La refrigeración en tarjetas gráficas
Las tarjetas gráficas son uno de los componentes principales de nuestros ordenadores, gracias a ellas podemos ver a través de una pantalla todo lo que pasa en nuestro ordenador y con el auge de los videojuegos su papel ha pasado a ser todavía más importante, siendo esta pieza la principal responsable de la fluidez y los fps que tengamos a la hora de jugar con nuestro ordenador.
Los chips gráficos no siempre vinieron en formato tarjeta de gran tamaño con múltiples ventiladores y con un gran consumo energético, de hecho, en una primera instancia los cálculos relacionados con los gráficos los realizaba la CPU, y el chip gráfico no era más que un componente más de las placas base para poder generar una imagen visible. Pero a medida que han ido aumentando los requisitos de los videojuegos y ha ido avanzando la tecnología gráfica, cada vez las GPU han ido necesitando más espacio hasta llegar a tener su propio PCB y todo un set de componentes dedicados solo a su función, casi como si fueran un ordenador independiente dentro de nuestros sistemas con su RAM, su BIOS, su sistema de alimentación, sus grandes disipadores… todo eso para permitirnos hacer tareas como el “gaming” o más recientemente con la inteligencia artificial.
Y es que al aumentar su potencia y consumo también han aumentado sus requisitos de refrigeración, por eso a cada generación nueva de gráficas que salen al mercado da la impresión que aumentan su tamaño físico respecto a la anterior, especialmente en las gamas más altas para así poder mantener el núcleo a unas temperaturas aceptables. Podemos preguntarnos entonces sobre las diferentes opciones de refrigeración que tienen las tarjetas gráficas, que diferencias tienen y cual se adapta mejor a nuestras necesidades, lo cual explicaremos en detalle en esta guía para que así podamos entender cómo se refrigeran y que ventajas e inconvenientes tiene cada método.
La teoría de la refrigeración, porqué a veces más es menos
Para entender las necesidades de refrigeración de nuestro sistema y porqué cada enfoque y tipo de refrigerador tiene las ventajas y los inconvenientes que tienen hay que entender unos principios físicos básicos que determinan su funcionamiento.
Empecemos por la función de estos sistemas. Los chips al funcionar producen calor, lo cual no es más que energía que se pierde al moverse la electricidad por su interior, por eso, cuanto más grande y potente sea, más calor desprenderá al estar usando más energía. Por eso una RTX 4060 con sus 120W de consumo desprenderá menos calor que una RTX 4090 con sus 450W de energía. Esta idea es más que suficiente para entender de donde sale esa energía puesto que el calor, la eficiencia y el consumo energético no es exactamente así si nos ponemos estrictos, ya que en realidad del consumo energético habrá una parte que volverá por el circuito al no haberse disipado una vez haya pasado por el núcleo. Esta proporción dependerá del binado del chip, pudiendo ser algo parecido al de los 450W de una 4090, que 380W se disipen por calor y 70W vuelvan por el circuito, pero este tema es bastante más complejo y no nos vamos a meter con él aquí.
Una vez un chip está funcionando, este se va calentando a medida que pierde energía, esa energía que podemos llamar calor, se pasa a los materiales de alrededor del chip, y cuanta mayor conductividad térmica tenga ese material, más rápido absorberá el calor que se encuentre en su alrededor intentando siempre igualar su temperatura con la de los materiales circundantes. Por ejemplo, los plásticos tienen muy poca conductividad térmica, de ahí que, aunque estén calientes, a estos les cuesta pasar el calor a los materiales o fluidos de su alrededor. Un ejemplo de un material contrario serían la mayoría de metales, como por ejemplo el aluminio o el cobre, que son de los que más fácilmente conducen la energía y por eso se usan en disipadores. La conductividad térmica no se debe confundir con el calor específico, que es la cantidad de energía que hay que aplicarle a un material para que aumente su temperatura.
Los materiales tienden a igualar la temperatura que tienen a su alrededor
Sabiendo cómo se comporta el calor, podremos diferenciar dos partes en los disipadores. La primera parte son los elementos que tienen como función dirigir el calor del chip que lo genera hasta el punto donde se disipa. En los de por aire estos elementos serían las heatpipes, las cámaras de vapor o los bloques de aluminio o cobre, mientras que en los disipadores por agua el elemento realizando esta función sería el líquido moviéndose por las tuberías del circuito y el bloque que está en contacto con el chip.
