Refroidissement de la carte graphique de type chambre de vapeur, aspiration descendante et soufflante – expliqué

Au cours des dernières années, nous avons constaté une augmentation exponentielle des performances des cartes graphiques dans les applications de jeu et professionnelles. Avec les améliorations des architectures et des composants internes, les cartes graphiques sont désormais plus rapides que jamais et sont capables de gérer même les tâches les plus exigeantes que l’on puisse leur imposer avec les technologies actuelles. Toutes ces améliorations ont permis aux cartes graphiques modernes de gérer des tâches extrêmement exigeantes telles que les jeux 8K et 4K à des taux de rafraîchissement élevés.

La solution de refroidissement de type souffleur – Image: Hardzone

Ces améliorations ne sont cependant pas venues sans leur juste part d’inconvénients. L’un des principaux est l’augmentation exponentielle de la consommation d’énergie que nous avons constatée ces dernières années. La consommation électrique des cartes graphiques de jeu a lentement mais régulièrement augmenté au cours de la dernière décennie, ce qui a conduit aux cartes graphiques d’aujourd’hui qui ont des cotes TDP de plus de 300 watts (assez différentes des cotes TBP annoncées). En fait, la consommation moyenne de puissance des cartes graphiques au cours de la dernière décennie montre une tendance intéressante. La consommation électrique des cartes était élevée au début de la décennie en raison d’architectures inefficaces, mais plus tard, la plupart des cartes graphiques sont devenues beaucoup plus efficaces dans leur travail. De nos jours, nous assistons à une nouvelle augmentation du nombre moyen de consommation d’énergie des cartes graphiques.

Certes, les cartes d’aujourd’hui sont beaucoup plus efficaces qu’elles ne l’étaient il y a cinq ans, mais elles exigent toujours plus d’énergie du mur en moyenne que les anciennes cartes. Toute cette puissance allant au cœur augmente certainement les performances de la carte, mais elle augmente également les températures de fonctionnement du GPU, ce qui doit certainement être contrôlé. Au cours des dernières années, nous avons dû installer des refroidisseurs de plus en plus gros sur les cartes graphiques pour lutter contre ce problème.

Améliorations du refroidissement

Avec l’augmentation de la consommation d’énergie et l’augmentation de la production de chaleur par la suite, les fabricants de cartes graphiques ont dû improviser avec la situation pour surmonter ce problème. Finies les petites cartes graphiques délicates qui auraient pu être refroidies passivement avec un seul petit dissipateur thermique. Dans le passé, même les cartes graphiques haut de gamme avaient un seul ventilateur sur un petit dissipateur thermique, ce qui suffisait à dissiper efficacement la chaleur de cette carte. De nos jours, on ne peut même pas penser à une carte graphique de milieu de gamme ou raisonnablement haut de gamme à refroidir en utilisant une configuration à un seul ventilateur.

Les cartes graphiques d’aujourd’hui ont d’énormes dissipateurs thermiques à 3 emplacements avec d’énormes enveloppes de ventilateur qui abritent 3 ventilateurs la plupart du temps. Bien que les modèles à double ventilateur soient également assez répandus sur le marché, ils ont du mal à contrôler les températures pour toute carte raisonnablement gourmande en énergie. La plupart des variantes haut de gamme des cartes graphiques modernes ont également sept ou huit caloducs en cuivre nickelé qui éloignent la chaleur des composants générateurs de chaleur et la répartissent uniformément à travers le réseau de dissipateurs thermiques. Les technologies de ventilateur ont également parcouru un long chemin, les ventilateurs modernes étant équipés de plusieurs capteurs qui modifient leur comportement en fonction de la température du GPU.

Il est donc assez intéressant de comparer les solutions de refroidissement employées par les cartes graphiques du passé avec celles qui sont utilisées aujourd’hui.

Diverses méthodes de refroidissement

Dans l’ensemble, il existe 3 principales méthodes de refroidissement utilisées par les cartes graphiques modernes, à savoir le refroidissement de type soufflante, le refroidissement à air descendant en plein air et le refroidissement de la chambre à vapeur. Voici les avantages et les inconvénients de chacun.

Refroidisseur de style ventilateur

Le refroidisseur de style souffleur est le style de refroidissement le plus basique et le plus simple que l’on trouve dans les cartes graphiques d’aujourd’hui. C’est également le refroidisseur le moins cher à fabriquer et, par conséquent, offre les pires performances thermiques parmi toutes les différentes méthodes de refroidissement d’une carte graphique. Les refroidisseurs de style souffleur étaient les refroidisseurs utilisés par Nvidia et AMD pour leurs cartes graphiques de conception de référence pendant longtemps, cependant, pour la dernière génération de cartes graphiques, les fabricants ont abandonné les refroidisseurs de style souffleur au profit des plus efficaces. refroidisseurs à courant descendant. Les refroidisseurs de type soufflante ont vraisemblablement atteint la fin de leur durée de vie, bien que certains exemples soient encore en production pour une utilisation dans des systèmes préconstruits et SI.

