Le projet<\/strong><\/p> La premi\u00e8re microstructure envisag\u00e9e reprenait un peu le design de l’Atotech MC1, mais non pas en soudant, les unes sur les autres, des feuilles de cuivre avec des canaux grav\u00e9s dessus, mais en usinant le tout dans du cuivre massif. On \u00e9liminait ainsi toutes les interfaces de soudure qui existent entre chacune des plaques, r\u00e9duisant ainsi la r\u00e9sistance thermique globale du waterblock. Il aurait ressembl\u00e9 au bloc pr\u00e9sent\u00e9 ci-dessous avec une structure en “nid d’abeilles” pour optimiser la surface mouill\u00e9e dans le volume allou\u00e9 juste au dessus du core. Suivant les versions, il y avait entre 200 et 400 trous d’un diam\u00e8tre de 0.5 mm ou moins \u00e0 percer sur une longueur de 15 \u00e0 20 mm environ. Cela repr\u00e9sentait une surface mouill\u00e9e d’environ 65 cm\u00b2 juste au dessus du core, ce qui est consid\u00e9rable :<\/p> Math\u00e9matiquement parlant, si l’on fait tendre le diam\u00e8tre des trous vers 0, leur nombre et la surface mouill\u00e9e deviennent infinis, le tout dans un volume fini (paradoxe fractal). En contrepartie, la perte de charge (r\u00e9sistance au passage du fluide) \u00e0 la travers\u00e9e des canaux augmente elle aussi tr\u00e8s vite, et de plus en plus. Il devient alors impossible de faire passer un d\u00e9bit suffisant au travers du bloc avec une pompe d’aquarium traditionnelle. Un compromis est donc \u00e0 trouver entre le diam\u00e8tre des trous et la perte de charge d\u00e9sir\u00e9e pour obtenir le maximum de performances. Voici les 2 graphiques issus des r\u00e8gles g\u00e9om\u00e9triques :<\/p> Il existe de nombreuses \u00e9tudes scientifiques\/universitaires qui se penchent sur le probl\u00e8me de l’efficacit\u00e9 de ce genre de structures, en fonction des ratios g\u00e9om\u00e9triques, pour concevoir des \u00e9changeurs de chaleur les plus performants possibles suivant les contraintes impos\u00e9es. En fonction de ce que l’on souhaite minimiser ou maximiser (performance pures, puissance de la pompe, pertes de charges…), telle ou telle structure sera plus adapt\u00e9e car elles ont chacune leur point fort. En ce qui nous concerne, et avec le moyen d’usinage employ\u00e9 (d\u00e9crit dans la suite), nous serons tr\u00e8s limit\u00e9 dans le choix de cette optimisation. Celles que l’on rencontre le plus souvent pour am\u00e9liorer un transfert thermique sont celles-ci (vue de haut) :<\/p> Le niveau de turbulence est le plus \u00e9lev\u00e9 \u00e0 l’entr\u00e9e du canal car le fluide subit une restriction brutale de section donc sa vitesse augmente pour s’y engouffrer. Ce niveau se stabilise de nouveau au bout de quelques longueurs parcourues lorsque le fluide atteint sa forme d’\u00e9coulement d\u00e9velopp\u00e9. On observe la m\u00eame chose en sortie de canal car le fluide subit \u00e0 nouveau un changement de section brutal, et les diff\u00e9rents flux rapides issus de chaque canal viennent s’entrechoquer pour aller vers la sortie. On le voit mieux sur cette \u00e9tude 3D compl\u00e8te de la partie fluide du bloc :<\/p> Pour prendre un exemple, imaginons un processeur qui dissipe 100 W r\u00e9els dans 2 blocs dont les d\u00e9bits respectifs sont 60 L\/h et 300 L\/h. Si le fluide est de l’eau \u00e0 25 \u00b0C en entr\u00e9e, celle-ci sortira respectivement \u00e0 25+1.43 = 26.43 \u00b0C<\/strong> et 25+0.28 = 25.28 \u00b0C<\/strong>. Si le design du bloc est compos\u00e9e d’ailettes droites toutes simples et qu’on arrive par le c\u00f4t\u00e9, l’eau se r\u00e9chauffe au fur et \u00e0 mesure de la travers\u00e9e suivant la courbe verte ou rouge en fonction du d\u00e9bit (sch\u00e9ma ci-dessous). Ca n’est pas lin\u00e9aire car le flux de chaleur sur les ailettes n’est pas constant et il est plus \u00e9lev\u00e9 juste au dessus du core. On va simplifier en supposant que la mont\u00e9e en temp\u00e9rature est lin\u00e9aire et en disant que l’eau qui arrive au milieu du canal aura une temp\u00e9rature augment\u00e9e de la moiti\u00e9 de l’\u00e9cart total entre l’entr\u00e9e et la sortie, soit respectivement 25+1.43\/2 = 25.71 \u00b0C<\/strong> et 25+0.28\/2 = 25.14 \u00b0C<\/strong>. Si l’entr\u00e9e de l’eau se fait au centre par contre, on aura la temp\u00e9rature du fluide la plus faible au point le plus chaud, soit 25 \u00b0C. Vous voyez donc s\u00fbrement o\u00f9 je veux en venir… La diff\u00e9rence au niveau de la temp\u00e9rature du fluide dans le cas d’un d\u00e9bit rapide entre une entr\u00e9e lat\u00e9rale et une centrale ne nous fera gagner que 0.14 \u00b0C sur la temp\u00e9rature du fluide au point le plus chaud, autant dire pas grand chose. Par contre, si le d\u00e9bit impos\u00e9 est faible du fait de la structure, cette diff\u00e9rence grimpe \u00e0 0.71 \u00b0C et \u00e7a n’est plus si n\u00e9gligeable !<\/p> Ces \u00e9carts sont repr\u00e9sent\u00e9s par les fl\u00e8ches sur le sch\u00e9ma ci-dessous avec une illustration de l’augmentation de temp\u00e9rature du fluide lors du passage lat\u00e9ral au travers d’ailettes chauff\u00e9es uniform\u00e9ment :<\/p> Un petit d\u00e9sagr\u00e9ment risque d’appara\u00eetre si l’on veut faire des ailettes de tr\u00e8s fine \u00e9paisseur (< 0.2 mm) car elles vont se tordre \u00e0 cause de leur extr\u00eame finesse, m\u00eame s'il n'y a pas d'efforts. Il faut alors r\u00e9duire leur hauteur pour contrer cet effet ind\u00e9sirable (la haute temp\u00e9rature a tendance \u00e0 tremper la surface du m\u00e9tal sur quelques microns). Il ne faudra pas seulement prendre en compte la surface mouill\u00e9e totale en se disant qu'on y perd en r\u00e9duisant la hauteur car plus le canal sera petit, plus l'\u00e9change thermique sera excellent \u00e0 l'int\u00e9rieur. Il y a une limite \u00e0 trouver en fonction de la pompe qu'on souhaite employer car plus on r\u00e9duit ces canaux, plus le d\u00e9bit atteignable sera faible sans l'aide d'une grosse pression.<\/p> De m\u00eame on d\u00e9taille les op\u00e9rations successives de l’usinage des bases dans le tableau ci-dessous (photos cliquables) : Apr\u00e8s \u00e9bavurage et d\u00e9crassage, on obtient 2 parties propres, bien planes et pr\u00eates \u00e0 \u00eatre bras\u00e9es \u00e0 l’\u00e9tain pour \u00eatre ind\u00e9montables :<\/p> On d\u00e9graisse d’abord les parties qui seront recouvertes d’\u00e9tain \u00e0 l’ac\u00e9tone et on enduit, au pinceau, le flux d\u00e9capant sur toutes les surfaces destin\u00e9es \u00e0 recevoir la brasure pour avoir une bonne accroche. Le couvercle est pos\u00e9 sur la grille et en 15 secondes le flux commence d\u00e9j\u00e0 \u00e0 bouillir et \u00e0 agir, signe qu’on est d\u00e9j\u00e0 arriv\u00e9 \u00e0 la bonne temp\u00e9rature vers les 200 \u00b0C ! Attention \u00e0 ce que vous fa\u00eetes car les risques de br\u00fblures graves sont r\u00e9els ! On ne tarde pas pour faire fondre le fil d’\u00e9tain sur la surface et on voit que la brasure se r\u00e9partit sur toute la surface toute seule gr\u00e2ce au d\u00e9capage chimique. Les protos sont usin\u00e9s de mani\u00e8re \u00e0 laisser un jeu de 0.2 mm entre le couvercle et la base une fois assembl\u00e9s pour permettre \u00e0 la brasure de se r\u00e9partir par capillarit\u00e9 entre les 2 et d’avoir un joint parfait.