Laptops 101 : comprendre comment concevoir un système de refroidissement de PC portable efficace

By Notebookcheck |
Cet article a été rédigé par Notebookcheck.
Frais comme un gardon. Concevoir et intégrer un système de refroidissement efficace dans un portable nécessite beaucoup de R&D, et un choix attentif des composants, pour s’assurer qu’ils puissent tous atteindre leur potentiel. Dans cet article, nous jetterons un oeil à toutes les étapes du procédé de refroidissement d’un portable, et sur la façon dont les fabricants testent et évaluent leur système, pour une efficience maximale. Nous prendrons en exemple le GT76 haut de gamme de MSI, qui peut tourner sans mal à 5 GHz sur tous ses coeurs, afin de mieux illustrer ce procédé. (Article sponsorisé.)
 
GT76
La conception thermique devrait permettre à un portable d'atteindre un pic de performances sur de longues périodes, sans throttling.
 

Introduction

Alors vous voilà avec une bête de compétition, à la fois fine et puissante, qui peut théoriquement vous donner les taux d’image dont vous rêvez pour dominer le monde du jeu vidéo. Après avoir tout installé, vous lancez votre jeu avec jubilation, espérant aller jusqu’au bout de la mission. 30 minutes de jeu, et vous trouvez que votre taux d’image a fondu comme neige au soleil, et que le portable est aussi chaud qu’une fournaise. Il semblerait que les spécifications théoriques ne soient en fait pas à la hauteur des performances de jeu réelles. Vous venez d’expérimenter un thottling dû à un refroidissement inadéquat.
 
L’importance du refroidissement dans un portable ne peut être sous-estimée. Les lecteurs réguliers de Notebookcheck savent à quel point nous revenons sur la nécessité d’évaluer le système de refroidissement des portables qui utilisent des composants puissants, et d’étudier le throttling qui en résulte. Un refroidissement impropre peut déboucher sur des pertes significatives de performances, ce qui peut aller jusqu’à payer plus cher pour un portable en fait moins performant qu’un autre…
 
Quand on achète un portable, comprendre comment le fabricant a intégré le refroidissement est un moyen pour évaluer le potentiel des performances. La place disponible pour refroidir est bien plus réduite dans un portable que dans un PC de bureau, si bien que les fabricants doivent trouver des façons innovantes afin de garder des composants haut de gammes efficaces sans sourciller - tels un Intel Core i9-9980HK ou une Nvidia GeForce RTX 2080.
 
Dans cet article, nous allons étudier comment fonctionne un système de refroidissement efficace, en incluant le choix des composants et des évaluations mises en oeuvre par les fabricants dans la conception de ces systèmes, et en étudiant certaines améliorations faites récemment. Vous êtes curieux de savoir comment un PC portable tel le MSI GT76 peut faire tourner ses 8 coeurs à 5 GHz ? Lisez cet article détaillé !
 

Concevoir une solution efficace/h2>
Concevoir un bon système de refroidissement, qui peut gérer les besoins de dissipation thermique de composants-clés tels qu’un processeur, une carte graphique et des VRM n’est pas simple. Beaucoup d’évaluations et de tests sont nécessaires pour comprendre le niveau de chaleur que les puces génèrent et comment elles peuvent s’intégrer dans un format de PC portable.
 
Le procédé de conception d’un système de refroidissement pour portable est une étape de R&D importante, et se passe comme nous allons le décrire. Notez que si chaque fabricant possède sa propre façon de concevoir son système afin de maximiser les performances, les principes mis en oeuvre lors de l’utilisation des blocs thermiques, des caloducs, des dissipateurs thermiques et des ventilateurs sont les mêmes pour tous les constructeurs..
 

