................................................................. 41 4.4. Cálculo del tiempo de ensayo ........................................................................................... 41 5 4.5. Resultados obtenidos ....................................................................................................... 42 4.5.1. Ensayos a baja frecuencia .......................................................................................... 42 4.5.2. Ensayos a alta frecuencia .......................................................................................... 45 5. C OMPARACIÓN DE LOS RESULTADOS .................................................................... 47 6. C ONCLUSIONES .............................................................................................. 49 6.1. Marco temporal e incidencias .......................................................................................... 49 6.2. Valoración del trabajo realizado ....................................................................................... 49 6.3. Líneas futuras.................................................................................................................... 49 B IBLIOGRAFÍA ......................................................................................................... 51 A NEXO A. C ONCEPCIÓN Y M ONTAJE DE LA INSTALACIÓN ............................................... 54 A.1. Componentes de la instalación ......................................................................................... 54 A.2. Montaje de la instalación ................................................................................................. 55 A NEXO B. E CUACIONES DEL CÁLCULO EN EES ............................................................ 60 B.1. Datos y dimensiones ......................................................................................................... 60 B.5. Archivo completo EES ....................................................................................................... 62 A NEXO C. D ATOS Y R ESULTADOS DE SIMULACIÓN ....................................................... 65 C.1. Datos de los materiales empleados .................................................................................. 66 C.2. Resultados modelos 2D refrigerados por convección forzada ......................................... 67 Í NDICE DE T ABLAS ................................................................................................... 71 L ISTA DE SÍMBOLOS A: Área (m 2 ) a: Longitud del chip (m) b: Anchura del chip (m) c p : Calor específico a presión constante (J/kg K o KJ/kg K) g: Aceleración de la gravedad (m 2 /s) h: Coeficiente de convección del calor (W/m 2 K) L: longitud característica de un objeto (m) q: calor que circula por unidad de tiempo (W) q”,q” s : Flujo de calor (W/m 2 ) T: Temperatura (K, ºC) Letras griegas β: Coeficiente de dilatación isobaro      ·     ·   λ: Conductividad térmica (W/m K) µ: Viscosidad dinámica (P a s) ν: Viscosidad cinemática (m 2 /s) ρ: Densidad (kg/m 3 ) τ: Constante térmica de tiempo (s) 1. I NTRODUCCIÓN 7 1. I NTRODUCCIÓN 1.1. A NTECEDENTES Las áreas de Máquinas y Motores Térmicos y de Ingeniería de Sistemas e Informática de la Universidad de Zaragoza han colaborado durante varios años en la realización de distintos proyectos fin de carrera tanto de estudiantes de Ingeniería Industrial como de Ingeniería Informática para estudiar el impacto térmico de la ejecución de distintos programas sobre el procesador. Hasta ahora sólo se había trabajado con procesadores de altas prestaciones. Se han llevado a cabo distintas investigaciones sobre la refrigeración de procesadores desde el punto de vista informático e industrial. La idea del estudio viene de la primera plataforma de medida que se instaló que fue la correspondiente a la refrigeración de un procesador de altas prestaciones mediante aceite de cocina. Hasta ahora se había estado trabajando con una plataforma de medida implementada sobre un Pentium 4 [1] [2]. Sobre este último han sido llevados a cabo distintos proyectos fin de carrera en los que se ha estudiado en profundidad su consumo y se ha intentado distinguir el consumo dinámico del estático y a través de ellos se ha logrado desarrollar y mejorar la toma de medidas. En [2] se desarrolló el software del driver del conversor, la sincronización con el dispositivo de medida de consumo y se realizó un programa para la obtención de los datos del sensor del procesador. Actualmente hay un estudiante de Ingeniería Industrial que se encarga del modelizado y análisis térmico del Pentium 4 cuyo proyecto fin de carrera está en curso todavía. A partir de estos estudios previos se decide enfocar el estudio de la refrigeración de un nuevo procesador, en este caso de bajo consumo, que será el objeto del presente proyecto fin de carrera. 