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CPU Fan

Le CPU in contenitore piatto, con i pin sulla faccia inferiore,  sono una delle tipologie di processori piú comuni.
Tutti questi richiedono una dissipazione forzata del calore per operare correttamente senza venirne danneggiate.
Un eccesso di calore che si accumula nel package, se non rimosso, puó portare alla distruzione irrimediabile del chip di silicio del processore.

É noto che il calore prodotto dalla CPU é normalmente rimosso per mezzo di un dissipatore alettato che lo trasferisce nell'ambiente per convezione ed irraggiamento . Per accrescere il rendimento viene applicata una ventola che conduce un flusso di aria sulle alettature del radiatore , facilitando lo smaltimento del calore .Questo sistema é vantaggioso perché efficiente ed economico , ma comporta il problema che , a seguito di un' eventuale arresto o rallentamento della ventola , il processore puó trovarsi ad una temperatura troppo elevata . I problemi sulla ventola , solitamente , derivano dall' accumulo di polvere che viene trascinata assieme all'aria .

Importante, dunque, é la necessitá di avere il raffreddamento del package e la sicurezza che questa azione non venga meno; per questo le schede madri delle ultime serie sono state dotate di sistemi per il controllo della temperatura della CPU e dell'efficienza delle ventole.   Nel set dei sistemi di sicurezza la funzione di hardware monitor (PC health monitor) é svolta da chip specializzati, che tengono sotto controllo costantemente sia la temperatura del processore che quella dell'ambiente interno allo chassis ed anche la velocitá delle ventole di raffreddamento; questo permette di generare un allarme che avverte l' Utente sia delle condizioni termiche inadeguate, sia del rallentamento o dell' arresto del rotore delle ventole in modo da permettere un intervento tempestivo .
Per supportare questa funzione le ventole sono dotate di un connettore a tre poli, due dei quali sono dedicati all'alimentazione ed il terzo serve ad un segnale tachimetrico, proporzionale alla velocitá di rotazione.

Il collegamento avviene sulla scheda madre con un connettore standard a tre contatti; la tabella qui a lato riporta i collegamenti tipici.
La tensione di funzionamento delle ventole PC é tipicamente 12V, ad eccezione delle micro ventole, usate di solito su schede video e simili, che vanno a 5V .
I colori dei cavi possono essere differenti da quelli indicati .

Pin

Funzione

Colore

1

Ground

Nero

2

+ 12V

Rosso

3

Segnale Tachimetrico

Giallo o bianco

Il segnale tachimetrico fornisce al controller dell'hardware monitor un segnale proporzionale alla rotazione ; il BIOS e/o un opportuno software (PCDoctor, USDM e simili) consentono all'Utente di attivare i limiti di intervento e visualizzare le condizioni operative della ventola.
Ovviamente la ventola puó essere collegata anche a schede madri senza controllo tachimetrico , utilizzando solamente i due pin della tensione di alimentazione .

Nella progettazione del radiatori per le CPU si deve tenere particolarmente conto della necessitá di raffreddare CPU con elevata potenza dissipata , oppure in condizioni di overclock. Pertanto le alette hanno un disegno complesso per avere una elevata superficie di scambio termico senza ingrandire oltre modo il radiatore, che ha limiti fisici nella necessitá di essere posizionato sullo zoccolo della CPU, e la ventola per la circolazione ha, nei modelli piú efficienti, il lato di 50 mm come minimo, per arrivare a 120mm nei sistemi a basso rumore.
Sempre per quanto riguarda la sicurezza , la parte rotante della ventola, in un radiatore di qualitá, é montata su cuscinetti (ball bearing), a volte anche doppi, per il massimo avere la massima affidabilità ed il minimo di vibrazioni e rumore .

Il collegamento allo zoccolo del processore avviene solitamente con una molla metallica , agganciata alle due estremitá ai naselli previsti dallo standard oppure a viti o clips elastiche e che assicurano una sufficiente pressione, garantendo nel contempo un fissaggio stabile.

Questi sistemi elastici esercita sul package sottostante la necessaria pressione per un buon accoppiamento delle parti, oltre a sostenere meccanicamente il dissipatore, che puó avere anche dimensioni consistenti; prima di installare il dissipatore é molto opportuno verificare che il processore sia perfettamente inserito nello zoccolo e la leva sia chiusa. In caso contrario é possibile danneggiare il chip.