Le système de refroidissement du MSI GP75 Leopard 9SD

 

A "chip" off the old thermal block

Jetez un oeil à la photo des composants internes du MSI GP75 Leopard ci-contre. C’est un portable très performant 1080p, qui intègre un Intel Core i7-9750H et une Nvidia GeForce GTX 1660 Ti. Sur l’image, on voit de multiples caloducs en cuivre qui vont du CPU et du GPU vers ventilateurs. Si l’on regarde de près, on constate que ces caloducs viennent d’un bloc en cuivre présent sur les deux processeurs. Ce bloc en cuivre, ou bloc thermique, est en contact avec les CPU et GPU via de la pâte thermique. Ainsi le transfert de chaleur suit le chemin suivant, CPU / GPU > Pâte thermique > bloc thermique > Caloducs. L’idée est de transférer la chaleur depuis la puce vers le bloc thermique le plus vite possible, pour une dissipation efficace. Pourquoi est-ce si important ?
 

The 2018 Apple MacBook Pro with the Core i9-8950HK was infamous for its throttling issues due to inadequate cooling. (Source: Dave Lee on YouTube)
 
Sans trop aller dans les détails, chaque puce est notée pour dissiper un certain niveau de chaleur, avec une enveloppe thermique donnée. Alors qu’il n’y a pas consensus parmi les fabricants pour savoir comment l’enveloppe thermique est calculée, les fabricants de PC font leurs propres tests pour voir comment cette enveloppe thermique peut être gérée, en fonction de la taille du châssis. Et si la chaleur n’est pas évacuée assez rapidement depuis la puce, celle-ci doit baisser en fréquence, pour éviter les dommages, ce qui affecte les performances. Un cas d’école est la façon dont l’Apple MacBook Pro avec Core i9 ne pouvait tout d’abord pas même atteindre sa fréquence de base, à cause d’un système de refroidissement mal conçu.

De même, une surchauffe signifie que la puce sera moins efficiente dans un cycle, et même si elle peut paraître atteindre la fréquence requise, les performances d’ensemble sont compromises – tout comme les possibilités d’overclocking.

Un bloc de cuivre générique face à
un bloc de cuivre poli CNC utilisé
dans le MSI GT76. (Image : MSI.)
 
De ce fait, il est important que la chaleur soit évacuée de la puce le plus efficacement et le plus rapidement possible. Le cuivre est le choix le plus classique pour les blocs thermiques, à cause de sa forte conductivité. Le bloc de cuivre dans la plupart des portables possède une surface rugueuse, qui à un niveau microscopique ne permet pas uncontact parfait avec la pâte thermique. Pour contourner le problème, et offrir une conductivité encore meilleure, les portables de jeu les plus puissants tel le MSI GT76, utilisent un bloc de cuivre poli CNC, pour maximiser la zone de contact, ce qui aide à avoir une meilleur dissipation depuis le processeur.

 

Un bon refroidissement nécessite un bon caloduc !


Le principe d'un caloduc fonctionnel (Source : Wikipedia)
 
Maintenant que nous avons extrait efficacement la chaleur de la puce, nous devons l’évacuer grâce aux caloducs. Un caloduc est formé d’une extrémité dite "évaporateur" et d’une autre dite "condenseur", et techniquement reprend le principe du transfert thermique par transition de phase. Dans le caloduc, un liquide (souvent de l’eau) absorbe la chaleur depuis le bloc thermique et se transforme en vapeur (partie avec l’évaporateur), qui voyage dans le caloduc, vers une zone moins chaude (partie condenseur). Ici la vapeur se condense pour redevenir liquide, et elle est réabsorbée par des mailles et retourne à son emplacement d’origine par capillarité, tandis que la chaleur est évacuée à l’extérieur.
 

Schéma du transfert de chaleur (Source : Calyos)

Comme exemple, regardez le diagramme ci-joint. Nous voyons que le liquide dans le caloduc se chauffe et se transforme en vapeur, qui voyage vers la zone de refroidissement où elle se condense pour revenir à l’état liquide. La partie nommée "vaporization" équivaut à notre bloc de cuivre évoqué précédemment, tandis que la zone de "transfert de chaleur" (Heat Transfer) est similaire aux ailettes du dissipateur thermique dont nous allons bientôt parler. Voilà comment la chaleur est transférée depuis le bloc thermique jusqu’au dissipateur thermique, où la chaleur est enfin évacuée via les ventilateurs.
 