La segunda parte serían los elementos que tienen como función pasar el calor recogido por los elementos anteriores al aire que está a su alrededor. Estas partes pueden ser bloques de metal o más comúnmente aletas de aluminio o cobre que suelen estar recortados y agujereados para tener la mayor superficie posible en contacto con el aire y así pasar a él la máxima energía. En las refrigeraciones líquidas estos elementos son los radiadores, que hacen pasar el agua por tuberías muy pequeñas para transferir el calor del agua al aire que pasa entre ellas.
Estas serían las partes de un sistema de disipación, aunque luego si es cierto que todos ahora vienen acompañados de ventiladores para circular el aire alrededor de las superficies de disipación, alejando el aire que se ha calentado e introduciendo aire fresco alrededor del metal. Esto permite que el aire se mantenga fresco en las superficies de disipación y que gracias a la diferencia de temperatura se transfiera la energía. Los ventiladores pueden tener varios tipos, tamaños y formas según su función, aunque esto no lo cubriremos muy a fondo en esta guía.
Refrigeración por aire, la más común y sencilla
Cuando pensamos en una tarjeta gráfica el diseño que se nos suele venir a la cabeza es el de los disipadores por aire, de dos o tres ventiladores, que serán los más comunes y el sistema de refrigeración que más tiempo se ha estado usando gracias a su simpleza, su gran variedad de opciones en cuanto a coste y rendimiento y finalmente, su bajo coste.
En cuanto a los diseños que podemos encontrar con los disipadores con aire, se pueden dividir en tres categorías según su diseño: pasivos, activos, con cámara de vapor y con turbina.
Disipadores pasivos:
Estos se caracterizan por su ausencia de ventiladores u otros elementos móviles, de forma que suelen tener diseños centrados en generar la mayor área posible de contacto del metal con el aire y en canalizar el aire o mover el aire de forma pasiva por diferencia de temperatura o simplemente aprovechar el aire de otros ventiladores de la caja.
Estos diseños suelen verse en tarjetas de gama baja, que debido a su bajo consumo no necesitan de ventiladores para poder llegar a un nivel de refrigeración aceptable. Pero paradójicamente también veremos estos diseños en las gráficas de más alta gama diseñadas para servidores y con mucha más potencia y consumo que incluso muchos modelos de escritorio de gama alta. Esto es debido al diseño de los racks de servidores, que tienen ventiladores empujando aire dentro a muy altas velocidades y este se puede aprovechar para redirigirse a través de las gráficas. De hecho, muchas CPU de servidores usan esta misma técnica para enfriarse.
Disipadores activos:
Este tipo de disipación es la más famosa, con una gran estructura de metal para repartir el calor generado por el núcleo y los diferentes elementos de la gráfica y con su propio set de ventiladores para que pueda disipar esa energía de forma independiente. Aparecen en todo tipo de gráficas gracias a que son escalables y que se pueden aumentar o reducir en tamaño para servir desde los modelos más básicos y con menor consumo hasta las tope de gama con grandes estructuras de metal de varios kilos.
Dada su gran capacidad de personalización, podremos ver muchas combinaciones diferentes de los componentes que forman estos disipadores, así como la calidad de estos lo cual resulta en diferentes rendimientos según se usen cámaras de vapor o no, el número de heatpipes, la calidad y espaciado de las aletas de aluminio, el tamaño y tipo de ventiladores… Por eso analizar el rendimiento de una refrigeración de este estilo no es una tarea sencilla y no siempre tener un disipador más grande, con más heatpipes o con más ventiladores significará una mejor disipación del calor.
Bloque de metal
Estos tienen la peculiaridad de que toda o la mayoría de la parte metálica está formada por una misma pieza de metal o por varias piezas de gran tamaño. Por ejemplo, este diseño aparece en disipadores de CPUs como los clásicos de Intel y generalmente en gráficas de gama baja y modelos low cost.
Los disipadores para CPU de Intel siguen ese mismo diseño, donde se puede ver claramente que es todo una sola pieza
Su principal ventaja es su bajo coste, dado que al ser un solo bloque se elimina la necesidad de unir o soldar otras piezas de metal para completarlo. Por esa misma razón, la distribución del calor suele ser muy buena por toda su extensión. Pero tiene un gran problema, y es que la superficie de contacto con el aire suele ser muy pobre al tener aletas de gran tamaño y un bajo número de ellas. Esto pasa al ser toda una misma pieza de metal, lo cual dificulta hacer piezas finas para aumentar la superficie en contacto con el aire, por eso se usa en gamas bajas con un bajo consumo energético.
Laminas o aletas de metal.