Sempre a questo proposito c'é da osservare anche che non tutti i package hanno lo stesso spessore ed alcuni dissipatori possono avere una molla troppo corta, ovvero che esercita una pressione eccessiva, o troppo lunga, che, invece, non da sufficiente stabilitá alla connessione. In sostanza il dissipatore adatto é quello che si applica con una pressione decisa, ma non eccessiva, mentre sono da evitare in assoluto i dissipatori che, una volta installati, "ballano" per una pressione insufficiente. Questo ultima condizione puó essere facilmente verificata provando con cautela a muovere il radiatore fissato sullo zoccolo : non devono essere possibili movimenti liberi ed il contatto del radiatore sulla CPU deve essere ben piano.
Significativo diventa questo punto per le CPU in FCPGA, dove la superficie del flip chip é meno di 1/4 di quella di un PGA; in questo caso é esenziale la perfetta planaritá dell'accoppiamento e la giusta pressione : un accoppiamento meccanico inadeguato o una pressione eccessiva della molla portano a danni al meccanici alla copertura del chip, mentre un contatto troppo lasco tra le superfici non consente una adeguata dissipazione del calore.

C'é da osservare che, anche se lo zoccolo del processore, solitamente in materiale plastico, ha una certa resistenza meccanica, un eccessivo sforzo sui naselli di aggancio del dissipatore puó essere fatale, provocandone la rottura, guasto che non é possibile riparare.
Nell'installare o rimuovere il dissipatore, inoltre, é da evitare l'impiego di attrezzi metallici per fare leva sulle molle di aggancio in quanto se l'attrezzo sfugge al controllo é molto probabile che vengano danneggiate le sottilissime piste del circuito stampato o uno dei componenti surface mount, con la conseguente messa fuori uso della scheda madre.

Come giá detto, soprattutto per i recenti processori ad alte prestazioni, molto importante é l'accoppiamento termico tra il radiatore e la superficie del processore; la buona efficienza di questa giunzione é fattore fondamentale per la dissipazione del calore. Se il calore generato nel semiconduttore trova un blocco sulla via di trasmissione verso l'esterno creato da un cattivo contatto tra la sua superficie e quella del sistema di raffreddamento, una parte piú o meno rilevante di questa energia termica non ha modo di essere scaricata all'esterno ed incrementa la temperatura del chip, surriscaldandolo.
Non é sufficiente appoggiare, anche con una certa pressione, due superfici metalliche per consentire un perfetto scambio di calore tra le due, a meno che esse non siano assolutamente piane e rifinite a specchio, cosa non praticamente possibile. Le minime asperitá e tolleranze della parte superiore del chip e di quella inferiore del radiatore vanno livellate interponendo un mezzo conduttore di calore. 
É da considerare che le potenze dissipate dalle CPU con clock elevato, se non in overclock, puó arrivare anche a diverse decine di watt che devono transitare attraverso la superficie di contatto tra package e radiatore, anche molto ridotta, come nel caso del tipo FCPGA.

fan3.JPG (4572 byte) In alcuni dissipatori é presente un pad termoconduttivo preinstallato , come visibile nell'esempio a lato.
Il pad termoconduttivo é il riquadro rosa (ma che puó essere anche metallico o bianco, a seconda del materiale impiegato) posto al centro della faccia del radiatore che va in contatto con la CPU.
Questo pad é di materiale termicamente conduttivo e di consistenza morbida : la pressione della connessione meccanica permette al pad di adattare perfettamente le due superfici (CPU e radiatore) in modo da non avere spazi di aria che ridurrebbero lo scambio termico.

In alcuni casi il pad é di materiale speciale, che, sollecitato dal calore della CPU, si scioglie parzialmente, adattando ed incollando tra di loro le superfici, il che contribuisce a migliorare ulteriormente l'accoppiamento.
In altri casi si tratta di uno strato di classica pasta termoconduttiva pre applicato dal costruttore nella quantitá adatta
La presenza del pad consente di evitare l' impiego della pasta termoconduttiva, che, comunque, é sempre uno dei metodi piú indicati per migliorare lo scambio termico di due superfici.
Se c'é il pad, NON occorre aggiungere pasta termoconduttiva; se il pad non é presente é indispensabile applicarla. Se il pad é presente, ma si preferisce la pasta termoconduttiva, occorre rimuovere il pad stesso, pulendo bene la superficie con un solvente senza residuo (freon, benzina avio o simile) prima di applicare la pasta stessa.


FAQs sulle ventole


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Aggiornato il 08/06/06.