Refrigeración líquida: qué es, cómo funciona y cuándo merece la pena apostar por ella para «propulsar» nuestro PC

El calor es el enemigo a batir. El «coco» de los circuitos integrados en general. Y de los microprocesadores en particular. Si se incrementa en exceso puede provocar que la estabilidad y el rendimiento de un ordenador caigan en picado, pero lo peor no es esto. Lo más grave es que una temperatura excesiva puede desencadenar procesos fisicoquímicos capaces de dañar permanentemente un microprocesador.

Afortunadamente, tenemos herramientas diseñadas para impedir que ocurran estos efectos no deseados. La refrigeración mediante ventiladores es la más utilizada y suele dar muy buenos resultados, pero hay otras opciones que a los usuarios nos viene bien conocer, como, por ejemplo, las cámaras de vapor o los sistemas de refrigeración líquida. Estos últimos son los protagonistas de este artículo. Instalar uno de ellos en un PC es relativamente sencillo, y, además, su precio se ha reducido mucho durante los últimos años, por lo que merece la pena conocer qué impacto pueden tener en el rendimiento y la vida útil de nuestro ordenador.

Refrigeración: por qué es tan importante y cuáles son sus principios

Para entender por qué es importante refrigerar correctamente los componentes de un ordenador y qué mecanismos intervienen en este proceso nos viene que ni pintado repasar brevemente en qué consisten los efectos de convección y conducción del calor. Una parte de la energía eléctrica que requiere un circuito integrado para llevar a cabo su función se disipa en forma de calor, y esa energía térmica tiene necesariamente que ser transportada fuera del núcleo del circuito integrado para evitar que los transistores que contiene superen su umbral máximo de temperatura.

Una parte de la energía eléctrica que requiere un circuito integrado para llevar a cabo su función se disipa en forma de calor y debe ser evacuada para evitar que su temperatura se incremente excesivamente

La potencia que disipa un microprocesador en forma de calor depende de varios factores, pero los más relevantes son el voltaje que requiere, el número de transistores que incorpora, la frecuencia de reloj a la que trabaja y la tecnología de integración que se ha utilizado en su fabricación. Es fácil intuir que si contiene más transistores necesitará más energía para trabajar, y este incremento de la energía eléctrica que recibe provocará también un incremento de la energía que disipa en forma de calor. Además, el incremento de la frecuencia de reloj conlleva que el microprocesador lleve a cabo más operaciones en el mismo tiempo, de manera que los transistores cambiarán de estado con más frecuencia, consumirán más energía y disiparán más calor.

El impacto que tienen el número de transistores y la frecuencia de reloj en el calor que disipan unos componentes tan complejos como lo son un microprocesador o un procesador gráfico es enorme. Pero el auténtico reto reside en la necesidad de evitar que su temperatura se incremente hasta el punto de provocar que el chip deje de funcionar correctamente o, incluso, acabe dañado. El primer síntoma de sobrecalentamiento suele adoptar la forma de bloqueos del equipo, reinicios inesperados y, en definitiva, de un comportamiento anómalo tanto del sistema operativo como de las aplicaciones. Y si el calentamiento persiste el procesador puede resultar dañado irremediablemente.

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Afortunadamente, el desarrollo de la tecnología de integración es una herramienta muy valiosa que nos permite introducir más transistores en el núcleo de los circuitos integrados. Y esto es posible porque, grosso modo, nos ayuda a reducir tanto el tamaño de los transistores como la distancia que los separa. Esta reducción del tamaño tiene un efecto beneficioso en la cantidad de energía que necesitan para trabajar, lo que nos ayuda a mantener la temperatura del semiconductor bajo control. Pero, al mismo tiempo, también puede provocar la aparición de la electromigración. Y este es uno de los factores que explican por qué si la temperatura de un microprocesador se incrementa más allá de su umbral máximo puede resultar dañado.