<\/p> Les raccords utilis\u00e9s sont des embouts cannel\u00e9s au filetage 1\/4″ gaz conique pour du tuyau 12 ou 10 interne (diam\u00e8tre interne raccord = 8 mm). Les pertes de charges sont quantifi\u00e9es avec une pompe MJ1000 (1000 L\/h max et 1.5 mCE de colonne max) un peu fatigu\u00e9e (axe m\u00e9tal us\u00e9 et paliers ovalis\u00e9s) et 40 cm de tuyau 10int pour avoir une id\u00e9e du d\u00e9bit atteignable. On obtient d’excellents d\u00e9bits malgr\u00e9 les mini-canaux du fait d’une structure tr\u00e8s simple et sans obstacles. Cela laisse pr\u00e9sager de bons d\u00e9bits \u00e9galement avec les versions 0.3 mm qui arriveront plus tard (une mise \u00e0 jour de l’article sera s\u00fbrement faite). On peut alors \u00eatre certain, gr\u00e2ce \u00e0 cette v\u00e9rification, que les performances seront encore meilleures car on double quasiment la surface mouill\u00e9e et on augmentera le coefficient d’\u00e9change en m\u00eame temps ! Voici en images les d\u00e9bits obtenus sur 2 essais diff\u00e9rents :<\/p> La vitesse moyenne dans un canal \u00e0 240 L\/h est donc environ \u00e9gale \u00e0 1.66 m\/s (20 canaux en tout) ce qui nous procure un \u00e9coulement laminaire\/transitionnel si l’on tient compte uniquement du Reynolds d’un canal (Re = 1500). Il faut n\u00e9anmoins voir que l’\u00e9coulement entrant par le diam\u00e8tre 8 mm est turbulent (V = 1.32 m\/s et Re = 10600) donc le temps que l’\u00e9coulement se d\u00e9veloppe (longueur n\u00e9cessaire d’environ 40 fois le diam\u00e8tre du canal) et vu la faible longueur des canaux, on peut consid\u00e9rer qu’on est turbulent partout et c’est tant mieux. De plus, la turbulence appara\u00eet plus rapidement dans des canaux de taille r\u00e9duite que dans des conduites classiques.<\/p> Le d\u00e9bit dans un circuit complet en 10int (1.5 m environ) avec un autre bloc chipset en s\u00e9rie, un radiateur de type BIX2 et une EHEIM 1048 (600 L\/h max) se r\u00e9v\u00e8le \u00eatre \u00e9galement tr\u00e8s bon :<\/p> On va tester les 2 protos seuls sur une Epox 4PCA3+ avec un Pentium4 3.4C (SL793) pour avoir un maximum de puissance \u00e0 dissiper. Le reste du circuit est compos\u00e9 de l’EHEIM 1048 et du radiateur de type BIX2. A noter que du fait de la pr\u00e9sence de l’IHS (Integrated Heat Spreader) en cuivre du P4, qui fait environ 2 mm d’\u00e9paisseur au dessus du core, on pourrait ais\u00e9ment retirer 1 mm de base aux protos pour compenser cette \u00e9paisseur suppl\u00e9mentaire et am\u00e9liorer les performances. Cet IHS est malheureusement tr\u00e8s l\u00e9g\u00e8rement concave, ce qui nuit \u00e0 un transfert thermique optimal. Il devra donc \u00eatre aplani et poli plus tard (les coins rayent la base du bloc). La norme de fabrication d’Intel dit pourtant que la tol\u00e9rance de plan\u00e9it\u00e9 d’un IHS ne doit pas d\u00e9passer 0.05 mm sur toute la surface, c’est \u00e0 dire que la surface r\u00e9elle doit \u00eatre comprise entre 2 plans parall\u00e8les s\u00e9par\u00e9s de 0.05 mm, on en est loin ! Un gain de plusieurs degr\u00e9s sera donc \u00e0 pr\u00e9voir suite \u00e0 cette op\u00e9ration (surtout visible \u00e0 pleine charge). Enlever l’IHS serait encore mieux mais le core serait plus fragile lors d’un montage et d’un serrage en force.<\/p> L’id\u00e9al serait de faire un trou en micro-percage par \u00e9lectro\u00e9rosion (~0.3 mm de diam\u00e8tre) dans la tranche de l’IHS pour y enfoncer un thermocouple ou une thermistance CTN (pr\u00e9cision 0.01 \u00b0C) jusqu’au centre afin d’avoir un relev\u00e9 et une base de comparaison nettement plus fiables ! On pourrait aussi int\u00e9grer une sonde sur l’IHS comme montr\u00e9 dans les datasheets Intel pour qualifier la performance d’un syst\u00e8me de refroidissement mais elle ne me plait pas du tout car il faut usiner chaque bloc ou radiateur ventil\u00e9 \u00e0 tester. Ce qui m’int\u00e9resse ici en premier lieu ce sont les \u00e9carts entre les diff\u00e9rentes versions et non pas les temp\u00e9ratures absolues. Il ne faut pas oublier que cette sonde n’est uniquement l\u00e0 que pour donner une indication sur la temp\u00e9rature et que son but principal est d’\u00e9teindre le processeur si une temp\u00e9rature critique d’environ 135 \u00b0C est atteinte si le ralentissement de fr\u00e9quence (duty cycle) n’est pas enclench\u00e9. Une pure supposition de ma part, car je ne l’ai jamais vu faire, serait de pouvoir utiliser et calibrer la diode du P4 par un moyen externe de mani\u00e8re ind\u00e9pendante en r\u00e9cup\u00e9rant le signal sur les pattes du processeur, \u00e0 la mani\u00e8re des XP coupl\u00e9s \u00e0 un MAX6658, il faut \u00e9tudier les datasheets Intel pour cela… Exemple d’instrumentation externe d’un P4 :<\/p> Pour minimiser les pertes par convection entre le fluide et l’air, j’ai pris de l’eau quelques degr\u00e9s sous la temp\u00e9rature ambiante et je la fais chauffer quelques degr\u00e9s au dessus, le peu que je gagnerais au d\u00e9part sera perdu ensuite quand l’eau aura une temp\u00e9rature sup\u00e9rieure \u00e0 l’ambiant. C’est de toute fa\u00e7on tr\u00e8s faible car la diff\u00e9rence de temp\u00e9rature entre l’eau et l’air est tr\u00e8s petite et les mat\u00e9riaux employ\u00e9s sont consid\u00e9r\u00e9s comme isolant. Le syst\u00e8me est tr\u00e8s simple puisqu’il s’agit de faire tourner un certain volume d’eau en boucle sans moyen externe de dissipation, autrement dit un radiateur. Ce que le processeur dissipera dans le bloc se retrouvera donc dans l’eau sous forme d’\u00e9nergie calorifique que l’on peut d\u00e9duire apr\u00e8s coup par la connaissance des propri\u00e9t\u00e9s physiques de l’eau et de l’\u00e9volution de la temp\u00e9rature du syst\u00e8me. On consid\u00e9rera que le syst\u00e8me (r\u00e9cipient + tuyaux tr\u00e8s courts + bloc) est isol\u00e9 de l’ext\u00e9rieur. Le volume d’eau est dans une fine poche plastique pour \u00e9viter le contact avec le r\u00e9cipient en PVC, l’air tout autour \u00e9tant un excellent isolant thermique.<\/p> La capacit\u00e9 calorifique Cp de l’eau entre 21 \u00b0C et 27 \u00b0C sera prise \u00e9gale \u00e0 4180 J\/kg\/K. C’est \u00e0 dire que pour augmenter la temp\u00e9rature de 1 kg d’eau de 1 \u00b0C il faut fournir 4180 J (\u00e0 25 \u00b0C) et on sait que 1 W = 1 J\/s. Le bloc de cuivre p\u00e8se 120 g et la capacit\u00e9 calorifique du cuivre est de 385 J\/kg\/K. Le syst\u00e8me qui monte en temp\u00e9rature est l’ensemble bloc + eau, le reste est n\u00e9gligeable. Les volumes d’eau sont pes\u00e9s pour pouvoir tout calculer par la suite. A noter qu’ici la puissance dissip\u00e9e qu’on va mesurer est la somme de ce que rejette le processeur + la puissance dissip\u00e9e par la pompe immerg\u00e9e (MJ1000). Des mesures ant\u00e9rieures avaient donn\u00e9 une dissipation pour cette MJ1000 de 5 \u00e0 7 W dans l’eau. Ce qui nous int\u00e9resse c’est la valeur globale de toute fa\u00e7on donc \u00e7a n’est pas tr\u00e8s grave.