Les cartes graphiques avec des conceptions de ventilateur étendent le carénage en plastique tout autour du dissipateur thermique et ne laissent aucun espace entre le PCB et le carénage sur les côtés ainsi que sur le haut et le bas de la carte. Le seul chemin pour l’air est d’être forcé directement à travers le PCB vers l’arrière de la carte graphique où se trouvent des trous de ventilation stratégiquement placés sur le support d’E / S. Un seul petit ventilateur aspire l’air ambiant et le force à grande vitesse à travers la carte qui est expulsée directement par l’arrière de la carte. L’air passe au-dessus du dissipateur thermique intégré et des composants du PCB tout en traversant la carte, refroidissant ainsi les composants avec lesquels il entre en contact.

Le refroidisseur de style souffleur pour une carte graphique Nvidia Founder’s Edition – Image: HowToGeek

Le principal avantage du refroidissement de type souffleur est qu’il est assez bon marché à fabriquer et se retrouve donc sur de nombreuses variantes d’entrée de gamme de cartes graphiques, y compris la plupart des conceptions de référence publiées par AMD et Nvidia au fil des ans. Un autre avantage des refroidisseurs de type souffleur est qu’ils expulsent toute leur chaleur directement hors du boîtier au lieu de la libérer à l’intérieur du boîtier, chauffant ainsi d’autres composants comme votre processeur. Cela peut être particulièrement utile dans les boîtiers à petit facteur de forme et les PC avec des systèmes de circulation d’air mal configurés.

Les inconvénients des refroidisseurs soufflants, cependant, sont multiples. Les refroidisseurs de style souffleur fonctionnent fort et chaud, et leur fonctionnement est assez inefficace. En moyenne, une variante de type souffleur d’une carte graphique produirait des températures beaucoup plus élevées que les variantes de courant descendant comparables si elles sont testées dans les mêmes conditions. Pour compenser ce manque de puissance de refroidissement, les cartes soufflantes doivent faire fonctionner leurs ventilateurs à des vitesses exceptionnellement élevées. Il en résulte un profil de bruit incroyablement élevé que les passionnés de PC définissent comme «un moteur à réaction se préparant à décoller». Sûr à dire, vous n’obtiendrez pas une carte de style souffleur si vous voulez jouer de manière furtive.

Refroidisseur à air descendant en plein air

Le style de refroidissement à courant descendant ou «en plein air» est de loin la solution de refroidissement la plus courante et la plus courante utilisée dans les cartes graphiques d’aujourd’hui. Les refroidisseurs à courant descendant offrent généralement de meilleures performances thermiques et acoustiques que les cartes de type souffleur, mais il y a certaines choses à garder à l’esprit lors de l’utilisation d’un refroidisseur à ciel ouvert.

Les refroidisseurs à courant descendant ou en plein air utilisent leurs ventilateurs pour aspirer l’air de l’intérieur du boîtier de votre PC, puis le pousser directement à travers le grand dissipateur thermique en métal afin de dissiper la chaleur des composants. Les refroidisseurs en plein air sont appelés ainsi en raison de leur carénage de ventilateur relativement ouvert qui est ouvert des côtés et de l’arrière, permettant à l’air de passer librement de la carte à l’intérieur du boîtier ainsi qu’à l’extérieur du boîtier à travers le trous de ventilation. Le concept principal des refroidisseurs à tirage descendant est le même que celui des refroidisseurs à soufflerie: l’air est aspiré par les ventilateurs et poussé sur le dissipateur thermique qui entre en contact avec les composants générateurs de chaleur. L’efficacité avec laquelle les refroidisseurs en plein air ou à tirage descendant exécutent cette tâche est souvent bien supérieure à celle des applications comparables de type ventilateur.

La conception du refroidisseur à courant descendant en plein air d’une variante de carte graphique EVGA – Image: HowToGeek

Le plus grand avantage de la conception en plein air est ses performances améliorées par rapport aux cartes de style souffleur. Ces refroidisseurs poussent un grand volume d’air sur leurs dissipateurs thermiques, et maximisent ainsi la dissipation thermique des composants internes de la carte. De plus, le dissipateur thermique lui-même est souvent beaucoup plus grand en raison de la configuration à 2,7 ou même à 3 emplacements dans laquelle se trouvent les cartes modernes. Les variantes de milieu de gamme de cartes graphiques ont souvent deux ventilateurs, tandis que les variantes premium ont presque toujours trois ventilateurs pour vous aider. faciliter la dissipation thermique. Les ventilateurs à courant descendant sont également beaucoup plus silencieux et plus fiables que les ventilateurs de type souffleur.