1.2. G ENERACIÓN DE CALOR EN UN MICROPROCESADOR El procesador es el circuito integrado central de un sistema informático. Este circuito está constituido por millones de componentes electrónicos y su componente más activo térmicamente es la unidad central de procesamiento (CPU) de un ordenador. Se encarga de la ejecución de los programas desde el sistema operativo hasta las aplicaciones de usuario. Otros componentes de la pastilla son las memorias cache que generan una menor cantidad de calor, pero cuya localización se mantiene en secreto por los fabricantes de los procesadores. El microprocesador está conectado a la placa madre del ordenador. Normalmente consta de un sistema de refrigeración compuesto por un disipador de calor fabricado en algún material de alta conductividad térmica, como cobre o aluminio, y de un ventilador que 1. I NTRODUCCIÓN 8 fuerza la expulsión del calor absorbido por el disipador; entre éste último y la cápsula del microprocesador suele colocarse pasta térmica para mejorar la conductividad térmica. F IGURA 1.1C OMPONENTES DE UN PROCESADOR (F UENTE [3]) En la imagen 1.1 se describe a modo de esquema con anotaciones en inglés la refrigeración de u n procesador que lleva un radiador (en inglés heatsink) y un ventilador para refrigerar de forma forzada (fan). Consumo de un circuito integrado El consumo de energía en tecnologías sub-microscópicas comprende dos componentes principales, consumo estático y consumo dinámico. La potencia estática se disipa por distintas fuentes de pérdidas, especialmente por la pérdida de corriente inferior a la corriente umbral de una puerta denominada corriente de fuga,   . Se consume bastante energía incluso con el procesador parado. La potencia dinámica se disipa debido a la carga y descarga de capacidad cuando los transistores cambian de estado: de 0 a 1 o viceversa. Normalmente no existe una indicación de los fabricantes que desglose y distinga entre ambos consumos, incluyéndose en las hojas de características del procesador solamente el consumo máximo. En [4] se encuentra la fórmula que indicaría de forma desglosada el consumo total de un procesador en funcionamiento:           ·  ·!   ·  1.1 donde   es la suma del consumo estático y dinámico. El consumo dinámico,   , es el producto de la capacidad media, por el potencial de alimentación,   , al cuadrado y por la 1. I NTRODUCCIÓN 9 frecuencia f. El consumo estático es el potencial de alimentación por todas las corrientes de fuga,   . Se tiene una descripción más detallada de todas las pérdidas de energía que tienen los transistores que componen un circuito integrado en la referencia [5]. 1.3. M OTIVACIÓN Y JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO La tendencia actual en la concepción y diseño de nuevos procesadores es la de compactar sus componentes en el menor espacio posible sin que esto afecte significativamente a su rendimiento y eficiencia; lo cual aumenta considerablemente la densidad de potencia, ya que su consumo no disminuye. Todo este aumento de potencia consumida acaba disipándose en forma de calor lo cual deriva en la necesidad de incluir sistemas de refrigeración más sofisticados y eficientes. Así mismo, hay que tener en cuenta la dificultad existente para relacionar la temperatura que se alcanza en el microprocesador con su arquitectura interna, ya que la información necesaria no está a disposición pública. Además, existe una creciente tendencia a refrigerar los ordenadores mediante otros sistemas que no sean el típico radiador con su correspondiente ventilador. Esto es debido sobre todo a nivel usuario al ruido que produce dicho ventilador mientras el ordenador está en marcha y también al consumo que conlleva a largo plazo tener en marcha ese ventilador sobre todo a gran escala, como puede ser en centros de cálculo. En este contexto se enfoca el presente proyecto en el que no sólo se va a realizar un estudio de la refrigeración con un aceite mineral sino que también se va a intentar relacionar este proceso con su funcionamiento y arquitectura interna. Además se espera a largo plazo que ayude en labores docentes para enseñar a alumnos de ingeniería industrial como ejemplo de un modelo de transferencia de calor presente en la vida cotidiana y a alumnos de ingeniería informática les puede mostrar nociones sobre consumo y temperatura en un procesador de bajo consumo. 1.4. O BJETIVOS Y ALCANCE El principal objetivo de este proyecto es el estudio de la refrigeración de un procesador de bajo consumo con aceite y la implementación de una plataforma para la realización de medidas de la temperatura en distintos puntos de dicho procesador y del consumo que tiene bajo la ejecución de distintos programas. Para alcanzar este resultado será necesario recopilar los datos y comparar los resultados experimentales obtenidos con distintos modelos de simulación. Para la consecución de este objetivo se completarán los siguientes puntos: • Establecimiento de unas hipótesis de comportamiento del sistema para acercarse lo máximo posible al comportamiento térmico real y posterior cálculo para confirmar o rechazar dichas hipótesis. • Modelizado del sistema con ANSYS, primero en 2D y luego en 3D, posterior mallado y simulación en FLUENT. 