evet, kabul. suyun özgül ısı kapasitesi
*, havaya kıyasla katbekat yüksektir. su için bu değer 4186 j/kg.k iken, kuru hava için yaklaşık 1005 j/kg.k'dir. yani, birim kütledeki su, aynı kütledeki havadan 4 kat daha fazla ısı enerjisini absorbe edebilir. teori, fizik kanunları ve formüller hep sıvı soğutmanın mutlak üstünlüğünü söyler. peki neden bazı durumlarda, özellikle de ev tipi kasanızın içinde 10+ saatlik bir render veya oyun maratonunun ortasında, o koca borulara rağmen sisteminizin sıcaklığı, havayla soğutan bir sisteme kıyasla daha yüksek bir denge noktasında sabitlenir?
cevap, ısıyı taşıma işinin termodinamik bedelinde ve kapalı sistemlerin nihai olarak ulaşacağı dengeli durum
* ısı denkleminde yatıyor.
sıvı soğutucu ev tipi sistemler bir ısı transferi değil, bir ısı nakliyesi sistemidir. ısı, bir kurye yerine tır'larla taşınır. kapasite muazzamdır, evet. ancak tır'ın depoya varışı, tır'ın yükünü devasa bir depo kompleksine
* boşaltması ve buradaki kuryelerin
* * onu dağıtması zaman alır. işte sıvı soğutmada da olan budur. süreci formüllerle destekleyerek adım adım açalım, soyalım:
1. yükleme
*işlemciniz/gpu'nuz, sürekli bir ısı gücü (q) üretir. bu ısı, termal macun ve soğutucu plaka vasıtasıyla soğutucu sıvıya aktarılır. aktarılan ısı miktarı, iletim (conduction) ile olur ve temel formül şudur:
q = (k * a * delta-t) / d
burada;
q = aktarılan ısı gücü (watt)
k = termal iletkenlik (w/m.k)
a = yüzey alanı (m²)
delta-t: soğutucu plaka ile sıvı arasındaki sıcaklık farkı (k)
d: iletim mesafesi (m)
örnek: kaliteli bir bakır soğutucu plaka (k ? 400 w/m.k), yüksek yüzey alanı (a) ve ince bir termal macun tabakası (d), q değerini maksimize ederek ısıyı suya çok etkili bir şekilde yükler.
2. nakliye ve termal kütle etkisi
pompanız, bu ısınmış sıvıyı radyatöre doğru iter. ancak burada kritik bir etken devreye girer, nedir? termal kütle.
suyun yüksek özgül ısısı, onun aynı zamanda büyük bir ısı tamponu görevi görmesine neden olur. sıvının sıcaklığını 1°c artırmak için gereken enerji çok yüksektir. bu, kısa vadede sıcaklık spike'lerini
* emerek harika bir özelliktir. ancak uzun vadede, bu büyük kütle ısınmaya devam eder.
sıvının taşıdığı toplam enerji şu formülle bulunur:
e = m * cp * delta-t
e = toplam enerji (joule)
m = sıvının kütlesi (kg)
cp = sıvının özgül ısı kapasitesi (j/kg.k)
delta-t = sıvının sıcaklık artışı (k)
örnek: 500 gram suyun sıcaklığını 10°c artırmak için e = 0.5 * 4186 * 10 = 20,930 joule enerji gerekir. bu enerji, sistemi stabilize eden bir tampondur. ancak bu enerji, sistemin içinde dolaşan bir yüktür. işte bu dolaşan yük
*, nihayetinde radyatör tarafından dışarı atılmak zorundadır. sistem, ancak bu atılan enerji, işlemciden eklenen enerjiye eşit olduğunda dengeye ulaşır
3. boşaltma ve imha
* *radyatöre ulaşan sıcak sıvı, buradaki kanatçıklara ısısını aktarır. radyatörün performansı, newton'un soğuma kanunu'na yakından bağlıdır:
q = h * a * delta-t
q = radyatörün attığı ısı gücü (watt)
h = ısı transfer katsayısı (fan hızı, hava akışı, radyatör verimliliğine bağlı bir değer)
a = radyatör yüzey alanı (m²)
delta-t = radyatör yüzeyi ile ortam havası arasındaki sıcaklık farkı (k)
buradaki kritik nokta radyatörün performansı, doğrudan delta-t yani radyatör ile oda sıcaklığı arasındaki farka bağlıdır. radyatör ne kadar sıcaksa, o kadar hızlı ısı atar.
termal denge noktasının
* hesaplanması
sistem, ancak üretilen ısı gücünün (q_cpu), atılan ısı gücüne (q_rad) eşit olduğu noktada dengeye ulaşır.
q_cpu = q_rad
yukarıdaki formülleri birleştirirsek, işlemci sıcaklığını (t_cpu) tahmin eden basitleştirilmiş bir model şöyle olabilir:
t_cpu = t_ambient + (q_cpu * (r_interface + r_radiator))
t_ambient = ortam (oda) sıcaklığı (°c)
r_interface = işlemciden suya olan termal direnç (k/w)
r_radiator = sudan ortam havasına olan toplam termal direnç (k/w). bu direnç, radyatör verimliliğinin tersidir (1/(h*a)).