La electromigración es un fenómeno fisicoquímico que provoca la degradación del material del semiconductor como consecuencia de la temperatura de trabajo que alcanza y la densidad de corriente que circula por él

La electromigración es un fenómeno fisicoquímico que provoca la degradación del material del semiconductor como consecuencia de la temperatura de trabajo que alcanza y la densidad de corriente que circula por él. A priori, como hemos visto, que las estructuras de un microprocesador sean más pequeñas es beneficioso porque nos permite introducir más transistores. Esta mejora tiene un impacto positivo en el rendimiento y es una herramienta útil a la hora de mantener el consumo y la temperatura del chip bajo control. Pero, al mismo tiempo, la proximidad de estas estructuras y su mínimo tamaño propicia que aparezca la electromigración, especialmente al alcanzar temperaturas elevadas, lo que explica que los fabricantes de semiconductores actualmente dediquen muchos recursos al diseño de tecnologías capaces de mitigar este efecto.

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La estrategia más eficaz a la hora de prevenir el sobrecalentamiento de un circuito integrado complejo consiste en transportar la energía que disipa en forma de calor a otros objetos sólidos o gaseosos que estén en contacto con él. Para optimizar este proceso los fabricantes de microprocesadores colocan un disipador metálico en la superficie del chip que, precisamente, es el responsable de extraer el calor disipado por el núcleo del semiconductor. El problema es que ese calor debe ser transportado a alguna parte. Y, además, con la eficacia necesaria para evitar que la temperatura se incremente más de la cuenta. Aquí es donde entran en juego los mecanismos de convección y conducción de los que he hablado en las primeras líneas de esta sección, que son esenciales para ayudarnos a entender el rol que ejercen los sistemas de refrigeración de nuestros ordenadores.

La convección y la conducción son dos de los tres mecanismos que describen cómo se lleva a cabo la transferencia de energía en forma de calor en la naturaleza (el otro efecto es la radiación). El primero de ellos lleva a cabo el transporte de la energía gracias al movimiento de las moléculas que conforman un fluido. Cuando hablamos de fluidos pensamos intuitivamente en los líquidos, pero es importante que tengamos en cuenta que el comportamiento de los gases está descrito por los mismos principios físicos que enuncian las propiedades de los líquidos, por lo que cuando hablamos de fluidos en este contexto debemos pensar tanto en los líquidos como en los gases. La convección explica, por ejemplo, cómo se transfiere el calor cuando hervimos agua en un recipiente y por qué se originan corrientes dentro del fluido.

Conduccion

La conducción explica cómo se lleva a cabo la transferencia del calor entre sólidos con diferente temperatura

A diferencia de la convección, el mecanismo de conducción explica cómo se lleva a cabo la transferencia del calor entre aquellos cuerpos sólidos con diferente temperatura en los que sus moléculas no pueden moverse con la libertad con la que lo hacen en los fluidos. Aun así, la adquisición de esa energía térmica provoca que las moléculas de la zona de contacto incrementen su vibración, chocando de esta forma con las moléculas adyacentes y transfiriéndoles una parte de su energía. Este es, de una forma sencilla, el mecanismo que explica cómo se transfiere la energía térmica mediante conducción.

Al igual que sucede en el mecanismo de convección, los cuerpos involucrados en este proceso deben estar en contacto, de manera que la transferencia de energía térmica entre uno y otro provocará que en un plazo de tiempo determinado la temperatura de ambos se iguale. Lo interesante es que no todos los materiales tienen la misma habilidad a la hora de transportar energía en forma de calor. Precisamente el índice de termoconductividad (también se conoce como coeficiente de conductividad térmica) mide la capacidad de transporte de energía térmica que tiene un material determinado. Cuanto más alto sea este índice mayor capacidad de transporte de calor tendrá un material. Los metales suelen tener un índice relativamente alto, aunque hay una diferencia notable entre unos y otros, mientras que otros materiales, como el corcho o la madera, transportan el calor con mucha menos eficacia.

Conveccion

Todo lo que hemos visto hasta este momento es una herramienta muy valiosa que puede ayudarnos a entender la base física que explica cómo funcionan tanto los sistemas de refrigeración por aire como aquellos que recurren a los fluidos. El objetivo primordial del sistema de refrigeración instalado en un ordenador es conseguir que los componentes críticos, como la CPU o el procesador gráfico, trabajen en todo momento dentro de su rango admisible de temperatura. Al margen de la carga de trabajo y de la temperatura ambiental. De esta forma, como hemos visto unos párrafos más arriba, evitaremos que la estabilidad del equipo se vea comprometida, y también que el microprocesador pueda resultar dañado.