3. M ETODOLOGÍA DE SIMULACIÓN 16 3. M ETODOLOGÍA DE SIMULACIÓN 3.1. C ONSIDERACIONES INICIALES En este punto y tras los resultados de cálculo obtenidos mediante los cálculos previos estimativos, es necesario hacer cálculos más precisos para diseñar con garantía la instalación experimental, con lo cual se retrasa el desarrollo y montaje de la instalación. Se toma la decisión de realizar varios modelos de simulación con los que se pueda tener una idea general del comportamiento del procesador una vez puesto en marcha. El programa usado para la realización de las simulaciones es FLUENT que se encuentra integrado dentro del entorno de ANSYS. Se escogió dicho software por ser capaz de realizar el modelado físico del flujo, las turbulencias, la transferencia de calor y la resolución de problemas muy complejos para aplicaciones industriales. Es capaz de simular aplicaciones tan diversas como el flujo de aire sobre el ala de un avión, la circulación de la sangre dentro de una arteria, la simulación de una planta de tratamiento de aguas fecales o la combustión en un horno. ANSYS FLUENT utiliza un módulo CFD (Dinámica de Fluidos Computacional) con métodos de volúmenes finitos para la simulación de fluidos. FLUENT se basa en el control de un volumen con alta precisión y depende en gran medida en una técnica de solución basada en la presión. Así pues, una vez elegido el software a emplear se procede con el modelado, mallado y simulación que está detallado en este capítulo según se trate de modelos en 2D o 3D. 3.2. M ODELADO Y CONDICIONES DE CONTORNO CONSIDERADAS Tanto para la realización de los modelos como para su posterior mallado se utiliza ANSYS Workbench, ya que para la creación de la geometría se debe elegir el sistema de análisis que se va a llevar a cabo sobre ese sistema. En la figura 3.1 se puede observar cómo en nuestro caso se escoge ANSYS FLUENT para llevar a cabo las simulaciones, en la parte izquierda de la imagen se puede apreciar todos los sistemas de análisis que se pueden usar con ANSYS. Es necesario mencionar que antes de abrir el DesignModeler, que es la herramienta de dibujo, y comenzar a dibujar la geometría del modelo hay que indicar qué tipo de análisis es, si se trata de un análisis 2D o 3D y seguidamente las unidades de medida en las que se va a trabajar. En el DesignModeler se procedería como en cualquier otra herramienta de dibujo como puede ser Catia, SolidWorks, Autocad etc. Se van realizando sketchs que pueden ser desde puntos a polígonos, y se pueden fijar dimensiones y establecer limitaciones en cada uno de 3. M ETODOLOGÍA DE SIMULACIÓN 17 los sketchs. En la figura 3.2 se puede observar una ventana del DesignModeler en la que se ve un modelo 2D ya terminado. F IGURA 3.1 V ENTANA DE ANSYS WORKBENCH TRAS LA ELECCIÓN DEL TIPO DE ANÁLISIS F IGURA 3.2 V ENTANA DEL D ESIGN M ODELER MODELO 2D 3. M ETODOLOGÍA DE SIMULACIÓN 18 Se proponen distintos modelos para realizar las simulaciones. En la figura 3.3 se muestran algunos de los modelos 2D simulados y en la figura 3.4 aparece una muestra de parte de los modelos usados en las simulaciones 3D y además se ha incluido una vista del radiador para apreciarlo con más detalle. Hay que añadir que los modelos creados en 2D representan un corte interior de la pecera y la superficie que se observa en las figuras corresponde a un corte del volumen fluido que se encarga de refrigerar y los bordes de dicha superficie representada son las partes sólidas en contacto con el fluido. En los modelos 3D se omite representar todos los transistores y elementos que en realidad se encuentran sobre la superficie de la placa madre por la gran complejidad que eso conlleva. Es necesario considerar que en la realidad podría haber una mínima distorsión en el flujo debido a la presencia de estos elementos que en la simulación no va a tenerse en cuenta. 3. M ETODOLOGÍA DE SIMULACIÓN 19 A) M ODE LO C ON V ECCIÓN N A TU RAL B) Z OO M M O DE LO DE L A FIGURA A C) M ODELO CO NVEC CIÓ N FO RZ A DA CON 2 SALIDAS D) M ODELO CON VE C CIÓN FORZADA 1 SALI D A F IGURA 3.3 M UESTRA DE LOS MODELOS DE SIMULACIÓN EN 2D 3. M ETODOLOGÍA DE SIMULACIÓN 20 A) M ODE LO SÓ L O CHIP Y PA CK AG E B) M ODELO MO T H E RBOA R D C) M ODELO CON RADIADOR D) R ADIA DOR Las extracciones con forma rectangular que se aprecian en la figura 3.3 intentarían asemejar los tubos que conectados a una bomba que estaría situada en el exterior de la pecera harían circular el fluido en su interior. F IGURA 3.4 M UESTRA DE MODELOS DE SIMULACIÓN EN 3D Y RADIADOR 3. M ETODOLOGÍA DE SIMULACIÓN 21 3.3. P ARÁMETROS DE CONTROL DE MALLADO La creación de la malla se va a realizar en el entorno del Workbench en la aplicación de mallado (Meshing Application) como ya se ha hecho antes con el diseño del modelo. Al seleccionar en el programa el proceso para calcular con FLUENT, detecta como único método de mallado a ejecutar el mallado CFX, sin permitir seleccionar el tipo de elemento a utilizar en la malla, ya que por defecto utiliza los elementos propios de FLUENT, que son los únicos compatibles. Los elementos y volúmenes finitos que se pueden emplear en FLUENT son: • En 2D: triángulos y cuadriláteros • En 3D: tetraedros, hexaedros, pirámides, prismas y poliedros. La selección de la tipología de elemento que debe emplearse en el mallado va a depender de cuatro parámetros: • La geometría del dominio • El tiempo de mallado • El costo computacional • La difusión numérica En este caso para todos los modelos que se han creado se van a emplear elementos triangulares en caso de los modelos 2D y tetraédricos para los modelos 3D. El uso de estos elementos hace que el tiempo de mallado y cálculo no sea tan lento en el caso de geometrías complejas como para el resto de elementos. En cuanto al costo computacional si se tienen geometrías complejas o flujos de aire a gran escala, se puede conseguir una malla equivalente con menos elementos integrados utilizando células tetraédricas que utilizando células hexaédricas. Esto se debe a que la malla tetraédrica permite la agrupación de células en determinadas regiones del dominio del flujo, mientras que con las células hexaédricas es necesario colocar la misma escala de elemento en todo el dominio aún cuando no sea necesario. El