<\/p> De tout \u00e7a, on d\u00e9duit facilement les pentes de ces 2 droites. Pour le P4 \u00e0 3.4 GHz on augmente la temp\u00e9rature de 1.76 kg d’eau de 0.6 \u00b0C\/min. Cela repr\u00e9sente une d\u00e9pense \u00e9nerg\u00e9tique de (4180*1.76+385*0.12)*0.6 = 4442 J. Le volume d’eau a re\u00e7u 4442 J en 1 min soit 4442\/60 = 74 J\/s soit encore 74 W. On fait de m\u00eame pour le P4 overclock\u00e9 et on obtient (4180*1.518+385*0.12)*1\/60 = 106.5 W. Cela repr\u00e9sente une baisse d’environ 10 \u00e0 15 % par rapport aux valeurs maximales th\u00e9oriques (marge d’erreur sur le relev\u00e9 de temp\u00e9rature), il faut encore retirer la puissance donn\u00e9e par la pompe mais ne pas oublier non plus d’ajouter les quelques watts qui s’en vont par le socket. La valeur th\u00e9orique annonc\u00e9e est un maximum inatteignable car il signifie que 100 % des transistors du processeur sont utilis\u00e9s en m\u00eame temps, chose impossible. Au mieux on tournera vers les 80-90 % de celle-ci environ. Et encore, la puissance dissip\u00e9e r\u00e9elle n’atteindra jamais le niveau le plus \u00e9lev\u00e9 qu’on mesure ici en utilisation normale car aucun programme n’engendre une charge aussi \u00e9lev\u00e9e que BurnP6, qui ne sert \u00e0 rien sauf \u00e0 comparer divers syst\u00e8mes de refroidissement par exemple.<\/p> A noter qu’il y a plusieurs m\u00e9thodes diff\u00e9rentes de conna\u00eetre la puissance dissip\u00e9e r\u00e9elle et qu’il serait int\u00e9ressant de les comparer pour avoir acc\u00e8s \u00e0 certaines informations difficilement quantifiables comme les pertes secondaires vers le socket, qui varient d’une carte m\u00e8re \u00e0 une autre et d’un bloc \u00e0 un autre. Parmi celles qu’on peut mettre en oeuvre, on peut citer la mesure directe de la puissance consomm\u00e9e (tout est d\u00e9grad\u00e9 en chaleur, pas de travail m\u00e9canique, loi de conservation \u00e9nerg\u00e9tique) en mesurant U et I directement \u00e0 l’\u00e9tage d’alimentation, ce qui n\u00e9cessite de trafiquer l\u00e9g\u00e8rement les composants pour pouvoir y int\u00e9grer une pince amp\u00e9rem\u00e9trique ou des r\u00e9sistances de shunt de tr\u00e8s faible valeur. Une m\u00e9thode calorim\u00e9trique directe en mesurant la temp\u00e9rature avant et apr\u00e8s le bloc (\u00e0 0.01 \u00b0C pr\u00e8s minimum) en connaissant le d\u00e9bit pr\u00e9cis\u00e9ment est \u00e9galement r\u00e9alisable. Certaines de ces m\u00e9thodes ont \u00e9t\u00e9 compar\u00e9es sur le forum de Procooling avec des r\u00e9sultats tout \u00e0 fait concordants. On peut citer par exemple qu’un Tbred 2200 MHz @1.85 V \u00e0 pleine charge (BurnK7) dissipe r\u00e9ellement dans plusieurs waterblocks environ 80 W par 2 m\u00e9thodes distinctes (il faut rajouter quelques watts qui partent dans le socket suivant la temp\u00e9rature du PCB). On est loin des 113 W th\u00e9oriques…\n Les bases des 2 protos ont \u00e9t\u00e9 polies de la m\u00eame mani\u00e8re et avec la m\u00eame rigueur. Trois montages diff\u00e9rents pour chaque bloc, soit 6 au total, sont faits afin d’appr\u00e9hender l’erreur due \u00e0 la mise en place de la p\u00e2te thermique (silicone noname), au serrage et \u00e0 la position du bloc pour d\u00e9terminer l’impact r\u00e9el du recoupage sur les temp\u00e9ratures. Le serrage sur les protos se fait \u00e0 l’aide d’un appui ponctuel cr\u00e9\u00e9 gr\u00e2ce \u00e0 une bille de roulement ins\u00e9r\u00e9e au centre des couvercles sur laquelle s’appuie une plaque reli\u00e9e \u00e0 la carte m\u00e8re par les 4 vis. De cette mani\u00e8re, on est s\u00fbr que le bloc est toujours appuy\u00e9 de mani\u00e8re optimale quelque soit la taille du core. M\u00eame si la plaque est l\u00e9g\u00e8rement bancale par rapport au socket, l’angle au niveau de la bille est extr\u00eamement faible et ne change pas vraiment la direction de l’effort de serrage. On y gagne beaucoup au niveau r\u00e9p\u00e9tabilit\u00e9 contrairement \u00e0 une fixation 4 points classique qu’il faut, pour un bien, r\u00e9gler pendant un Full Load pour trouver le r\u00e9glage optimal. Cette erreur de mise en place sera donc relativement faible ici du fait du syst\u00e8me de fixation et de l’\u00e9norme surface de l’IHS. Dans le cas d’une fixation \u00e0 4 points sur un core d’AMD, par exemple, la variance augmente sensiblement pour atteindre environ 1.5 \u00b0C \u00e0 80 W (et bien plus si la puissance est tr\u00e8s \u00e9lev\u00e9e). Le fait de ne pas tenir compte de cette simple remarque signifie d\u00e9j\u00e0 que votre test comparatif ne vaut pas grand chose, en dehors de tout autre consid\u00e9ration.<\/p> On rel\u00e8ve l’\u00e9cart entre la temp\u00e9rature de l’eau \u00e0 l’entr\u00e9e du bloc et la temp\u00e9rature “suppos\u00e9e” du die (avec MBprobe pour la d\u00e9cimale) pour avoir une mesure ind\u00e9pendante du reste du circuit. La perte de charge des 2 blocs \u00e9tant quasiment \u00e9quivalente, le d\u00e9bit qui passera dans les 2 blocs sera presque le m\u00eame, ce qui est encore mieux pour comparer.<\/p> Pour stresser et faire chauffer au maximum le P4, 2 sessions de BurnP6 sont lanc\u00e9es comme pr\u00e9c\u00e9demment. On monte la tension au lieu de la fr\u00e9quence car l’augmentation de puissance \u00e0 dissiper est bien plus rapide avec du Vcore. De toute fa\u00e7on, mon alimentation est trop faible pour supporter la charge en Full Load impos\u00e9e au del\u00e0 de 3.7 Ghz @1.7 V car les voltages chutent nettement et font planter, avec une alimentation extr\u00eamement chaude malgr\u00e9 la soufflerie et une odeur de br\u00fbl\u00e9 tr\u00e8s (trop) pr\u00e9sente ! Les derniers P4C sont de v\u00e9ritables fournaises et des gouffres \u00e0 \u00e9nergie, avec la palme pour les nouveaux Prescott qui sont encore pires, merci Intel. Il est loin le temps o\u00f9 AMD \u00e9tait r\u00e9put\u00e9 pour chauffer plus que de raison ! On note les \u00e9carts de temp\u00e9ratures au bout de 1H30 en ayant eu un oeil sur l’\u00e9volution et la stabilisation. Le circuit contient un peu moins de 0.5 L d’eau d\u00e9min\u00e9ralis\u00e9e, et malgr\u00e9 le faible volume la temp\u00e9rature ne cesse r\u00e9ellement de grimper qu’au bout de 1H environ, le temps de tout monter en temp\u00e9rature et d’atteindre l’\u00e9quilibre. Dehors les tests faits en 15 min montre en main !