Este es el diseño más extendido y que más se puede escalar y ampliar, haciendo que sirva desde modelos de bajo consumo hasta los modelos más Premium y de más consumo. El diseño se basa en repartir el calor a través de una red de aletas de metal, las cuales están completamente en contacto con el aire por sus lados, haciendo que haya muchísima superficie de metal en contacto con el aire. El rendimiento, la eficiencia y el coste depende de varios factores, como la forma de repartir el calor y el número de heatpipes y su forma, donde se posicionan los ventiladores, la orientación y separación de las láminas, el material y grosor de las láminas…
Generalmente, podemos observar un diseño como el superior, donde todas las láminas se ponen sobre el PCB de la gráfica y los ventiladores empujan o chupan aire que se cuela desde los laterales u otras aberturas de la gráfica. Recientemente, también se han popularizado los diseños pass through, los cuales extienden el disipador más allá del PCB para que el aire lo atraviese de un lado a otro de una forma más limpia y mejorando así la disipación. Este diseño se puede observar en las gráficas Founders Edition de las series RTX 3000 y RTX 4000 de NVIDIA.
Cámara de vapor
Otra forma de ventilar el calor es mediante una cámara de vapor, aunque en este caso este elemento lo que ayudará es a extraer más calor del núcleo y pasarlo al resto del sistema de refrigeración usando heatpipes u otros elementos. Es cierto que este no es un diseño de disipador en sí que es un elemento que tiene mucha importancia si se incluye en una gráfica y cambiará un poco el diseño del resto del sistema de enfriamiento. Podemos explorar en más detalle cómo funciona una cámara de vapor aquí.
Disipadores de turbina
Estos son una variante de los activos, pero es mejor verlos por separados dada la función específica que sirven y las grandes diferencias de funcionamiento respecto a los disipadores por aire normales. Para empezar, estos usan un tipo de ventilador diferente, mientras que los normales cogen aire por delante y lo echan por detrás, estos usan una turbina que coge aire por delante y en ocasiones por detrás también y lo expulsan por un lateral, en perpendicular a su eje de rotación. Pero esa no es la única diferencia, ya que también funcionarán a velocidades mucho más altas, generalmente en el rango de hasta 3000-4000 rpm y generarán un flujo de aire mucho más limpio que los otros ventiladores, sin turbulencias, lo cual mejora el traspaso del calor desde el disipador al aire que pasa por él. Y por si esto fuera poco, la mayoría de estos diseños expulsa todo el aire fuera de la caja, mejorando el flujo y evitando completamente reciclar aire en el enfriamiento.
Otra ventaja es que el diseño de turbina es mucho más compacto, permitiendo coger aire y lanzarlo en planos diferentes, siendo de especial utilidad en dispositivos donde el espacio no sobra como los ordenadores portátiles o los servidores, de ahí que se usen mucho en ambos y que las gráficas que lo usan solo necesiten dos slots PCIe de anchura mientras que los otros diseños por aire pueden usar 3 o incluso 4 perfectamente y eso sin contar la altura extra que los disipadores de turbina no tienen.
Pero a pesar de sus ventajas, estas formas de refrigerar no son muy populares en las tarjetas de escritorio dadas sus dos principales desventajas. La primera es que estos diseños tienen una superficie de disipación muy pequeña comparado con los otros disipadores por aire, haciendo que sus temperaturas sean más elevadas.
El otro problema que tienen es que la turbina suele ser muy ruidosa, aunque eso dependa más del rodamiento y de cómo esté lubricado y diseñado, pero en general y aun con las de mayor calidad, el ruido que hacen es audible y si se quiere mantener la temperatura bajo control pueden llegar a ser atronador. Esto no es un problema en los centros de datos donde se puede poner a tope sin molestar a nadie, pero en un ordenador doméstico es bastante molesto y a altas velocidades hay modelos que son perfectamente audibles, incluso con cascos y música puesta.
Refrigeración líquida, la opción Premium
La refrigeración por aire cubre todas las gamas y es más que suficiente para la mayoría de usos, pero al igual que con los procesadores, las gráficas tienen también opciones de refrigeración líquida, las cuales cada vez ganan más popularidad gracias al aumento del consumo de estas.
Las ventajas de la refrigeración líquida son claras, permite disipar una gran cantidad de calor gracias a las propiedades del agua de transportarlo a un radiador lejos de la fuente de calor donde luego se transporta al aire. Esto hace que sea perfecta para mantener las temperaturas mucho más bajas en comparación con las soluciones por aire incluso en las gráficas de más potencia. Mientras para los entusiastas esta solución les permitirá extraer hasta el último fotograma de sus tarjetas y soportar overclocks muy grandes.