uso de mallas triangulares y tetraédricas es el adecuado si se tienen geometrías relativamente complejas. La difusión numérica es la principal fuente de error en situaciones multidimensionales. Esta surge de los errores de truncamiento que son consecuencia de la representación de las ecuaciones de flujo de fluidos en forma discreta y se hace más notable cuando la situación es dominada por convección, siendo éste el caso de nuestro problema. Para evitar este tipo de problemas desde el manual se aconseja utilizar métodos de solución de segundo orden y realizar un refinamiento de la malla. Los parámetros más importantes que se han tenido en cuenta para evaluar la calidad de las mallas creadas y por tanto para poder garantizar los resultados obtenidos en las simulaciones con FLUENT son los que se citan a continuación [9]: 3. M ETODOLOGÍA DE SIMULACIÓN 22 • Cell Squish: este parámetro cuantifica la desviación de la ortogonalidad de la celda respecto de sus caras. Su valor debe ser inferior a uno. • Cell shape: que se encuentra definida por los siguientes parámetros: • Skewness: se define como la diferencia de forma entre la celda y la forma de una celda equilátera de volumen equivalente. Se toma como norma general mantenerse por debajo de 0.4 para trabajar con FLUENT. Un valor por encima de 0.4 puede llevar a problemas de convergencia y a una solución errónea. No obstante este valor límite está fuertemente relacionado con el problema físico a resolver y con la localización de la celda, por lo que puede haber aplicaciones que necesiten un valor máximo menor al indicado. • Aspect ratio: es una medida del estiramiento de las celdas. Se calcula como el cociente entre el valor máximo y el valor mínimo de de las siguientes distancias: las distancias entre el centroide de la celda y centroides cara, y las distancias entre el centroide de la celda y los nodos. Un valor ideal sería 1 en el caso de tratarse de triángulos equiláteros o cuadrados. Debe de tener un valor inferior a 40 aunque este valor dependerá de las características del flujo. Una vez que se ejecuta FLUENT, se importan tanto los datos de geometría como de mallado que se han introducido en el módulo de Workbench. Una vez se tenga el programa activo en FLUENT dentro de su entorno se puede modificar la malla. 3.4. O PCIONES DE SIMULACIÓN EN FLUENT Al iniciar FLUENT, y antes de que se abra el programa es necesario seleccionar en el panel inicial mostrado en la figura 3.5: la geometría que se va a cargar, la precisión y las opciones de proceso de la simulación si se va a realizar en serie o en paralelo. En este caso tanto para la geometría 2D como para la 3D se escoge la opción de doble precisión, aunque la geometría no es realmente complicada sí que hay escalas muy distintas que podrían causar problemas de convergencia en el caso de escoger "single-precision"[10]. Una vez abierto el programa y tras importar la malla hay que seleccionar las condiciones de contorno, las ecuaciones de resolución y los métodos de resolución. Antes de seguir trabajando en FLUENT se debe comprobar la calidad de la malla para asegurarse de que con esa malla se van a obtener resultados fiables. En la figura 3.6 se muestra la calidad de una malla para un modelo 2D realizada y se puede comprobar que los valores no superan los máximos establecidos para dichos parámetros. 3. M ETODOLOGÍA DE SIMULACIÓN 23 En la pestaña "General" de FLUENT que se muestra en la figura 3.7 se han de seleccionar tres parámetros: • La forma de solucionar las ecuaciones: métodos "Density-Based" o "Pressure- Based" • El método para resolver las ecuaciones del movimiento (continuidad y momento): formulación absoluta o relativa • Situación estacionaria o transitoria F IGURA 3.5 V ENTANA DE DIÁLOGO AL INICIAR FLUENT F IGURA 3.6 C ALIDAD DE LA MALLA DE UN MODELO 2D 3. M ETODOLOGÍA DE SIMULACIÓN 24 En nuestro caso como lo que queremos observar es la evolución del flujo refrigerante en el tiempo se va a escoger el estado transitorio para el cálculo. De las dos formas que presenta FLUENT para la resolución de las ecuaciones del movimiento se escoge la forma "Pressurebased" ya que se utiliza para flujos incompresibles o de compresibilidad baja y requiere menos coste computacional que la otra opción. En cuanto al tipo de formulación de velocidad se escoge la absoluta puesto que la relativa se emplea cuando parte del dominio líquido se encuentra girando. Además se va a tener en cuenta el efecto de la gravedad para la convección natural. En la pestaña "Models" mostrada en la figura 3.8 se van a seleccionar las ecuaciones que se van a resolver. En este caso el problema que se va a resolver sólo habrá que seleccionar la ecuación de la energía y elegir el régimen de movimiento del fluido. F IGURA 3.7 O PCIONES GENERALES PARA EL SOLUCIONADOR DE ECUACIONES 3. M ETODOLOGÍA DE SIMULACIÓN 25 F IGURA 3.8 S ELECCIÓN DE LOS MODELOS DE LAS ECUACIONES A RESOLVER El modelo viscoso que se ha seleccionado para todos los modelos refrigerados por convección natural es el laminar puesto que el flujo que tenemos dentro del recinto es laminar según se ha calculado mediante el número de Rayleigh que tiene un valor de 2.77·10 5 . No ocurre lo mismo en los modelos 2D en los que la refrigeración se realiza por convección forzada en los que calculando el número de Reynolds según la ecuación 3.1: 1p  R u · w 3.1 donde V ) es la velocidad del fluido, L la longitud carácterística y ν la viscosidad cinemática. Considerando una velocidad de 5.94 m/s (calculada en el capítulo 2) se obtiene un valor para el número de Reynolds en el tubo que introduce el fluido de 5607. Si se tiene en cuenta que éste flujo va a entrar por un conducto, el número de Re a partir del cual el régimen comienza a ser turbulento está en torno a 2500 [11], siendo 3. M ETODOLOGÍA DE SIMULACIÓN 32 8. Simulación con el modelo 2D que tiene un tubo de entrada vertical de 22 mm de diámetro y 230 mm de longitud y uno de salida de 22 mm de diámetro y 30 mm de longitud situado en vertical. 