<\/p> Voici donc le graphe r\u00e9capitulatif des \u00e9carts de temp\u00e9rature obtenus \u00e0 environ 80 W puis 115 W (th\u00e9oriques) et la comparaison avec le radiateur fourni par Intel \u00e0 l’efficacit\u00e9 douteuse (suffisante dans un usage normal) et au bruit vraiment insupportable :<\/p> Le radiateur Intel, quant \u00e0 lui, est tr\u00e8s loin derri\u00e8re et compl\u00e8tement largu\u00e9 \u00e0 1.71 V, avec une temp\u00e9rature processeur de 73 \u00b0C pour de l’air aspir\u00e9 \u00e0 32 \u00b0C (relev\u00e9e par une sonde \u00e0 2 cm devant les pales). On ne prend pas la temp\u00e9rature ambiante qui n’a strictement rien \u00e0 voir avec la temp\u00e9rature de l’air qui ventile le radiateur ! Celle-ci va varier dans le temps suivant le flux d’air \u00e0 l’int\u00e9rieur de la tour et fausser toutes les conclusions. Autant dire que le radiateur \u00e9tait tr\u00e8s chaud, tout comme l’\u00e9tage d’alimentation o\u00f9 les selfs de filtrage et les MOSFETs d\u00e9passaient les 80 \u00b0C… alors que le processeur est loin de sa limite d’overclocking ! Heureusement les MOSFETs peuvent atteindre all\u00e9grement les 130 \u00b0C mais la stabilit\u00e9 des tensions en p\u00e2tit l\u00e9g\u00e8rement du fait d’une r\u00e9sistance interne grandissante qui tend \u00e0 faire dissiper encore plus. Les condensateurs d’entr\u00e9e\/sortie quant \u00e0 eux perdent vite en dur\u00e9e de vie si leur temp\u00e9rature est trop \u00e9lev\u00e9e et ici ils atteignaient 55 \u00b0C au moins…<\/p> Les \u00e9carts de temp\u00e9ratures obtenus sembleraient (notez le conditionnel) \u00eatre proches de la r\u00e9alit\u00e9 si l’on fait une analogie grossi\u00e8re avec les r\u00e9sultats pratiques de Phaestus sur Procooling. En utilisant un Tbred dont la diode interne a \u00e9t\u00e9 calibr\u00e9e dans un bain thermostat\u00e9 et d\u00e9riv\u00e9e sur un circuit externe (r\u00e9solution \u00e0 0.125 \u00b0C), les \u00e9carts T\u00b0cpu\/T\u00b0eau qu’il obtient \u00e0 puissance \u00e9quivalente sont globalement du m\u00eame ordre de grandeur (de 10 \u00b0C \u00e0 15 \u00b0C suivant le bloc, le d\u00e9bit et \u00e0 75 W environ). Seul l’emploi d’autres sondes permettrait de d\u00e9celer un \u00e9ventuel \u00e9cart sur le P4 par rapport \u00e0 ce que nous donne la carte m\u00e8re. Le probl\u00e8me se situe plus au niveau du circuit \u00e9lectronique utilis\u00e9 pour convertir la grandeur de sortie fournie par la sonde que la sonde elle-m\u00eame, qui peut \u00eatre connue pr\u00e9cis\u00e9ment. L’influence du BIOS est \u00e9galement \u00e0 prendre en compte car on peut lui faire dire n’importe quoi et certains constructeurs ne se g\u00eanent pas pour faire perdre 10 \u00b0C d’un BIOS \u00e0 un autre \u00e0 cause de consommateurs m\u00e9contents, c’est du bidouillage tout \u00e7\u00e0… Il ne faut pas oublier encore une fois que l’IHS compte pour une bonne partie de l’\u00e9cart obtenu du fait de l’\u00e9paisseur suppl\u00e9mentaire et des 2 joints thermiques entre le core\/IHS et l’IHS\/bloc. L’enlever d\u00e9finitivement r\u00e9duirait l’\u00e9cart \u00e0 haute puissance d’environ 5-6 \u00b0C, ce qui n’est pas n\u00e9gligeable ! Les \u00e9carts sont quand m\u00eame tr\u00e8s satisfaisants quand on sait que le 3.4C est le dernier de la gamme des Northwood en 0.13 \u00b5m et que par cons\u00e9quent c’est celui qui chauffe le plus. Autre info int\u00e9ressante : il faut savoir qu’avec les solutions actuelles de refroidissement, le joint cr\u00e9\u00e9 par la p\u00e2te thermique repr\u00e9sente environ 50 % de l’\u00e9cart total de temp\u00e9rature, pour un core de 100 mm\u00b2 environ en contact direct avec un bloc. Il y a 4 ans, celui-ci repr\u00e9sentait beaucoup moins car les refroidisseurs \u00e9taient moins performants qu’aujourd’hui.<\/p> A cet \u00e9cart il faut ajouter celui entre l’eau et l’air qui sera plus ou moins \u00e9lev\u00e9 suivant votre radiateur\/ventilation. Pour ma part, il atteint 8.2 \u00b0C \u00e0 la plus grosse charge avec 2 ventilateurs 120 mm en 5 V et descend \u00e0 4.6 \u00b0C en 12 V mais bonjour le bruit (ventilateurs Evercool 80 cfm max) ! Cet \u00e9cart peut \u00eatre nettement plus \u00e9lev\u00e9 si le radiateur est tout petit (BI, BIX), de mauvaise conception, en aluminium\/acier, mal ventil\u00e9, etc. Il faut donc pr\u00e9voir une tr\u00e8s bonne solution de refroidissement pour l’eau quand on commence \u00e0 taquiner les hautes puissances car tout a son importance. M\u00eame si votre bloc est excellent, les performances globales seront brid\u00e9es par un mauvais radiateur si vous n’y pr\u00eatez pas attention. Si c’est pour absorber tr\u00e8s efficacement la chaleur du processeur en ayant le tout dernier 1A-trucmuche mais \u00eatre incapable de la dissiper dans l’air correctement, c’est compl\u00e8tement absurde. Ceux qui clament des temp\u00e9ratures tr\u00e8s basses et compl\u00e8tement farfelues n’ont qu’\u00e0 bien se tenir…<\/p> Conclusions<\/strong><\/p> Le bloc r\u00e9alis\u00e9 satisfait donc \u00e0 toutes nos exigences ! Du fait de sa forme actuelle, il est l\u00e9g\u00e8rement mieux adapt\u00e9 \u00e0 des cores sans IHS du type XP\/Duron (pr\u00e9vu \u00e0 l’origine pour un Barton avant de changer de plateforme) mais une nouvelle version est dans ses premiers d\u00e9veloppements pour \u00eatre plus efficace, plus petite et plus adapt\u00e9e \u00e0 la condition des P4 et des Athlon64 dot\u00e9s d’un IHS. En parall\u00e8le, un projet de “direct die” (eau projet\u00e9e directement sur l’IHS) un peu sp\u00e9cial est en phase d’\u00e9tude (assez avanc\u00e9) et sera r\u00e9alis\u00e9 si j’ai le temps et les moyens de le faire correctement, et l\u00e0 aucun bloc ne fera mieux !<\/p> Un des axes de recherche que j’aimerais \u00e9galement d\u00e9velopper serait de construire directement des microcanaux sur l’IHS en cuivre en usinant par \u00e9lectro\u00e9rosion encore une fois. Son \u00e9paisseur \u00e9tant de 2 mm environ, on a une hauteur largement suffisante pour faire des ailettes et ainsi \u00e9liminer une interface thermique inutile avec un bloc ext\u00e9rieur. On aurait ainsi un excellent \u00e9change thermique \u00e0 la paroi du fait des canaux vraiment minuscules (1*0.2 mm par exemple) et des pertes de charges assez \u00e9lev\u00e9es. Le couvercle pourrait alors \u00eatre simplement en plexi et d\u00e9montable de mani\u00e8re ais\u00e9e pour faire de la maintenance (filtration obligatoire !). Et pourquoi ne pas pousser le vice jusqu’\u00e0 commencer \u00e0 d\u00e9velopper un \u00e9change thermique avec changement de phase coupl\u00e9 aux microcanaux sur l’IHS pour d\u00e9cupler la puissance de refroidissement, mais bon c’est beaucoup plus complexe \u00e0 mettre en place malheureusement… Vivement les versions de ces protos en 0.3 mm qui feront encore mieux !<\/p> Etude, conception, r\u00e9alisation et test de waterblocks \u00e0 mini-canaux, afin de mieux comprendre l'avantage de certains designs et finalement, l'int\u00e9r\u00eat du watercooling<\/p>","protected":false},"author":82,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"ep_exclude_from_search":false,"footnotes":""},"categories":[597,4068,4078],"tags":[],"hubs":[],"acf":{"post_show_excerpt":false},"yoast_head":"\n