Cette conception présente également quelques inconvénients. Premièrement, de nombreux refroidisseurs de style en plein air à courant descendant sont plus chers que les variantes de soufflantes de base en ce qui concerne une gamme de cartes graphiques particulière. Un autre problème important avec cette conception est que tout l’air chaud du GPU est déversé directement dans votre boîtier, ce qui peut entraîner une augmentation de la température des autres composants. Par conséquent, il est recommandé d’avoir une excellente circulation d’air à l’intérieur du boîtier avec des ventilateurs correctement configurés si vous souhaitez utiliser un refroidisseur à tirage descendant. Il serait préférable d’éviter ces refroidisseurs dans un boîtier de petit facteur de forme ou une construction relativement compacte. Si vous voulez des recommandations pour les meilleurs cas à haut débit d’air en 2021, vous pouvez les obtenir ici.

Refroidisseur de chambre de vapeur

Les refroidisseurs de chambre à vapeur sont beaucoup moins courants dans les cartes graphiques modernes en raison de leur complexité relative, mais restent une solution de refroidissement intéressante. Une chambre à vapeur est une plaque mince et relativement plate qui est utilisée pour diffuser la chaleur sur une large surface. Habituellement, un empilement d’ailettes est appliqué directement sur la surface de la chambre à vapeur pour augmenter la surface et améliorer la dissipation thermique. La chambre à vapeur elle-même est une plaque de cuivre creuse scellée sous vide. La chambre à vapeur est directement en contact avec la source de chaleur, telle que le GPU, qui est appelé évaporateur dans cette configuration.

Lorsque l’évaporateur est chauffé, le liquide de la mèche s’évapore en un gaz. Le gaz chaud se dilate alors pour remplir l’intérieur de la chambre et atteint la surface plus froide. Au contact de la surface plus froide, le gaz se condense à nouveau, donc la surface plus froide est appelée le condenseur. Le liquide condensé est ensuite renvoyé vers l’évaporateur à travers la mèche pour continuer le cycle.

La conception du refroidisseur de chambre à vapeur – Image: ASUS ROG

Bien que les métaux tels que le cuivre et l’aluminium soient bons pour conduire la chaleur, ils ne sont souvent pas la méthode la plus efficace pour le faire. Un changement de phase est une transition d’une forme de matière à une autre, par exemple du liquide au gaz et vice versa, et le type de refroidissement qui utilise cette technique est connu sous le nom de refroidissement à changement de phase. Les chambres à vapeur peuvent transférer une grande quantité d’énergie thermique en passant par un changement de phase.

En variante, il serait possible d’utiliser simplement un bloc de cuivre massif pour effectuer une tâche similaire, mais cette conception serait beaucoup plus lourde et plus coûteuse à produire qu’une chambre à vapeur creuse. Son fonctionnement serait également plus lent qu’une chambre à vapeur. Cette réduction de la vitesse de transfert de chaleur affecterait également les performances du GPU car il retiendrait plus de chaleur. Les caloducs sont l’autre alternative au refroidissement de la chambre à vapeur et ceux-ci sont largement utilisés dans les refroidisseurs de type à air ouvert à courant descendant mentionnés précédemment.

Lequel devriez-vous choisir?

Bien que les trois refroidisseurs aient leurs avantages et leurs inconvénients, il existe certainement un choix évident en ce qui concerne les solutions de refroidissement des cartes graphiques modernes. La plupart des consommateurs réguliers feraient mieux d’acheter une glacière décente de style en plein air à tirage descendant, car elle offre le meilleur rapport qualité-prix en termes de performances thermiques tout en étant relativement abordable. Différents partenaires AIB lancent plusieurs modèles différents pour un seul GPU et même Nvidia et AMD ont maintenant abandonné les refroidisseurs de style souffleur au profit de refroidisseurs en plein air beaucoup plus efficaces pour la dernière génération de cartes graphiques.

Les chambres à vapeur sont une application intéressante et unique, cependant, leur utilisation réelle dans les solutions de refroidissement de cartes graphiques modernes est assez rare de nos jours. Ils ont été utilisés dans les cartes graphiques de référence d’AMD pendant un certain temps en conjonction avec un refroidisseur de style souffleur, mais n’ont jamais vraiment décollé de là pour devenir des solutions de refroidissement grand public. Les refroidisseurs de style souffleur arrivent également à la fin de leur vie, car de plus en plus de partenaires AIB lancent des variantes de cartes graphiques en plein air abordables avec d’excellentes performances de refroidissement et d’acoustique à un prix abordable.

Il y a cependant un domaine où les refroidisseurs de type soufflante sont encore répandus. Les intégrateurs de systèmes à grande échelle ou SI tels que Dell, HP et Lenovo utilisent ce style de refroidissement pour leurs cartes graphiques car il s’agit d’une unité relativement bon marché à acquérir et elle expulse toute la chaleur directement à l’extérieur du boîtier, de sorte que l’intérieur du boîtier le fait. pas progressivement chauffer avec l’utilisation de la carte graphique. Les acheteurs pré-construits ne se soucient souvent pas beaucoup des températures et de l’acoustique de leur carte graphique, cette application est donc parfaite pour l’écosystème pré-construit. Quant aux constructeurs de PC de bricolage en 2021, ils devraient simplement s’en tenir aux refroidisseurs en plein air car ils présentent de multiples avantages et deviennent de jour en jour moins chers et meilleurs.

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