9. Simulación con el modelo 2D que tiene un tubo de entrada en vertical de 22 mm de diámetro y 220 mm de longitud y dos de salida de 22 mm de diámetro y 30 de longitud situados todos en vertical. 10. Simulación con el modelo 2D que tiene un tubo de entrada vertical de 11 mm de diámetro y 200 mm de longitud y uno de salida de 11 mm de diámetro y 30 mm de longitud situado en vertical. 11. Simulación con el modelo 2D que tiene un tubo de entrada horizontal de 22 mm de diámetro y 164 mm de longitud y uno de salida vertical de 22 mm de diámetro y 30 mm de longitud. 12. Simulación con el modelo 2D que tiene un tubo de entrada horizontal de 11 mm de diámetro y 140 mm de longitud y uno de salida vertical de 11 mm y 30 mm de longitud. 13. Simulación con el modelo 2D que tiene un tubo de entrada horizontal de 11 mm de diámetro y 140 mm de longitud y uno de salida vertical de 11 mm y 30 mm de longitud. En este modelo cambia respecto al anterior la altura a la que se coloca el tubo horizontal de entrada. 14. Simulación con el modelo 2D que tiene un tubo de entrada horizontal de 11 mm de diámetro y 164 mm de longitud y uno de salida vertical de 11 mm de diámetro y 30 mm de longitud. 15. Simulación con el modelo 2D que tiene un tubo de entrada con una inclinación de 60º y 11 mm de diámetro y uno de salida de 11 mm de diámetro y 30 mm de longitud situado en vertical. 16. Es parecido al modelo 15 sólo que se modifica la longitud del tubo y la altura a la que se coloca. 17. Es parecido al modelo 15 sólo que se modifica la longitud del tubo y la altura a la que se coloca. 18. Simulación con el modelo 2D que tiene un tubo de entrada en vertical de 22 mm de diámetro y 220 mm de longitud y uno de salida vertical de 22 mm de diámetro y 30 de longitud. Grupo 3: refrigeración por convección natural utilizando aire y el aceite Tensión Centauro para refrigerar 19. Simulación con el modelo 3D que sólo contiene al chip realizando la refrigeración por convección natural. 20. Simulación con el modelo 3D en el que están el chip y la placa madre refrigerado por convección natural. 21. Simulación con el modelo 3D en el que además del chip y la placa madre se incluye el radiador refrigerado por convección natural. 3. M ETODOLOGÍA DE SIMULACIÓN 33 Dado el alto número de modelos que han sido creados, sólo se van a mostrar los resultados de los más representativos en este capítulo. En concreto se van a mostrar los resultados de simulación de los modelos 1, 3, 6, 9, 15, 19 y 21. El resto de los resultados de la simulación se incluyen en el Anexo C. 3.5.1. Simulación con el modelo 2D realizando la refrigeración por convección natural En la tabla 3.2 se muestran los resultados obtenidos tras la simulación del modelo 1 refrigerado con agua, aire, el aceite Mobiltherm 605 y el aceite Tensión Centauro. Fluidos Tmax (K) Vmax(m/s) Agua 403,57 0,00547 Mobiltherm 605 704,09 0,00657 Tensión centauro 683,5066 0,0103 T ABLA 3.2 R ESULTADOS DE SIMULACIÓN 2D CONVECCIÓN NATURAL Se puede ver que con todos los fluidos empleados para la refrigeración se sobrepasa la temperatura máxima de diseño del chip. Por lo tanto en principio, sin radiador se va a desestimar la refrigeración por convección natural. En la figura 3.14 se una ampliación de las líneas de velocidad que muestran el movimiento del aceite dentro del recinto que contiene el microprocesador. F IGURA 3.14 L ÍNEAS DE VELOCIDAD DEL MOVIMIENTO DEL ACEITE T ENSIÓN CENTAURO 3. M ETODOLOGÍA DE SIMULACIÓN 34 En la figura 3.15 también se muestra una ampliación de la zona que corresponde al chip del microprocesador y se ve que las máximas temperaturas se alcanzan en la propia superficie del chip y en su entorno más próximo y el resto del volumen fluido que está en torno al procesador no varía su temperatura nada respecto a la temperatura ambiente tal como se había predicho en el análisis de escala del capítulo 2. 3.5.2. Simulación con los modelos 2D 3, 6, 9 y 15 realizando la refrigeración mediante convección forzada En todos los modelos refrigerados mediante convección forzada se ha empleado para la refrigeración el aceite Tensión Centauro que es con el que se han calculado las velocidades necesarias para refrigerar en el capítulo de Cálculos previos. Además en todas las simulaciones con estos modelos 2D la temperatura máxima que se alcanza en la superficie del chip es inferior a la temperatura máxima de trabajo establecida por el fabricante. En la tabla 3.3 se muestran algunos de los resultados obtenidos con cuatro de estos modelos, el resto de resultados están incluidos en el Anexo C. Modelos de simulación Tmax(K) Vmax(m/s) Modelo 3 367,41 4,73 Modelo 6 345,12 9,005 Modelo 9 363,59 7,85 Modelo 15 348,86 6,278 T ABLA 3.3 R ESULTADOS DE SIMULACIÓN DE ALGUNOS DE LOS MODELOS REFRIGERADOS MEDIANTE CONVECCIÓN FORZADA F IGURA 3.15 M APA DE TEMPERATURA DE LA SIMULACIÓN 2D CON ACEITE T ENSIÓN CENTAURO 3. M ETODOLOGÍA DE