Pour illustrer l’int\u00e9r\u00eat de ces microcanaux en terme de surface de contact entre l’eau et le cuivre, on prends l’exemple d’une zone \u00e0 percer de 20*7*20 mm comme sur l’image du dessus. En faisant un peu de g\u00e9om\u00e9trie, on trouve 2 conditions \u00e0 satisfaire pour que les trous, suivant leur diam\u00e8tre, n’interf\u00e8rent pas entre eux mutuellement. On peut ainsi calculer le nombre total de trous \u00e0 percer en fonction du diam\u00e8tre choisi et donc la surface mouill\u00e9e qui en d\u00e9coule. On obtient les 2 graphes ci-dessous repr\u00e9sentant le nombre de trous \u00e0 percer et la surface mouill\u00e9e associ\u00e9e. On constate que la surface mouill\u00e9e devient de plus en plus grande rapidement au fur et \u00e0 mesure que le diam\u00e8tre des trous diminue. <\/p>
La question logique qui se pose ensuite est “comment usiner ces mini trous ?<\/strong>“. Le per\u00e7age normal est \u00e9cart\u00e9 d’office car le foret cassera presque directement lors du 1er trou vu la longueur \u00e0 percer, et de surcro\u00eet dans du cuivre r\u00e9put\u00e9 pour ses difficult\u00e9s d’usinage. J’ai donc list\u00e9 les moyens susceptibles de faire ce genre de travail, \u00e0 savoir : le laser de coupe femtoseconde, le jet d’eau haute pression et le micro per\u00e7age par \u00e9lectro\u00e9rosion. J’ai ensuite contact\u00e9 plusieurs boites pour avoir des renseignements plus pr\u00e9cis sur la faisabilit\u00e9 et les tarifs \u00e9videmment… Il en ressort que :<\/p>
Pour aller encore plus loin, une version universelle CPU\/GPU\/chipset a \u00e9t\u00e9 d\u00e9velopp\u00e9e au lieu d’une version CPU seule. On \u00e9vite ainsi plusieurs mod\u00e8les, plusieurs programmes d’usinage et les complications qui s’en suivent. Le bloc fera 40*40*9 mm pour pouvoir s’int\u00e9grer sur n’importe quel socket, seule la fixation \u00e0 appui central s’adaptera. Le bloc se compose de 2 parties en cuivre qui seront bras\u00e9es entre elles pour \u00eatre ind\u00e9montables vu la fragilit\u00e9 des ailettes qui feront 0.5 mm d’\u00e9paisseur sur l’un des protos et 0.3 mm d’\u00e9paisseur sur un autre. Les canaux feront respectivement 0.5 mm et 0.3 mm \u00e9galement. Les ailettes sont maintenant plac\u00e9es en diagonale pour mettre le plus de surface utile \u00e0 l’int\u00e9rieur du bloc. Dans la version en 0.5 mm, la surface offerte par les ailettes juste au dessus du core est de 24 cm\u00b2 et dans la version en 0.3mm de 40 cm\u00b2. La base est calcul\u00e9e pour faire un peu moins de 2 mm, c’est par l\u00e0 que les performances seront les meilleures aux vues du design :<\/p>Etudes num\u00e9riques, variantes et int\u00e9r\u00eats<\/h2>\nCompte tenu du mat\u00e9riel d’usinage tr\u00e8s complet \u00e0 disposition, il aurait \u00e9t\u00e9 idiot de ne pas cr\u00e9er au moins une variante simple \u00e0 partir de la version \u00e0 ailettes droites pour pouvoir les comparer. L’am\u00e9lioration la plus simple \u00e0 r\u00e9aliser est un recoupage des ailettes \u00e0 90\u00b0 pour en faire des mini-barres, des picots, des pointes, bref on emploie le terme que l’on d\u00e9sire. La surface reste absolument identique dans notre cas car la largeur du recoupage est \u00e9gal \u00e0 la l’\u00e9paisseur de l’ailette. Ce que l’on perd en surface sur la face plane des ailettes, on le retrouve par la cr\u00e9ation de 2 nouvelles surfaces \u00e0 90\u00b0 (sch\u00e9ma ci-contre). Ces pointes seront faites sur les versions en 0.5 et 0.3 mm, elles auront donc un volume de 0.5*0.5*4 mm et 0.3*0.3*4 mm. Autant dire qu’elles sont tr\u00e8s fragiles et qu’elles se d\u00e9forment tr\u00e8s vite au moindre choc !<\/p>
Les ailettes droites font partie des solutions les moins performantes du point de vue thermique pour des raisons de couche limite, et oui toujours elle qui nous emb\u00eate… Les designs en quinquonce (‘staggered<\/i>‘) sont en g\u00e9n\u00e9ral toujours meilleurs que les designs “en ligne” (‘inline<\/i>‘) mais au prix de pertes de charges plus importantes. En effet, on ne peut pas tout avoir en m\u00eame temps malheureusement car si les ailettes droites offrent les pertes de charges minimales, leur efficacit\u00e9 thermique figure parmi les pires designs. Au contraire, un design ‘stagerred square<\/i>‘ offrira un transfert nettement meilleur mais des pertes de charges beaucoup plus \u00e9lev\u00e9es \u00e0 cause de l’obstruction du passage pour le fluide. En r\u00e8gle g\u00e9n\u00e9rale, les g\u00e9om\u00e9tries qui procurent les plus hauts coefficients de transfert thermique sont aussi celles qui procurent les pertes de charges les plus importantes ! Il est relativement difficile d’\u00e9tudier ce genre de choses car le probl\u00e8me devient vite tr\u00e8s complexe si l’on fait varier beaucoup de param\u00e8tres de forme en m\u00eame temps. Les simulations num\u00e9riques offrent la possibilit\u00e9 de faire des \u00e9tudes param\u00e9triques sur un grand nombre de facteurs et de designs diff\u00e9rents de mani\u00e8re “presque” automatique pour aider \u00e0 la recherche du meilleur design possible.<\/p>
Il est ais\u00e9 de comprendre qu’un \u00e9coulement le long de canaux tout droits ne sera pas perturb\u00e9 le long de sa travers\u00e9e. A partir d’une certaine distance de l’entr\u00e9e du canal, l’\u00e9coulement sera enti\u00e8rement d\u00e9velopp\u00e9 et prendra son profil et sa vitesse de “croisi\u00e8re” avec une couche limite qui aura une \u00e9paisseur d\u00e9finie. C’est l\u00e0 o\u00f9 un design en quinconce, ou pr\u00e9sentant des discontinuit\u00e9s sur les surfaces (‘inline square<\/i>‘), devient int\u00e9ressant. Ces ruptures de surfaces vont faire d\u00e9crocher le fluide de la paroi, interrompre le d\u00e9veloppement de la couche limite en formation et provoquer la naissance d’une nouvelle couche limite \u00e0 chaque ar\u00eate que le fluide va rencontrer. On a d\u00e9j\u00e0 vu, dans l’article pr\u00e9c\u00e9dent, que le coefficient d’\u00e9change thermique h<\/strong> est directement li\u00e9 \u00e0 l’\u00e9paisseur de cette couche limite (h<\/strong> grand si CL<\/strong> petite et inversement), or \u00e0 chaque ar\u00eate celle-ci recommence son d\u00e9veloppement \u00e0 partir d’une \u00e9paisseur nulle ! On obtient donc un h<\/strong> beaucoup plus \u00e9lev\u00e9 dans cette nouvelle couche limite en formation que dans une couche limite d\u00e9j\u00e0 \u00e9tablie dans un canal. Le transfert thermique est donc bien meilleur sur les surfaces qui engendrent ces d\u00e9veloppements p\u00e9riodiques de couche limite. La temp\u00e9rature des ailettes se rapproche de la temp\u00e9rature du fluide et donc la temp\u00e9rature de la base en contact avec le core diminue \u00e9galement.\nEtudes 2D<\/h2>\nPour illustrer tout ceci, on r\u00e9alise une petite \u00e9tude rapide pour comparer nos 2 solutions. On calcule l’allure d’un m\u00eame \u00e9coulement turbulent 2D dans 2 designs diff\u00e9rents, un \u00e0 canaux droits et l’autre \u00e0 canaux recoup\u00e9s. Pour visualiser la diff\u00e9rence, on s’attache \u00e0 regarder l’importance de la turbulence sur une m\u00eame \u00e9chelle. On ne s’occupera que des 2 canaux centraux car les 2 ext\u00e9rieurs sont soumis aux effet de bords avec les parois et n’ont pas d’int\u00e9r\u00eat dans l’explication :<\/p>