Refrigeración por aire vs refrigeración líquida

La estructura de un sistema de refrigeración por aire es relativamente sencilla. Y es que solo incorporan dos elementos: un disipador, habitualmente de aluminio o cobre, y un ventilador. El calor disipado por el procesador es transferido mediante conducción por el disipador metálico de la CPU al disipador del sistema de refrigeración. Al mismo tiempo el ventilador «sopla» sobre este último, incentivando el transporte de energía térmica desde el disipador del sistema de refrigeración al aire mediante convección.

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A medida que el ventilador va transportando la energía térmica disipada por la CPU la temperatura del aire en el interior de la caja del ordenador se va incrementando, por lo que es esencial que unos ventiladores adicionales instalados en el interior del chasis se responsabilicen de renovarlo. Para lograrlo estos ventiladores propician el intercambio del aire caliente del interior de la caja y el aire a temperatura ambiente procedente del exterior mediante un flujo constante. La simplicidad conceptual de los sistemas de refrigeración por aire es evidente, pero esto no significa que no lleven a cabo su objetivo con eficacia.

Noctua

Actualmente en el mercado podemos conseguir ventiladores para microprocesadores de mucha calidad y a precios razonables. Los mejores suelen incorporar disipadores con un diseño que maximiza la superficie de contacto con el aire, de manera que el intercambio de calor entre el metal del disipador y el aire sea lo más eficiente posible. Además, suelen apostar por metales con un coeficiente de conductividad térmica muy alto, como el cobre, y también por ventiladores capaces de desplazar un caudal de aire considerable, optimizando de esta forma el intercambio de calor entre el disipador y el aire. Una solución de refrigeración por aire de buena calidad puede resolver las necesidades que tenemos la mayor parte de los usuarios tanto en un escenario de uso convencional como en uno exigente.

Una solución de refrigeración por aire de buena calidad puede resolver las necesidades que tenemos la mayor parte de los usuarios tanto en un escenario de uso convencional como en uno exigente

Los sistemas de refrigeración líquida, sin embargo, son mucho más complejos. En la siguiente sección del artículo repasaremos con detalle qué componentes incorporan, pero ahora nos viene bien saber que todos ellos recurren a un circuito que favorece el intercambio de calor mediante convección entre el disipador de la CPU y un líquido refrigerante, en vez de propiciar el intercambio entre el disipador y el aire, como hacen los ventiladores tradicionales. Aquí tenemos la primera ventaja de la refrigeración líquida: nos ayuda a controlar mejor la temperatura en el interior de la caja del ordenador. Esto es posible debido a que el líquido refrigerante transporta el calor por el interior del chasis gracias a unos tubos de plástico flexible y unos manguitos (entre otros elementos de los que hablaremos más adelante) que previenen su contacto directo con el aire.

Thermaltake

La eficacia refrigerante de un sistema de refrigeración líquida de buena calidad puede ser muy alta, pero un sistema de refrigeración por aire bien diseñado también puede ofrecernos un resultado fantástico. En ese caso, ¿en qué condiciones merece la pena apostar por uno u otro? Los dos factores que nos interesa sopesar para tomar una decisión son las condiciones de trabajo de la CPU y la temperatura ambiental. En un escenario de uso convencional en el que ejecutamos aplicaciones ofimáticas, de creación de contenidos y videojuegos durante periodos de tiempo que no son excesivamente prolongados un buen ventilador debería permitir al microprocesador trabajar permanentemente dentro de su rango óptimo de temperatura.

Si nos gusta practicar overclocking extremo es posible que nos interese recurrir a la refrigeración líquida

Sin embargo, si nos gusta practicar overclocking extremo es posible que nos interese recurrir a la refrigeración líquida. Esta práctica consiste en manipular los parámetros de funcionamiento de la CPU con el propósito de conseguir que trabaje a una frecuencia de reloj superior a su frecuencia máxima nominal. Su rendimiento en estas condiciones se incrementa, pero para mantener la estabilidad del sistema y evitar que se produzcan cuelgues y reinicios inesperados suele ser necesario actuar sobre el voltaje. Y en estas condiciones la CPU se calienta más, y, en consecuencia, disipa más calor. Si el overclocking no es extremo un sistema de refrigeración por aire de calidad puede ofrecernos un buen resultado, pero si es agresivo es probable que tengamos que recurrir a la refrigeración líquida.