Pero esta ventaja en refrigeración viene con otros problemas. Para empezar, el sistema de refrigeración ahora se vuelve mucho más complejo, con el bloque para refrigerar el núcleo de la gráfica, las tuberías para el agua, el depósito, la bomba de agua y todo lo necesario para gestionar las piezas anteriores. Esto hace que el precio sea mucho mayor, especialmente con los sistemas más avanzados y de más rendimiento. Luego, dada la mayor complejidad y el hecho de que estamos trabajando con un líquido significará que tendremos que hacer más mantenimiento que con los diseños por aire. Finalmente, si deja de funcionar un disipador por aire, el propio metal es capaz de absorber calor para que no haya una subida abrupta en la temperatura que pueda dañar los componentes, pero dado que las refrigeraciones por agua dependen del flujo de la misma para mover el calor, si por algo este se para será como si de repente no hubiera nada enfriando el núcleo, pudiendo dañarlo.
Refrigeración en formato AIO
Aquí tendremos la refrigeración líquida en un circuito cerrado que funciona como los AIO para CPU, con todo lo necesario para funcionar incluido para que sea tan sencillo como enchufar la gráfica, instalar el radiador y que todo se ponga a funcionar. Además, son la opción que requiere de menos mantenimiento, puesto que el circuito está cerrado y no suele haber pérdidas o dar problemas y viene ya listo para usarse de stock con la gráfica. Se suele ver en modelos Premium de gráficas de gama alta, que son las que más se pueden aprovechar de esta potencia de refrigeración extra y donde menos diferencia tiene su precio frente a un disipador por aire muy grande.
También podemos encontrar adaptadores o AIOs por separado para sustituir el disipador por aire de algunos modelos de gráficas, como explicaremos en la siguiente sección.
Refrigeración líquida personalizada
Este tipo es el que mayor rendimiento alcanza, aunque también el más caro, vistoso y que más atención necesita. En estos casos compraremos cada elemento por separado y a medida para nuestro ordenador. Dependiendo de nuestras preferencias podremos usar unos líquidos u otros, tubos rígidos o blandos, un circuito que incluya a la CPU también, una reserva de agua de diferente capacidad o que sea parte de otra pieza, un radiador de diferente tamaño o incluso más de uno…
Las posibilidades son casi infinitas, siempre y cuando tengamos piezas compatibles con los componentes que estarán en el circuito. El único problema que tiene esta opción es el coste, que puede ser muy alto incluso para las piezas más simples como las tuberías, juntas o codos, y esto sin entrar en los radiadores o bloques que suelen ser las piezas más caras.
Pero además del coste, también tendremos que tener vigilado el circuito de forma constante, ya que las juntas con el tiempo se deterioran y puede haber fugas si no se ha montado correctamente, se mueve el pc o se toca la instalación, pudiendo bañar las piezas de nuestro PC si algo va mal.
Disipadores alternativos para sustituir los de stock
Cambiar el disipador de una tarjeta de video es difícil pero no imposible. Esto es debido a que cada PCB de cada modelo y cada marca suele tener un diseño diferente, con el chip cada uno en un lado y los componentes secundarios como los VRM y los módulos de VRAM en posiciones distintas, haciendo que diseñar una pieza universal que sirva para todas las GPU sea una tarea casi imposible, pero esto no ha evitado que aparezcan soluciones interesantes para refrigerar nuestra gráfica.
La mayoría de disipadores “custom” se diseñaron para gráficas de generaciones anteriores y de hecho algunos modelos llegaron a tener bastante popularidad, como la serie Accelero de Artic. Pero para gráficas modernas como las RTX 3000 o RTX 4000 ya no hay prácticamente ninguno, y si se piensa, esto tiene mucho sentido.
Estos productos que sustituían los disipadores de stock surgieron debido principalmente a la mala calidad de los de stock que muchas gráficas incorporaban, los cuales eran muchas veces ruidosos, pequeños y no tenían la potencia de enfriamiento necesaria para extraer todo el jugo a la gráfica. En esta época también eran muy populares los disipadores de turbina, los cuales se aparecían en todas las versiones founders de las gráficas de Nvidia, muchos modelos de referencia de AMD y muchos otros diseños de marcas. Por eso, había un mercado para sustituir esos disipadores por otros mejores y era común verlos en diferentes modelos.