La diff\u00e9rence entre les 2 est nette ! L’attaque de l’\u00e9coulement \u00e0 l’entr\u00e9e des canaux est identique mais la version recoup\u00e9e offre des zones de turbulence \u00e9lev\u00e9e \u00e0 chaque d\u00e9crochage se produisant sur l’ar\u00eate arri\u00e8re d’une pointe. On obtient ainsi devant chaque ar\u00eate suivante un niveau de turbulence plus important et un meilleur brassage. Cette turbulence accrue conditionne \u00e9galement une perte de charge plus importante, car qui dit turbulence \u00e9lev\u00e9e dit frottements importants et donc pertes de puissance importantes. Un waterblock pr\u00e9sentant des ailettes droites sera en toute logique un peu meilleur si on op\u00e8re un recoupage, mais attention \u00e0 la rigidit\u00e9 structurelle de l’ensemble qui risque d’en p\u00e2tir s\u00e9rieusement si la base est tr\u00e8s fine ! Au contraire, la version droite pr\u00e9sente un niveau peu \u00e9lev\u00e9 de turbulence puisqu’il n’y a pas de perturbations sur le chemin \u00e0 parcourir. Les pertes de charges entre les 2 designs seront donc diff\u00e9rentes mais pas tr\u00e8s \u00e9loign\u00e9es car le design recoup\u00e9 n’est quand m\u00eame pas tr\u00e8s restrictif, c’est donc tout b\u00e9n\u00e9fice \u00e0 priori. On trace la pression statique (non due au mouvement) qui s’exerce sur l’une des surfaces du canal central pour les 2 designs. La perte de charge d’un bloc \u00e0 un d\u00e9bit donn\u00e9 est la diff\u00e9rence de pression statique entre l’entr\u00e9e et la sortie \u00e0 ce d\u00e9bit. Plus le d\u00e9bit qu’on veut faire passer dans le bloc est grand, plus la perte de charge sera \u00e9lev\u00e9e :<\/p>
La version recoup\u00e9e 2D pr\u00e9sente donc effectivement une perte de charge plus \u00e9lev\u00e9e, d’environ 14000 Pa (1 bar = 100000 Pa) dans cet exemple (vitesse d’\u00e9coulement \u00e0 l’entr\u00e9e impos\u00e9e \u00e0 1 m\/s), alors que la version droite arrive \u00e0 environ 9000 Pa. La perte de pression statique est lin\u00e9aire le long du canal, rien de surprenant puisque on appelle ca une perte de charge r\u00e9guli\u00e8re.<\/p>
Si l’on consid\u00e8re maintenant l’allure de la vitesse dans ces canaux, on a logiquement la vitesse la plus \u00e9lev\u00e9e au centre du canal et de plus en plus faible au fur et \u00e0 mesure qu’on se rapproche des parois, jusqu’\u00e0 se retrouver dans la couche limite o\u00f9 la vitesse est extr\u00eamement faible. On peut remarquer que du fait du calcul pour trouver l’\u00e9coulement moyen, les espaces entre les pointes sont anim\u00e9s d’une vitesse quasi nulle (en bleu) car le fluide n’a strictement aucune raison de circuler de haut en bas vu sa vitesse de d\u00e9placement, il va toujours au plus simple… En r\u00e9alit\u00e9 cela est un peu diff\u00e9rent car l’\u00e9coulement est turbulent et instationnaire, c’est \u00e0 dire qu’il varie \u00e0 chaque instant autour de cet \u00e9coulement moyen gr\u00e2ce aux tourbillons qui se forment et qui brassent tout. Dans un \u00e9coulement laminaire (non turbulent) ca serait diff\u00e9rent par contre car le fluide n’irait pas dans les “zones mortes” entre les pointes (recirculations). Tout l’espace et toutes les surfaces seront donc constamment soumises \u00e0 de l’eau “fra\u00eeche” qui arrive de l’entr\u00e9e gr\u00e2ce \u00e0 la turbulence :<\/p>
Une autre variante qu’on aurait pu d\u00e9velopper, si le temps nous l’avait permis, est celle en square staggered \u00e0 45\u00b0. L’avantage de ce design est de procurer un \u00e9coulement un peu plus efficace que dans la variante inline square gr\u00e2ce \u00e0 une vitesse \u00e9lev\u00e9e sur les pointes et un brassage tr\u00e8s intense. Il y a \u00e9videmment un prix \u00e0 payer qui est une perte de charge beaucoup plus importante puisque le fluide est contraint de zigzaguer entre les pointes pour trouver son chemin tout en subissant de nombreuses collisions avec les parois. Il n’est donc pas du tout \u00e9vident de dire sur l’instant si un gain en temp\u00e9rature aurait \u00e9t\u00e9 perceptible par rapport \u00e0 la version recoup\u00e9e car le d\u00e9bit r\u00e9sultant serait plus faible et pourrait annuler l’efficacit\u00e9 accrue de l’\u00e9change thermique. Autant avoir un bloc le meilleur possible en ayant les pertes de charges les plus petites possibles, c’est toujours b\u00e9n\u00e9fique. Voici la variante envisageable :<\/p>Importance de l’entr\u00e9e<\/h2>\nUn aspect int\u00e9ressant qui interviendra directement dans la performance d’un bloc est le positionnement de l’entr\u00e9e d’eau. On ne parlera ici que de la r\u00e9sistance calorifique induite par l’\u00e9chauffement du fluide lors de la travers\u00e9e du waterblock et rien d’autre. L’influence de cette entr\u00e9e sur la forme de l’\u00e9coulement (impact de jet, vitesse \u00e9lev\u00e9e…) n’est donc pas le sujet d’\u00e9tude dans ce paragraphe ! Si dans un waterblock \u00e0 haut d\u00e9bit cette position n’est pas tr\u00e8s importante, elle le devient de plus en plus quand la structure d’un bloc ne permet pas d’injecter un d\u00e9bit cons\u00e9quent sans une grosse pression en entr\u00e9e.<\/p>
On con\u00e7oit donc ais\u00e9ment que plus le bloc emp\u00eachera le d\u00e9bit de passer, plus l’eau chauffera vite (graphe) et plus l’entr\u00e9e de l’eau devra se situer \u00e0 la verticale du point le plus chaud, c’est \u00e0 dire le centre du bloc en g\u00e9n\u00e9ral. Dans l’absolu, une entr\u00e9e centrale sera de toute fa\u00e7on toujours meilleure que les autres solutions en ce qui concerne la temp\u00e9rature du fluide, j’insiste ! La fa\u00e7on d’utiliser une entr\u00e9e centrale pour cr\u00e9er un \u00e9coulement rapide c’est encore autre chose qu’il faudrait d\u00e9velopper. Je ne dis pas du tout qu’une entr\u00e9e centrale donnera le meilleur bloc du monde, car si le design et l’\u00e9coulement ne valent rien, un simple bloc \u00e0 microstructures bien con\u00e7u avec une entr\u00e9e lat\u00e9rale \u00e9clatera votre bloc \u00e0 entr\u00e9e centrale ! Par contre, un bloc \u00e0 microstructure \u00e0 entr\u00e9e centrale sera s\u00fbrement meilleur qu’un bloc \u00e0 microstructure \u00e0 entr\u00e9e lat\u00e9rale suivant les d\u00e9bits qu’ils permettent. Le gain de temp\u00e9rature sur le fluide pourrait, pourquoi pas, compenser une faiblesse de l’\u00e9change thermique si le design du bloc \u00e0 entr\u00e9e centrale n’est pas tr\u00e8s optimis\u00e9. C’est un exemple parmi tant d’autres.\nUsinage des couvercles<\/h2>\nIl y a 2 parties distinctes en cuivre \u00e0 usiner : un couvercle et une base. L’usinage des couvercles est relativement simple car peu d’op\u00e9rations sont n\u00e9cessaires \u00e0 son obtention comme voulu lors de la conception. Tout est r\u00e9alis\u00e9 sur un centre d’usinage \u00e0 commande num\u00e9rique pilot\u00e9 avec les parcours que Derf One a cod\u00e9 sur le logiciel Esprit. L’usinage est relativement rapide car les fraises employ\u00e9es sont assez grosses et donc les vitesses d’avances assez soutenues. Pour optimiser encore plus le temps machine, plusieurs prototypes sont faits en 1 seule passe dans une grosse barre de cuivre. Ne vous \u00e9tonnez pas de voir des diff\u00e9rences de design ext\u00e9rieur au cours de l’article car il y a eu plusieurs versions r\u00e9alis\u00e9es… A noter qu’on aurait pu aller encore plus vite si la barre de cuivre avait d\u00e9j\u00e0 la bonne \u00e9paisseur et largeur. Toutes les op\u00e9rations sont list\u00e9es dans le tableau ci-dessous (toutes les photos sont cliquables) :<\/p>