Coupe transversale d'un caloduc en métal fritté (Source : Frosty Tech)

Les caloducs sont généralement faits en cuivre ou en aluminium, et la structure maillée à l’intérieur est rainurée, en treillis métallique, en poudre métallique frittée, ou enfin en fibre. La poudre métallique frittée est la solution la plus chère, mais offre une excellente évacuation de la chaleur.
 
Alors que cette structure est un critère important de sélection du caloduc, d’autres facteurs doivent également être pris en compte pour de meilleures performances. Le premier est la quantité de caloducs – plus il y en a, plus le transfert de chaleur sera efficace. Cependant le nombre de caloducs dépend de la place disponible.
 
La longueur et le diamètre des caloducs affecte directement la quantité de vapeur qui voyage à l’intérieur. Plus ils sont larges, plus le volume de vapeur est conséquent. Le caloduc ne doit pas être trop long, les plus courts transmettant plus de chaleur que les longs, et ayant des limites de capillarité supérieures (la vitesse à laquelle le fluide retourne du condenseur vers l’évaporateur).
 

L'organisation des caloducs du CPU et du GPU dans le MSI GT76
 
Beaucoup de portables font passer le caloduc à la fois sur le CPU et le GPU. Si cela permet de baisser les coûts, la partie du caloduc située entre le CPU et le GPU est relativement plus fraîche que le reste, ce qui peut entraîner une condensation prématurée du liquide, impactant l’efficacité du transfert de chaleur. De ce fait, dans les portables de jeu hauts de gamme comme le MSI GT76, le CPU et le GPU ont chacun leurs propres caloducs et leurs ventilateurs, pour un transfert de chaleur optimal.
 
Les portables n’ayant pas assez de place pour intégrer un caloduc cylindrique, celui-ci doit être aplati avant d’être intégré. Cela ajoute un autre problème car, fait de façon exagérée, cela peut gêner le transfert du liquide. Des angles trop brusques sont également un problème. Mais il a été démontré que tant que le radiant fait 3 fois le diamètre du caloduc, les performances ne sont pas affectées.

 

Une meilleure circulation d'air permet un meilleur refroidissement


Schéma montrant l'entrée de l'air frais (en bleu) et la sortie de l'air chaud (en rouge) dans un portable classique (Source : Inyes.org)
 
Évacuer la chaleur du processeur avec succès ne fait pas tout. L’évacuer complètement du châssis est également un défi. C’est ici qu’interviennent les dissipateurs thermiques et les ventilateurs. En gros, le dissipateur augmente la surface d’où la chaleur sort du caloduc, tandis que le ventilateur pousse cette chaleur en récupérant de l’air frais depuis l’extérieur.
 

Une organisation typique du système de refroidissement d’un portable,
avec le bloc thermique, les caloducs, et le dissipateur thermique
(source : Any PC Part).
 
Il ne suffit pas de bien choisir les meilleurs composants possibles pour choisir le ventilateur et le dissipateur. Le ventilateur en question doit être à l’équilibre entre le nombre de pales et l’espace entre elles – en intégrer trop dans cet espace réduit fait qu’il n’y aura pas assez d’air qui pourra être évacué, et en intégrer trop peu gêne leur efficacité. Alors comment déterminer la meilleure structure pour un refroidissement efficace ?
 

Le dissipateur thermique du MSI GT76 possède une plus grande surface avec ailettes, et des ventilateurs plus nombreux que les portables classiques
 
Ici intervient la simulation logicielle. Beaucoup de fabricants utilisent des logiciels de simulation standards dans l’industrie pour avoir une bonne évaluation du flux d’air en fonction du châssis. Le but de l’utilisation de tels logiciels est de déterminer quel agencement de ventilateurs fonctionne le mieux pour le niveau de refroidissement voulu, plutôt que de chercher à avoir les ventilateurs les plus rapides (et probablement les plus bruyants) du marché. La simulation logicielle prend en compte de nombreux paramètres, dont la façon qu’ont les flux d’air d’entrer et de sortir du châssis, l’évaluation de l’espace disponible, le volume d’air généré par le ventilateur (pied cube par minute, pi3/min), la surface des ailettes du dissipateur, etc. Le logiciel peut prédire la distribution de la température à l’intérieur du châssis en fonction des simulations de sollicitations. Cela aide les fabricants à mieux comprendre et à mieux régler leur système de refroidissement, pour une efficience maximale.
 