SIMULACIÓN 35 Las temperaturas más bajas en la superficie del chip y por tanto la refrigeración más eficiente se alcanza en aquellos modelos que sólo tienen un tubo de salida y el tubo de entrada se sitúa lo más próximo posible a la superficie del chip. Aunque estos resultados son los deseables, de cara al montaje real de la instalación habrá que considerar la distancia del tubo de entrada porque la entrada de un flujo a alta velocidad puede mover los termopares colocados sobre la superficie del chip. En la figura 3.16 se muestra el contorno de velocidad obtenido en cada una de estas simulaciones para cada uno de los modelos incluidos en la tabla 3.3. A)M ODELO 3 B)M ODELO 6 C)M ODELO 9 D)M ODELO 15 F IGURA 3.16 C ONTORNOS DE VELOCIDAD DE LAS SIMULACIONES 2D FORZADAS 3. M ETODOLOGÍA DE SIMULACIÓN 36 3.5.3. Simulación con los modelos 3D 19 y 21 A continuación se muestran los resultados de las simulaciones con los modelos 3D: • Modelo 19 refrigerado con aceite Tensión Centauro • Modelo 21 refrigerado con aire En la figura 3.17 se puede ver el contorno de velocidad del aceite dentro de la pecera donde está colocado el microprocesador. La velocidad máxima a la que se va a mover es de 0.018 m/s y la temperatura máxima se va a encontrar sobre la superficie del chip y tiene un valor de 678 K. Los valores que se han obtenido con el modelo 3D son del orden de los que se habían obtenido en 2D. Se tiene en la figura 3.18 el resultado obtenido en la simulación del modelo 3D con radiador y aire. La velocidad máxima a la que se va a mover el aire es de 0.224 m/s y la temperatura máxima al igual que en todos los casos anteriores es la de la superficie del chip que es de 357.9 K y que sería inferior a la temperatura máxima operativa del chip. F IGURA 3.17 C ONTORNO VELOCIDAD MODELO 19 F IGURA 3.18 C ONTORNO DE VELOCIDAD DEL MODELO 21 4. M ETODOLOGÍA DE E NSAYO 37 4. M ETODOLOGÍA DE E NSAYO El objetivo de los ensayos es obtener datos de de la potencia consumida y de las temperaturas en distintas posiciones en la superficie del chip del microprocesador y en el radiador en función de la frecuencia del procesador de la que se toman tres valores: alto, medio y bajo. 4.1. I NSTALACIÓN DEL LABORATORIO La instalación de la que se dispone para la toma de medidas es la de la imagen siguiente: F IGURA 4.1 I NSTALACIÓN DE LA TOMA DE MEDIDAS Las partes esenciales de las que se compone vienen numeradas en rojo y son: 1. El depósito cercado con paredes de metacrilato y denominado pecera que contiene el procesador Intel Atom D510 sobre el que están colocados los termopares para la toma de temperaturas 2. Fuente de alimentación, disco duro y lector de DVD del procesador Intel Atom D510 3. Osciloscopio para observar en tiempo real la potencia consumida por el procesador 4. Monitor del ordenador sobre el que realizamos pruebas 5. Ordenador de toma de datos dónde se recopilan las medidas y se realiza el procesado de los mismas 4. M ETODOLOGÍA DE E NSAYO 38 En la figura 4.2 se muestra un esquema de los componentes y sus funciones en la toma de medidas. El ordenador A es el que está siendo sometido a los ensayos y es donde se ejecutan los distintos programas para observar los cambios en su consumo y en las temperaturas medidas. Y el ordenador B es donde se adquieren y procesan los datos de las mediciones. La tensión de alimentación de todo el sistema estudiado que es el microprocesador es de aproximadamente 12 V y la tensión que consume la CPU es de 1.66 V. F IGURA 4.2 E SQUEMA DE LA TOMA DE MEDIDAS DE LA INSTALACIÓN ( FUENTE [4]) 4.2. T OMA DE DATOS Para llevar a cabo los ensayos se han utilizado los siguientes elementos: 1. Termopar tipo T: se disponen de 8 termopares tipo T con vaina de acero inoxidable de 0.5x150 mm y con un rango de medidas de -200 a 350ºC. Se escogen estos termopares debido al reducido tamaño de la punta de la vaina pues se quiere ocupar la menor superficie posible del chip. Además de que al ser inoxidable, pueden ser empleados en la medida con aceite. Su colocación es la siguiente: • 4 están situados sobre la superficie del chip: T1, T2, T4 y T5. • 3 están colocados en el radiador: uno en la base (T6) y los otros dos en los extremos de dos aletas. T8 mide la temperatura en la punta de la aleta central y T7 es el termopar que está colocado en la punta de una aleta exterior del radiador 4. M ETODOLOGÍA DE E NSAYO 39 • 1 está colocado para captar la temperatura del aire caliente que sale del radiador (T3). (que es el que se puede observar en la imagen con ese plástico gris más grueso. Dichas posiciones se encuentran indicadas en color rojo en la figura 4.3. Además de todas las medidas anteriores también se tomará el valor de la temperatura ambiente. 2. Sonda amperimétrica: colocada en el cable de alimentación del microprocesador que va de la fuente al regulador. Se muestra en la figura 4.4. 