Descriptifs<\/strong><\/td> Op\u00e9rations et r\u00e9sultats<\/strong><\/td><\/tr> Percage des trous qui seront filet\u00e9s pour des embouts cannel\u00e9s filetage 1\/4″ gaz<\/td> <\/td> <\/td><\/tr> D\u00e9tourage des diff\u00e9rents blocs \u00e0 la fraise pour obtenir la forme ext\u00e9rieure finale. On arrose g\u00e9n\u00e9reusement pour \u00e9viter que le cuivre ne colle \u00e0 l’outil et pour refroidir les ar\u00eates de coupe.<\/td> <\/td> <\/td><\/tr> Chanfrein \u00e0 45\u00b0 sur toutes les ar\u00eates pour \u00e9bavurer et per\u00e7age de l’amorce de trou au centre du bloc pour l’appui de la fixation<\/td> <\/td> <\/td><\/tr> Taraudage machine en 1\/4″ gaz pour pouvoir visser les embouts sur le couvercle<\/td> <\/td> <\/td><\/tr> Usinage de la poche \u00e0 l’int\u00e9rieur du couvercle pour que l’eau puisse circuler, puis surfacage pour d\u00e9grossir les couvercles afin de les d\u00e9couper un par un<\/td> <\/td> <\/td><\/tr> D\u00e9coupage de chaque bloc \u00e0 la scie m\u00e9canique pour pouvoir les d\u00e9solidariser et les finir en surfacage pour avoir la profondeur requise de 4 mm pour y rentrer les ailettes<\/td> <\/td> <\/td><\/tr> Surfacage avec une grosse fraise \u00e0 plaquettes pour retirer ce qui est en trop et ajuster la hauteur finale de la poche int\u00e9rieure du couvercle<\/td> <\/td> <\/td><\/tr> Et voil\u00e0 3 petits couvercles finis et l\u00e9g\u00e8rement ponc\u00e9s.<\/td> <\/td> <\/td><\/tr><\/table><\/div>\n Usinage des mini-canaux<\/h2>\nL’usinage de la base va faire appel \u00e0 une technique particuli\u00e8re qu’on appelle l’\u00e9lectro\u00e9rosion. C’est une m\u00e9thode d’usinage sans contact entre l’outil et la pi\u00e8ce, donc sans efforts de coupe, qui consiste \u00e0 enlever de la mati\u00e8re en utilisant des d\u00e9charges \u00e9lectriques en guise d’outils. Le proc\u00e9d\u00e9 est simple : un g\u00e9n\u00e9rateur de courant va envoyer des d\u00e9charges \u00e9lectriques entre un fin fil et la pi\u00e8ce \u00e0 d\u00e9couper. Ces d\u00e9charges provoquent des mini \u00e9tincelles, d’une port\u00e9e de 0.001 mm \u00e0 1 mm, \u00e0 haute temp\u00e9rature (environ 12000 \u00b0C) qui viennent vaporiser et \u00e9clater le m\u00e9tal tr\u00e8s localement tout autour du fil. C’est la succession d’innombrables \u00e9tincelles, gr\u00e2ce \u00e0 un courant puls\u00e9 \u00e0 plusieurs kilohertz, qui permet la d\u00e9coupe de la forme que l’on d\u00e9sire par formation de crat\u00e8res dans la pi\u00e8ce. Le fil de coupe, enroul\u00e9 sur de grosses bobines, avance r\u00e9guli\u00e8rement de quelques millim\u00e8tres par minute car lui aussi subit les d\u00e9gradations des \u00e9tincelles et il faut \u00e9viter qu’il ne casse \u00e9videmment… Le proc\u00e9d\u00e9 se d\u00e9roule sous un filet d’eau ou dans un bac o\u00f9 la pi\u00e8ce est compl\u00e8tement noy\u00e9e. Cette eau (ou autre liquide di\u00e9lectrique) aide \u00e0 la formation des \u00e9tincelles, tout en refroidissant la pi\u00e8ce et en \u00e9vacuant les vapeurs et les copeaux fondus. Voici le sch\u00e9ma de principe tr\u00e8s simple de l’\u00e9lectro\u00e9rosion :<\/p>
Avec cette technique, on peut usiner tout ce qui est conducteur d’\u00e9lectricit\u00e9, sans aucune limite de duret\u00e9 du mat\u00e9riau, puisqu’il n’y a jamais contact entre le fil et la pi\u00e8ce. C’est tout le contraire d’un fraisage par exemple o\u00f9 \u00e7a se complique s\u00e9rieusement lorsqu’il s’agit d’usinage de mat\u00e9riaux ultra durs tels que les superalliages ou les cermets ! De plus, l’\u00e9lectro\u00e9rosion est une technique d’usinage pr\u00e9cise (1\/100\u00e8me de mm) et les \u00e9tats de surface peuvent aller du rugueux en \u00e9bauche (le plus rapide) \u00e0 la surface d’aspect “poli miroir” \u00e0 faible rugosit\u00e9 en fonction de l’\u00e9nergie des d\u00e9charges. Evidemment plus l’\u00e9nergie des d\u00e9charges est faible plus on avance lentement et m\u00eame tr\u00e8s lentement… On peut \u00e9galement faire des choses en 3D avec le fil qui se ballade dans l’espace \u00e0 l’aide de machines d’\u00e9rosion 5 axes pour des objets complexes g\u00e9n\u00e9r\u00e9s uniquement \u00e0 partir de surfaces r\u00e9gl\u00e9es obtenues par le d\u00e9placement d’une droite (appel\u00e9e g\u00e9n\u00e9ratrice).<\/p>Descriptifs<\/strong><\/td> Op\u00e9rations et r\u00e9sultats<\/strong><\/td><\/tr> Fraisage tout simple du rectangle en diagonale qui servira \u00e0 la fabrication des ailettes<\/td> <\/td> <\/td><\/tr>
Placement de la base dans l’\u00e9norme bac de la machine d’\u00e9rosion, qui sera enti\u00e8rement noy\u00e9e, puis prise de r\u00e9f\u00e9rence pour positionner le fil d’un diam\u00e8tre de 0.3 mm et commencer l’\u00e9rosion<\/td> <\/td> <\/td><\/tr> D\u00e9but d’\u00e9tincelage sous un jet d’eau puis \u00e0 sec pour pouvoir voir la lumi\u00e8re brillante jaillir des \u00e9tincelles. Le reste se fera sous l’eau sinon le d\u00e9coupage sera de tr\u00e8s mauvaise qualit\u00e9<\/td> <\/td> <\/td><\/tr> D\u00e9coupage du 1er canal effectu\u00e9 puis de la totalit\u00e9 des ailettes. Temps d’usinage environ 35 min<\/td> <\/td> <\/td><\/tr> R\u00e9sultat obtenu et comparaison de taille pour appr\u00e9cier la finesse des ailettes en 0.5 mm<\/td> <\/td> <\/td><\/tr> Comparaison en taille et en volume avec le TripleS vendu par Derf One. Gains de mati\u00e8re, de poids, d’usinage et de place nettement visibles pour assurer de meilleures performances<\/td> <\/td> <\/td><\/tr><\/table><\/div>
Pour arriver \u00e0 ce r\u00e9sultat, la machine d’\u00e9rosion a tourn\u00e9e seule une nuit enti\u00e8re pour d\u00e9couper toute la longueur, \u00e0 une vitesse d’avance record de 2 mm\/min ! La longueur d\u00e9velopp\u00e9e du profil entier \u00e0 \u00e9roder \u00e9tant d’environ 1.3 m cela nous donne environ 10 heures d’\u00e9rosion suivant la vitesse, sans compter les petits soucis qu’il y a eu du fait de l’\u00e2ge de la machine… L’utilisation de l’\u00e9lectro\u00e9rosion est donc tr\u00e8s bien adapt\u00e9e \u00e0 la mise en place de tels designs malgr\u00e9 le fait que la m\u00e9thode soit lente. N\u00e9anmoins, les machines d’\u00e9rosion r\u00e9centes iront un peu plus vite et r\u00e9duirons d’autant le co\u00fbt de la d\u00e9coupe car c’est relativement cher si vous devez les payer. Un usinage par fraise scie (genre disque Dremel mais en qualit\u00e9 industrielle) de tr\u00e8s faible \u00e9paisseur peut \u00e9galement marcher mais il va falloir faire des essais dans du cuivre avant car cette m\u00e9thode g\u00e9n\u00e8re des efforts de coupe importants qui pourraient arracher en une fraction de seconde toutes vos ailettes si celles-ci sont trop hautes !<\/p>Brasure, tests de d\u00e9bit<\/h2>\nBrasure<\/strong><\/p>