Dans la vidéo du test de simulation ci-dessous, on peut comprendre comment la simulation du flux d’air aide à évaluer une implémentation de refroidissement. Ici, nous constatons que cet essai d’agencement conduit à réintroduire de l’air chaud dans l’entrée d’air, conduisant à des températures supérieures.
 
 
Après avoir fait les changements nécessaires à droite, nous constatons que l’air chaud est repoussé dehors par les ventilateurs, permettant une distribution bien plus uniforme de la chaleur. De ce fait, une telle simulation permet de faire des changements dans la conception du système de refroidissement à l’étape du prototype. Cela permet également d’aider à détecter des problèmes qui pourraient être impossibles à détecter physiquement.
 
 
Voyons maintenant comment tout cela fonctionne dans le cas concret du MSI GT76. Celui-ci vise à permettre de maintenir des performances de 5 GHz sur tous les coeurs sur le Core i9-9900K. Comme on le voit sur la photo, le système de refroidissement du GT76 possède pas moins de 11 caloducs, deux blocs de cuivre polis CNC, des dissipateurs thermiques améliorés et quatre ventilateurs. Les dissipateurs thermiques occupent toute la longueur du portable, et la présence de quatre ventilateurs permet de dissiper la chaleur sur tout l’arrière de la machine, et non juste dans un ou deux angles.
 

Le GT76 peut dissiper la chaleur tout le long du châssis.
 
MSI affirme que des simulations poussées l’ont aidé à concevoir le nouveau système de flux d’air, conduisant à une amélioration de 2,25 fois par rapport à la concurrence, les ventilateurs du GT76 poussant 96 CFM d’air, contre 42,6 pour les autres. La surface d’ailettes supérieure du nouveau dissipateur joue également un rôle pour empêcher le throttling du 9900K. Le côté du processeur du GT76 possède une surface d’ailettes de 252,910 mm² - soit environ 2,3 fois la surface du GT75 Titan (110,045 mm²).
 

Les ventilateurs du GT76 peuvent évacuer
125 % d’air en plus
par rapport à la concurrence.

La surface d’ailettes du GT76 est
130 % supérieure à celle
du GT75 de l’an dernier

 

Dans notre test du GT76, nous avons constaté que le portable ne subissait aucun throttling, même lors d’un stress test de 60 minutes avec FurMark et Prime95, même si nous avons constaté que les composants étaient plus chauds que d’habitude. Nous avons également noté que le portable pouvait tourner sans mal de façon continue à 4,7 GHz dans une boucle Cinebench R15.
 

 

Conclusion

Comme vous avez pu le comprendre, concevoir un système de refroidissement efficace qui permet à tous les composants de fonctionner à leur potentiel maximal est l’un des buts les plus importants de la R&D des PC portables. De nombreux paramètres, depuis la vision du flux d’air dans le châssis jusqu’au choix des bons matériaux et des bons tests, jouent un rôle crucial pour vous permettre de travailler ou de jouer sans sacrifier les performances
 
Alors que nous avons creusé les aspects matériels du refroidissement, de nombreuses optimisations logicielles sont également nécessaires pour permettre au système d’évaluer la chauffe et de s’y adapter. Nous espérons que ce premier article sur la façon de concevoir un système de refroidissement de portable vous aidera à mieux comprendre cet aspect important mais trop souvent délaissé lors de l’achat
 
MSI affirme que la recherche de meilleures solutions de refroidissement dans ses portables sera un sujet important dans son retour aux bases – attendez-vous à avoir des solutions de refroidissement améliorées dans toutes les gammes de la marque.
 
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