3. Registrador de datos: se dispone de un registrador de datos PICO TC-08 mostrado en la figura 4.5 que permite medir la temperatura de 8 termopares como el que se muestra en la figura 4.6 y a través del cual llegan los datos de temperaturas a la tarjeta de toma de datos que está conectada al ordenador. Puede medir temperaturas con termopar tipo T entre -270 y 400ºC F IGURA 4.3 E SQUEMA DE LA POSICIÓN DE LOS TERMOPARES EN LA SUPERFICIE DEL CHIP Y DEL RADIADOR F IGURA 4.4 S ONDA AMPERIMÉTRICA 4. M ETODOLOGÍA DE E NSAYO 40 4.3. T IPOS DE ENSAYO El procesador Atom Intel D510 es capaz de trabajar entre 225 MHz y 1.8 GHz de frecuencia. Los escalones de frecuencia disponibles son: 225 MHz, 450 MHz, 675 MHz, 900 MHz, 1.13 GHz, 1.35 GHz, 1.58 MHz y 1.8 GHz. Se decide hacer experimentos utilizando sus frecuencias extremas, es decir a 225MHz y a 1.8 GHz, para observar las variaciones en la potencia consumida y en las temperaturas. Una vez seleccionada la frecuencia a la que se desea que trabaje el ordenador, se van a realizar cuatro ensayos en cada una de las frecuencias. Estos ensayos consisten en la ejecución de diferentes programas informáticos que exigen desarrollar ciertos procesos al ordenador. 4.3.1. Ensayos llevados a cabo a baja frecuencia • Ensayo 1: se ejecuta el archivo lanzar_experimento_video_hd.sh y se indica que sólo abra un reproductor. Se reproducirá una película en alta definición. • Ensayo 2: se ejecuta el archivo lanzar_experimento_video.sh, y como en el caso anterior sólo se abre un reproductor de video, pero la película tiene una calidad de imagen inferior. • Ensayo 3: lanzar_experimento_lapack.sh que es un software que desarrolla rutinas para resolver sistemas de ecuaciones lineales. • Ensayo 4: se deja el procesador en modo sleep, que consiste en minimizar la actividad del ordenador F IGURA 4.5 R EGISTRADOR PICO TC-08 F IGURA 4.6 T ERMOPAR DE HILO TIPO T 4. M ETODOLOGÍA DE E NSAYO 41 4.3.2. Ensayos llevados a cabo a alta frecuencia En este caso, salvo el ensayo 4 que se lleva a cabo exactamente igual pero a distinta frecuencia, el resto de ensayos se realizan las mismas tareas pero en lugar de tener un solo reproductor o una sola línea de cálculo se tienen 4 simultáneamente. 4.4. C ÁLCULO DEL TIEMPO DE ENSAYO Para estimar durante cuánto tiempo se tienen que realizar medidas se realiza una estimación del tiempo característico del transitorio aprovechando que el radiador está fabricado con un metal con alta conductividad térmica y por ello se puede considerar un sistema de capacidad; que es aquel en el cual la temperatura no depende de las coordenadas espaciales, es decir, se considera prácticamente uniforme en todo el sistema y sólo cambia en el tiempo. La evolución temporal se obtiene mediante un balance de energía global de todo el sistema, de dónde se obtendrá la constante térmica del tiempo, ya que este fenómeno térmico se puede explicar a través de una ley de decaimiento exponencial como sería la descarga de un condensador a través de una resistencia. El razonamiento que se lleva a cabo para la realización de este cálculo está extraído de [8]. y]   y] \ 4.1  & ·M·( ( )   L · ·z · X  4.2 Siendo h el coeficiente de convección, A el área de nuestro sistema, T la temperatura final que alcanza nuestro sistema, T f la temperatura del fluido en contacto, ρ la densidad del material de nuestro sistema, V el volumen de nuestro sistema, c el calor específico y X  la derivada de la temperatura con respecto al tiempo. Se realiza un cambio de variable θ=T-T f en la ecuación anterior y se integra: Y·{·> k·| · }   ~ 4.3 ~  ~ _ · pq• ' k ·| Y·{·> ·€* 4.4 De ahí se obtiene la ecuación para calcular el tiempo necesario para que el cuerpo alcance una temperatura T: •  Y·{·> k ·|  1  ·  4.5 donde R t es la resistencia a la transferencia de calor por convección y C t la resistencia interna del sólido. Sustituidos los valores de las variables conocidos resulta una constante de tiempo de 536.88 segundos, es decir de 8.931 minutos. 5. C OMPARACIÓN DE LOS RESULTADOS 48 temperaturas en esos puntos. La primera simulación se va a realizar con el consumo máximo que se ha obtenido a baja frecuencia que es de 2.83 W y la segunda con el consumo máximo que se ha alcanzando a alta frecuencia que es de 6.8W. En la tabla 5.2 están reflejados los resultados obtenidos introduciendo como condición de contorno los distintos flujos de calor que se han obtenido a partir de los experimentos a baja y a alta frecuencia. La nomenclatura empleada para los puntos en los que se ha medido el resultado de simulación es la misma que se había empleado en el capítulo 4 para la medida de temperaturas con los termopares . Condiciones de contorno Resultados de simulación Resultados experimentales Flujo de calor(W/m 2 ) Tamb (ºC) T1 (ºC) T6(ºC) T7(ºC) T1 exp(ºC) T6 exp(ºC) T7 exp(ºC) 78509,61 30,55 65 63,5 49,8 68,6 63,78 51,82 32731,58 24,5 50,2 49 38,7 51,88 47,87 41,44 A partir de la tabla 5.2 se puede deducir que en FLUENT al introducir como condición de contorno la condición de flujo uniforme la temperatura que se alcanza en la superficie del chip es uniforme, por eso no se han incluido en la tabla los valores de temperatura correspondiente a los termopares T2, T4 y T5. En la tabla se muestra el valor de la temperatura en la superficie del chip (T1), en la base del radiador (T6) y en una aleta del extremo del radiador (T7). Para cada una de las simulaciones realizadas con cada flujo de calor además de utilizar el flujo de calor que se había obtenido experimentalmente como condición de contorno también se ha introducido la temperatura ambiente registrada el día de la realización del experimento. Las temperaturas obtenidas con el flujo de calor del experimento a alta potencia son bastante similares a las obtenidas experimentalmente. Si comparamos la temperatura máxima obtenida en la tabla 5.2 con la de la tabla 5.1 se observa que entre la temperatura y el ensayo existe una diferencia de sólo 3.6 ºC. Y en el caso de las temperaturas medidas en el extremo de la aleta y de la base del