örnek: ortam sıcaklığı 25°c, cpu 150w güç tüketiyor ve sistemin toplam termal direnci (r_interface + r_radiator) 0.15 k/w ise, denge sıcaklığı: t_cpu = 25 + (150 * 0.15) = 25 + 22.5 = 47.5°c olacaktır. radyatör ne kadar verimliyse (h*a değeri ne kadar büyükse) r_radiator değeri o kadar küçülür ve t_cpu daha düşük olur.
10+ saatlik sürekli yük altında, sistem yukarıdaki denklemde tarif edilen denge noktasına ulaşır. ancak bu nokta, hava soğutmalı bir sisteminkinden neden daha yüksek olur? işte formüllerin arkasındaki pratik sebepler:
1. sistemdeki toplam ısı enerjisi
hava soğutmada, ısıyı taşıyan ortam
* sürekli değişir. sıvı soğutmada ise aynı sıvı kütlesi sürekli ısınır ve soğur. kasanın olduğu ortamın 50 derecede olmadığını düşünürsek dışarıdan sürekli kasa içi ortamından daha serin bir hava alınacaktır.
uzun süreli yük altında, bu sıvı kütlesinin ortalama sıcaklığı (delta-t yukarıdaki formülde) yükselir. radyatörün performansı (q = h * a * delta-t) bu yüksek delta-t sayesinde artar, ancak bu, sistemde dolaşan sıvının ve dolayısıyla bileşenlerin daha yüksek bir taban sıcaklıkta çalışması pahasına olur, peki nasıl?
yani, radyatör ısıyı atmak için daha verimli hale gelir, ancak bu verimlilik artışı, soğutucu bloğa giren suyun sıcaklığının artmasıyla satın alınır. soğutucu blok ile işlemci arasındaki sıcaklık farkı (delta-t) azaldığı için, artık işlemciden ısıyı çekme hızı da bir miktar düşer. sonuçta sistem daha yüksek bir sıcaklıkta denge kurar.
2. pasif ısıtma
borular ve sıcak sıvı, kasa içindeki havayı pasif olarak ısıtır. ayrıca pompanın ürettiği ısı
* ve uzun süreli çalışmada pompa devrinin düşme ihtimali de
* sistem verimliliğini bir miktar düşürür.
hava soğutmada ise kasa içindeki hava sürekli dışarı taşınır.
netice-i kelam
sıvı soğutma, teorik üstünlüğüne rağmen, kapalı bir kasa ekosisteminde, ısıyı "taşıma" zorunluluğundan ve bu taşımanın getirdiği termal gecikme ve çoklu transfer kayıplarından ötürü, özellikle uzun süreli, sabit yük altında, eşdeğer fiyatlı hava soğutmaya kıyasla bazen daha yüksek bir denge sıcaklığına ulaşır.
kısa süreli, ani performans dalgalanmalarında (oyunlarda, kısa render işlemlerinde) kesinlikle daha iyidir; yüksek termal kütlesi sayesinde spiğleri emer ve daha stabil saat hızları sunar. ancak bir maraton koşucusu olduğunuzda (uzun render, simülasyon, mining), hava soğutmanın daha direkt ve daha az ara katmanlı ısı atma metodunun avantajıyla karşılaşırsınız.
yani, "su her şartta havadan iyidir" lafı, her zaman mutlak doğru değildir. bağlam, kasa içi hava akışı, radyatör boyutu, bileşenlerin kalitesi ve en önemlisi kullanım senaryosu, bu denklemin en kritik değişkenleridir. doğru soğutma çözümü, iş yükünüzün profilini anlamaktan geçer.
şurada da biraz sıvı soğutucu savunucularını pataklayalım.
aşağıda tipik birkaç argümanlarına cevap vermeye çalıştım nacizane. bu arada teknoloji tamamen ölçümlenebilen, matematiği açık bir konu. bu konularda sürekli bir şeyi savunmak nerden geliyor, hangi içgüdümüzü besliyor anlayamıyorum. aşiretini savunurmuş gibi bana sıvı soğutucu anlatıyor... bilemiyorum altancım.
1. koca
google /
facebook /
microsoft datacenter'larda sıvı soğutma kullanıyor, onlar mı salak? ınların mıyendızı ıptıldı zıtın...
* ciddi bir ölçek farkı
hayır, onlar salak değil; onların problemi, ölçeği ve öncelikleri farklı.
bir datacenter'daki raf, 40-50 tane yüksek wattlı
* sunucu cpu'sunu bir araya sıkıştırır. buradaki problem, hava soğutmanın fiziksel sınırlarıdır. o daracık alandan, o yoğun ısıyı atmak için yeterli hava akışını sağlamak imkansıza yakındır. sıvıyı (genelde boru hatlarıyla) direkt işlemciye götürmek, ısıyı kaynağında yakalayıp binanın dışındaki devasa, açık hava radyatörlerine (cooling tower) taşımanın en verimli yoludur. yani onların derdi, "kasa içi sıcaklık" değil, "raf içi yoğun ısı yükü"dür. senin evindeki kasanın içi, bir datacenter rafı gibi değildir. orada hava akışı için metrelerce fan koyma lüksün yoktur, onların var.