Au final, on obtient un bloc tout oxyd\u00e9 \u00e0 cause des flammes et du flux qui laisse quelques traces mais il suffit de passer le bloc \u00e0 l’acide sulfurique (pr\u00e9cautions d’usage) pour d\u00e9crasser le tout et surtout l’int\u00e9rieur qui devient inaccessible. Pour l’ext\u00e9rieur, il suffit de poncer pour faire dispara\u00eetre le reste de la calamine. L’inspection par les trous filet\u00e9s r\u00e9v\u00e8le une brasure parfaite sans d\u00e9bordement \u00e0 l’int\u00e9rieur et \u00e9tanche, donc m\u00e9thode approuv\u00e9e \u00e0 100% !<\/p>
Le plus dur est enfin termin\u00e9 ! Il reste maintenant \u00e0 polir, \u00e0 la main, les blocs et assurer une bonne plan\u00e9it\u00e9 \u00e0 leurs bases. On va polir sur un marbre en partant de la toile \u00e9meri assez fine pour d\u00e9crasser le plus gros et mettre au carr\u00e9 les blocs, puis polissage au P800, P1200, P1500 et enfin P2000 avec beaucoup d’eau \u00e0 chaque fois pour \u00e9viter un encrassement trop rapide du papier. Toujours rincer m\u00e9thodiquement le bloc entre chaque feuille car le moindre grain abrasif qui tra\u00eene sur le papier tr\u00e8s fin et c’est la grosse rayure assur\u00e9e ! Le polissage se fait toujours en ligne droite avec rotation de 90\u00b0 au bout de quelques minutes, sans appuyer comme un goret, et l’effet miroir (pour le style) appara\u00eetra tout seul. Apr\u00e8s de nombreuses heures de travail on arrive enfin \u00e0 \u00e7\u00e0 :<\/p>
Tests de d\u00e9bit<\/strong><\/p>
Les valeurs r\u00e9elles observ\u00e9es peuvent \u00eatre compar\u00e9es avec le calcul et la pr\u00e9diction de la perte de charge du bloc. Les photos ci-dessus ne montrent pas la mesure en elle-m\u00eame car elle s’est faite \u00e0 part dans un r\u00e9cipient gradu\u00e9 par pes\u00e9e du liquide (10 L pour minimiser l’erreur et plusieurs mesures moyenn\u00e9es). Lors de la mesure on avait donc un d\u00e9calage de hauteur de 36 cm entre le rotor de la pompe et la sortie du bloc qu’il faut prendre en compte car on est en circuit ouvert et donc la gravit\u00e9 intervient. On reporte sur un graphe la perte de charge calcul\u00e9e de la structure interne du bloc, les 36 cm de d\u00e9nivel\u00e9 et la courbe constructeur de pompe de la MJ1000. On travaille en Pascal par simplicit\u00e9 avec la correspondance d’unit\u00e9 100000 Pa = 1 bar = 10.2 mCE :<\/p>
Le d\u00e9bit obtenu (appel\u00e9 point de fonctionnement) se situe \u00e0 l’intersection de la courbe de pompe et de la somme des pertes de charges occasionn\u00e9es par le bloc et le d\u00e9nivel\u00e9. Ce d\u00e9bit atteint environ 300 L\/h mais il faut encore ajouter les courbes de pertes de charges du tuyau et des raccords ainsi que la fatigue de la pompe (d\u00e9bit max plus assur\u00e9 ce qui change un peu sa courbe) qui viennent donc d\u00e9caler le point de fonctionnement vers la gauche en se rapprochant des 240 L\/h pratiques (courbe verte en pointill\u00e9s). Au final on retombe sur nos pattes et cela vaut mieux…<\/p>Tests en situation r\u00e9elle<\/h2>\nPr\u00e9cautions sur la mesure<\/strong><\/p>
Un point qui m’ennuie \u00e9galement est la relative impr\u00e9cision des mesures de temp\u00e9rature absolues obtenues \u00e0 partir de la sonde interne du P4. Celles-ci sont peut \u00eatre irr\u00e9alistes car par exemple apr\u00e8s 4 s au d\u00e9marrage de l’ordinateur, et avec de l’eau \u00e0 20 \u00b0C (tout est \u00e0 cette temp\u00e9rature), la sonde affiche d\u00e9j\u00e0 38 \u00b0C \u00e0 3.4 GHz @1.4 V au POST. Je sais que les mont\u00e9es en temp\u00e9rature dans le core peuvent \u00eatre extr\u00eamement brutales (50 \u00b0C\/s) mais bon… De m\u00eame lors de tests d’overclocking avec de l’eau maintenue \u00e0 0 \u00b0C constant, soit une perte de 26 \u00b0C sur la temp\u00e9rature de l’eau, la sonde interne ne rapporte qu’une baisse de 11 \u00e0 12 \u00b0C (d\u00e9faut de lin\u00e9arit\u00e9 ?) ! On ne peut qu’esp\u00e9rer que les \u00e9carts, et non pas les temp\u00e9ratures absolues, soient \u00e0 peu pr\u00e8s corrects dans notre zone d’\u00e9tude car avec un IHS il n’est pas possible de positionner directement une ou plusieurs sondes en contact avec le core.<\/p>Estimation de la puissance dissip\u00e9e r\u00e9elle<\/h2>\nPar mesure calorim\u00e9trique, on va estimer la puissance r\u00e9ellement dissip\u00e9e par le processeur overclock\u00e9 ou non. La valeur obtenue sera soit l\u00e9g\u00e8rement sous-estim\u00e9e soit l\u00e9g\u00e8rement sur\u00e9valu\u00e9e car on ne peut pas emp\u00eacher toutes les pertes thermiques dans les 2 sens, suivant si le PCB sous le socket est plus chaud ou non que le processeur avec tous les autres composants qui apportent leur lot de chaleur par conduction par exemple.<\/p>
On lance 2 sessions de BurnP6 HP pour profiter de l’HyperThreading et faire chauffer au maximum le P4. Aucun autre soft test\u00e9 parmi les plus connus ne fait consommer et donc chauffer plus le P4 que celui-l\u00e0, exit donc 3DMark, Superpi, Prime95 et compagnie. Il suffit de relever pr\u00e9cis\u00e9ment la temp\u00e9rature dans un volume connu d’eau brass\u00e9e pour avoir la puissance dissip\u00e9e totale. On obtient une \u00e9volution lin\u00e9aire de la temp\u00e9rature puisqu’on a tr\u00e8s peu de pertes thermiques, on ne fait qu’accumuler de la chaleur.<\/p>Ecarts de temp\u00e9ratures obtenus, conclusions<\/h2>\nFixation du waterblock et protocole de test<\/strong><\/p>
Il appara\u00eet donc clairement que la version recoup\u00e9e est meilleure d’environ 1 \u00e0 1.5 \u00b0C pour 90 W r\u00e9els (0.017 \u00b0C\/W de mieux) que la version droite pour toutes les raisons qui ont \u00e9t\u00e9 d\u00e9velopp\u00e9es pr\u00e9c\u00e9demment. Ce gain est de plus en plus visible au fur et \u00e0 mesure que la puissance \u00e0 dissiper augmente et que le moyen de dissipation est “mauvais” en terme de r\u00e9sistance thermique Rth (DeltaT = Rth*Puissance). C’est pourquoi on observe 15 \u00b0C de diff\u00e9rence entre l’Intel Box et les blocs \u00e0 1.39 V (1.44 V r\u00e9el par mesure sur les MOSFETs) et 20 \u00b0C de diff\u00e9rence \u00e0 1.71 V (1.74 V r\u00e9el par mesure sur les MOSFETs). Des tests en Idle ne montreront rien car tous les syst\u00e8mes seront tass\u00e9s du fait d’une puissance ridicule \u00e0 dissiper. Les tests ayant \u00e9t\u00e9 \u00e9tal\u00e9s sur 4 jours et les blocs test\u00e9s dans n’importe quel ordre, on peut consid\u00e9rer que les conclusions sur le design sont valables et reproductibles.<\/p>
Encore merci \u00e0 Derf One pour son implication et l’excellent travail qu’il a fourni ;).\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"