radiador ocurre lo mismo si las comparamos con las mostradas en las gráficas del capítulo 4. La diferencia que se obtiene en esas temperaturas es del orden de 2 o 3 grados. En la simulación con el menor flujo de calor obtenido a baja potencia ocurre prácticamente lo mismo que en el caso anterior, y las temperaturas obtenidas en la simulación son 1 o 2 grados inferiores a las experimentales. Con estos resultados obtenidos se comprueba que el modelo de simulación es suficiente exacto y vale para hacer el diseño de la refrigeración con aceite con garantías de que el procesador no se destruya por calentamiento excesivo. T ABLA 5.2 R ESULTADOS DE SIMULACIÓN CON AIRE 6. C ONCLUSIONES 49 6. C ONCLUSIONES 6.1. M ARCO TEMPORAL E INCIDENCIAS Este proyecto fin de carrera se ha realizado entre los meses de Septiembre de 2011 y Junio de 2012. Durante estos diez meses, he tenido la oportunidad de acercarme a un entorno de investigación, además de aplicar los conocimientos adquiridos durante mi vida universitaria a un problema real. Cabe destacar que durante la realización del proyecto han ocurrido incidencias que fueron evaluadas y solventadas y que han ido guiando dando un nuevo enfoque y desarrollo del proyecto. Entre esas incidencias se incluye el cambio de fluido refrigerante que en principio iba a ser el aceite térmico Mobiltherm 605, el cambio de tipo de refrigeración de convección natural a forzada y finalmente la colocación final del radiador sobre el chip que en un principio iba a ser retirado. Así pues cambió el montaje final de la instalación de medida en la que se han realizado todos los ensayos. 6.2. V ALORACIÓN DEL TRABAJO REALIZADO Llegados a este punto, es el momento de analizar los objetivos alcanzados: Se ha llevado a cabo el cálculo teórico de la refrigeración del microprocesador con distintos fluidos mediante convección natural y convección forzada. Utilizando FLUENT se han realizado distintos modelos en 2D y 3D para conocer la temperatura máxima y velocidad del flujo del fluido refrigerante que se alcanzaría fijando la carga máxima de consumo del microprocesador. Se ha evaluado gracias a este simulador la posibilidad de refrigerar por convección natural y forzada. La búsqueda de nuevos fluidos refrigerantes alternativos al aceite Mobiltherm 605 del que se disponía y la obtención de dos nuevos aceites de Repsol con los que se podrá seguir experimentando. Se ha participado en la concepción y montaje de la instalación de medida en lo que a la carga térmica y refrigeración del microprocesador se refiere. 6.3. L ÍNEAS FUTURAS Existen varios puntos en los que no ha sido posible profundizar, que permitirían mejorar los resultados obtenidos en este proyecto: • Realizar la refrigeración de este microprocesador por convección forzada con los aceites de los que ahora se dispone • Retomar la idea inicial de la refrigeración por convección natural con aceite del microprocesador Intel Atom D510 si se logra que éste trabaje a bajo consumo o buscar un nuevo procesador cuyo consumo sea menor 6. C ONCLUSIONES 50 • Cambiar el cliente y el capturador de datos para que no se lance el programa de prueba y no se empiecen a registrar datos hasta que la temperatura sea baja y estable. • Eliminar el máximo número posible de procesos/servicios que actualmente están activos como pueden ser la tarjeta de red, la tarjeta de sonido, la pantalla, el ratón, el teclado para poder analizar el aumento de temperaturas no uniforme en la superficie del chip según su arquitectura interna. 51 B IBLIOGRAFÍA [1] Alicia Asín Pérez. “Evaluación del consumo en procesadores de altas prestaciones”. Proyecto Fin de Carrera. Departamento de Informática e ingeniería de sistemas. Universidad de Zaragoza, 2006. [2] Sergio Gutierrez Verde. “Aspectos térmicos de la ejecución de programas: estudio experimental sobre un Pentium 4”. Proyecto fin de carrera. Departamento de Infomática e Ingeniería de Sistemas. Universidad de Zaragoza, 2009. [3] Sergio Gutiérrez Verde, Octavio Benedí Sanchez, Darío Suarez Gracia, José María Marín Herrero, Victor Viñals Yúfera. "Processor Energy and Temperature in Computer Architecture Courses: a hands-on approach" Proceedings of the Workshop on Computer Architecture Education 2009 held in conjunction with the 42th International Symposium on Microarchitecture (MICRO) [4] Alicia Asín Pérez, Darío Suárez Gracia, Victor Viñals Yúfera. "A Proposal to Introduce Power and Energy Notions in Computer Architecture Laboratories". Proceedings of the Workshop on Computer Architecture Education 2007 held in conjunction with the 34th International Symposium on Computer Architecture (ISCA) [5] Gary Yeap. " Practical Low Power Digital VLSI Desing" Springer International Edition [6] Mobiltherm 605 Product description [7] Intel® Atom™ Processor N450, D410 and D510 for Embedded Applications. Thermal Design guidelines. http://download.intel.com/embedded/processors/thermalguide/323439.pdf [8] José María Marín; Carlos Monné. “Transferencia de Calor”. Prensa Universidad de Zaragoza. 1998 [9] ANSYS Training Manual Meshing Application Introduction Release 12.0 [10] ANSYS FLUENT 12.0 User's guide [11] Fox, Robert W., Philip J. Pritchard, Alan T. McDonald "Introduction to Fluid Mechanics" SI Version. Seventh Edition, John Wiley and Sons, Inc. [12] Yunus A. Cengel, John M. Cimbal. "Mecánica de fluidos. Fundamentos y aplicaciones" [13] International Technology Roadmap for Semiconductors. http://www.itrs.net/