Entre estos disipadores podemos destacar opciones por aire y por agua, las primeras solían ser un diseño como los ya mencionados Artic Accelero. Por ejemplo, el Accelero Extreme 4 incluía pequeños “heatsinks” para refrigerar las memorias y otras partes del PCB además de varios kits de montaje para adaptarse a todo tipo de gráficas desde las antiguas 7800 GT hasta las RTX 2000 y hasta las RX 5700 XT en el caso de AMD, aunque es posible que también funcione con otras gráficas más nuevas.
Las opciones líquidas tenían también algo de variedad, con mismamente la opción de NZXT que con el adaptador Kraken G12 para gráficas permitía usar algunos AIO de CPU en ellas, pero también podíamos encontrar soluciones más especializadas como las de Alphacool, con AIO específicamente diseñados para ciertos modelos de gráficas y que de hecho podemos encontrar para los últimos modelos.
Y luego, como siempre, tenemos los bloques de refrigeración líquida, los cuales permitirán toda la libertad a la hora de elegir el resto del circuito y que estarán más enfocados a entusiastas con un presupuesto más alto.
Actualmente, no hay prácticamente disipadores por aire nuevos que se estén lanzando para las nuevas generaciones de gráficas, solo alguna excepción como el caso del Raijintek Morpheus 8069, que aun así con sus 360W de disipación se queda un poco corto para las topes de gama. Todo lo que podremos encontrar ahora personalizado serán los bloques de siempre que es una opción que siempre tendremos y algún AIO listo para usar como los Eiswolf de Alphacool que mencionábamos antes.
Otras formas de refrigerar tarjetas gráficas y que disipador elegir.
Estos métodos que hemos explicado anteriormente son los principales que podemos encontrar en gráficas, pero hay algunos métodos más raros que se pueden usar para refrigerar las gráficas. Una forma que se usa sobre todo para batir records es la de refrigerar mediante nitrógeno líquido. No hace falta decir que este método solo lo usan profesionales en determinadas situaciones y que es de hecho malo para el dispositivo al exponer a los materiales a grandes cambios de temperaturas desde valores bien metidos en el rango de los negativos. Otra forma de refrigerar gráficas que se usó en algunos modelos antiguos fue mediante el uso de una Célula Peltier, la cual usa una corriente eléctrica para alejar el calor del chip.
Sea el que sea el método que elijamos para refrigerar nuestra tarjeta gráfica, veremos que cada uno tiene sus ventajas e inconvenientes que podremos aprovechar según nuestros gustos respecto a temperaturas, ruido, complejidad y potencia de enfriado, por eso, a continuación, vamos a hacer un pequeño resumen muy general para diferenciarlos y saber cuál elegir según nuestra gráfica.
Si nuestra gráfica es de gama baja (Series XX50 y XX60 de Nvidia o Series X600 de AMD e inferiores) puede que la mejor opción sea un disipador por aire simple con uno o dos ventiladores, uno más grande no compensará por el generalmente bajo consumo de los productos de estas gamas. Mejor evitar los que usan un único bloque para refrigerar, dado que puede limitarnos a la hora de hacer overclock o en términos de ruido.
Si tenemos una gama media (Series XX70 de Nvidia y algunos modelos de alrededor como la RTX 3060 Ti y Series X700 y las X800 más básicas de AMD) será buena idea buscar un disipador robusto por aire, aunque hay gráficas de esta gama con mucho consumo en general la disipación por agua no suele compensar debido al gran coste que implica y a la poca ganancia de rendimiento o refrigeración que da. Un diseño de 3 ventiladores y entre 2 o 3 slots de grosor refregará de sobra la gráfica siempre y cuando sea un diseño de calidad.
Finalmente, para las gamas altas (Series XX80 y XX90 de Nvidia y X800 XT y X900 de AMD) tendremos que buscar disipadores lo más grandes posibles, ya que con consumos que superan los 300W y pueden llegar a los 450W los requisitos de disipación se disparan, con algunos modelos por aire que a pesar de su tamaño pueden no ser suficientes si se quiere silencio y que la gráfica no baje de frecuencia por las temperaturas del núcleo o incluso de la memoria. La disipación por líquido empieza a salir rentable al permitir trabajar a las gráficas a temperaturas controladas de forma silenciosa, aparte que su coste empieza a ser una porción más pequeña del coste de la gráfica. Además, en esta gama veremos modelos con refrigeración por agua de stock y tendremos una gran variedad de bloques y sistemas de este tipo para elegir.
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