* pue
* derdi
datacenter'lar için en büyük maliyet elektriktir. soğutma sistemlerinin harcadığı elektrik, toplam tüketimin devasa bir kısmını oluşturur. sıvı soğutma, hava soğutmaya kıyasla çok daha verimli olduğu için pue değerlerini düşürür ve milyonlarca dolar tasarruf sağlar. evinde kullanacağın 3 fanın yerine 3 fanlı bir radyatör + pompa koymak, enerji verimliliği açısından öyle uçuk bir fark yaratmaz. onların derdi enerji verimliliği, senin derdin 70°c yerine 65°c'de oyun oynamak.
* bakım ve güvenilirlik
datacenter'lardaki sıvı soğutma sistemleri, sızıntı dedektörleri, yedek pompalar ve otomatik vanalarla donatılmış, profesyonel olarak tasarlanmış ve sürekli izlenen sistemlerdir. orada bir sızıntı olduğunda anında müdahale edilir ve hasar minimize edilir. evinde ise aio bir soğutucunun 1 yıl sonra pompası bozulduğunda veya bir fitting'ten su sızdırdığında, muhtemelen anlayana kadar işlemcin, ekran kartın ve anakartın öbür dünyayı boylar. risk/reward oranı tamamen farklıdır.
2. suyun özgül ısısı havadan katbekat yüksek, o zaman neden daha kötü olsun?
bu argüman, termodinamiğin sadece yarısını okumaktan kaynaklanır. evet, su ısıyı taşımakta havadan katbekat iyidir. ama asıl mesele, o ısıyı nereye, ne kadar hızla ve ne bedelle attığındır.
yukarıda anlattığım termal denge formülünü ( t_cpu = t_ambient + (q_cpu * r_total) ) hatırla. buradaki r_total (toplam termal direnç), iki ana kısımdan oluşur:
1. işlemciden suya geçiş direnci = r_interface
2. sudan ortam havasına geçiş direnci = r_radiator
sıvı soğutmanın sihri, r_interface değerini muazzam düşürmesidir. yani ısıyı işlemciden çekip almakta çok başarılıdır. bu yüzden ani yüklerde müthiş performans gösterir.
ancak
nihai denge sıcaklığını belirleyen şey, r_radiator yani radyatörün ısıyı atmadaki başarısıdır. işte bu noktada, ufak bir radyatör sıvı soğutma sistemi, devasa bir hava soğutucunun (r_interface'i biraz daha yüksek ama r_radiator'ü çok daha düşük olur) karşısında denge noktasında yenilir. 4000-5000 dolar bütçeniz yoksa genelde fiziki kısıtlardan dolayı radyatör uzun süreli yük altında sıvıdan ısıyı havaya karıştırmakta zamanla eksik kalır. borular, pompa, kablolar, karmaşık düzeneklerin hepsi kasada yer kaplar. yüksek yük altında uzun süreli çalışan bir sistemin radyatörü daha büyük olmalıdır. datacenter'lar bunları devasa fanlarla doğrudan dışarı vererek yapıyor.
yani senin sıvı soğutucun, ısıyı müthiş bir hızla işlemciden çalıp radyatöre getirir, ama radyatörün o ısıyı atmakta yetersiz kalırsa, o ısı sürekli dönen suyun içinde birikir ve suyun ortalama sıcaklığı artar. bu da, soğutma bloğundaki soğuk su ile işlemci arasındaki delta-t farkını azaltarak, en baştaki mucizevi ısı çekme performansını düşürür ve sonuçta daha yüksek bir denge sıcaklığına ulaşırsın.
zaten sabahtan beri konuştuğumuz şey ısının en hızlı şekilde ortamı terk etmesi değil miydi? su isterse özgün ısı kapasitesi olarak havadan 100 kat daha fazla olsun... bir anlamı yok ki? ben sıvıdaki ısıyı da atmosfere karıştırmak durumundayım. o sıvı sihirli bir sıvı değil ki, dönüp dolaşıp yine fanlara kaldık?
3. benimki 5 senedir sorunsuz çalışıyor, hiç sızdırmadı
harika, şanslısın. ancak termodinamik kadar önemli bir başka gerçek de mühendisliktir.
karmaşıklık, arıza potansiyelini artırır.
*hava soğutucu
arıza yapabilecek tek hareketli parçası fandır. fanı değiştirmek ise 2 dakikalık ve ucuz bir iştir.
* sıvı soğutucu
arıza yapabilecek noktalar: 1- pompa, 2- borularda mikro sızıntılar, 3- bağlantı noktalarında gevşemeler, 4- radyatör delinmesi, 5- fanlar. en kritik arıza pompada yaşanır. pompa durduğu anda, su devridaimi durur, işlemci üzerindeki minicik blok saniyeler içinde ısıya doyar ve sıcaklık 100°c'ye fırlar. sızıntı riskini ise hiç saymıyoruz bile. hava soğutucunun basitliği, onun en büyük güvenilirliğidir.