La práctica del overclocking no es el único contexto en el que puede ser interesante apostar por la refrigeración líquida. Si sometemos nuestro ordenador a esfuerzos muy intensos durante periodos de tiempo muy prolongados puede ser recomendable recurrir a esta modalidad de refrigeración. Un escenario de uso que ilustra bastante bien este contexto es, por ejemplo, el renderizado de modelos tridimensionales. Si utilizamos nuestro PC para crear y renderizar durante horas modelos en 3D podría ser una buena idea apostar por la refrigeración líquida para conseguir mantener la temperatura de la CPU en todo momento bajo control. No obstante, cualquier otra tarea que imponga una carga de trabajo muy alta al procesador durante un periodo de tiempo muy prolongado puede beneficiarse de la refrigeración líquida.

Kit

La temperatura ambiental es un factor que nos interesa tener en cuenta porque también influye decisivamente en las condiciones de trabajo de un ordenador. Como podemos intuir no es lo mismo trabajar en una habitación refrigerada a una temperatura ambiental de 21 grados que hacerlo en un entorno sin refrigeración con una temperatura ambiental constante por encima de los 30 grados. Estas últimas condiciones pueden darse con relativa facilidad en determinadas zonas durante los meses de verano. Cuando un ordenador se ve sometido simultáneamente a un esfuerzo muy intenso y una temperatura ambiental muy alta es necesario apostar por un sistema de refrigeración muy eficiente. Y en estas condiciones tiene sentido recurrir a la refrigeración líquida.

Uno de los principales hándicaps de la refrigeración líquida es la posible fuga de líquido refrigerante

Una ventaja adicional de esta modalidad de refrigeración que también puede provocar que algunos usuarios se fijen en ella es su capacidad de ayudarnos a reducir el ruido emitido por nuestro ordenador. El ventilador que se encarga de refrigerar la CPU en los sistemas por aire suele ser el responsable de buena parte del ruido emitido por nuestro PC. En el mercado podemos encontrar ventiladores para CPU muy silenciosos, pero los sistemas de refrigeración líquida tienen la ventaja de que no necesitan un ventilador para la CPU. Eso sí, mantienen los ventiladores responsables de actuar sobre el radiador, como veremos en la siguiente sección.

Hasta ahora hemos repasado las cualidades de los sistemas de refrigeración líquida que pueden provocar que nos fijemos en ellos, pero también tienen desventajas si los comparamos con los sistemas de refrigeración mediante aire que nos conviene considerar. La más evidente es que son mucho más complejos y requieren una instalación muy meticulosa si queremos prevenir posibles fugas del líquido refrigerante que podrían dañar los delicados componentes electrónicos de nuestro ordenador. Además, requieren un mantenimiento más esmerado.

Corsair

En un sistema de refrigeración por aire solo tenemos que preocuparnos de retirar periódicamente el polvo que puede acumularse en las palas y el eje del ventilador utilizando, por ejemplo, un espray limpiador de aire a presión. Pero un sistema de refrigeración líquida requerirá al menos que revisemos con cierta frecuencia el estado de la bomba, la ausencia de fugas, y también que renovemos periódicamente el líquido refrigerante, además de retirar el polvo acumulado sobre los ventiladores que actúan sobre el radiador.

Por otro lado, el elevado número de elementos que requiere la refrigeración líquida nos exige una caja lo suficientemente amplia para acomodar en su interior todos los componentes de los que vamos a hablar en la siguiente sección del artículo. Y, por último, también es importante que tengamos en cuenta que un sistema de refrigeración líquida de calidad es sensiblemente más caro que un sistema de refrigeración por aire de calidad equiparable. Durante los últimos años su precio se ha reducido mucho, y actualmente podemos encontrar soluciones de refrigeración líquida muy decentes en el rango de precios que va desde los 60 a los 100 euros, pero si queremos un sistema de refrigeración líquida avanzado tendremos que gastarnos mucho más dinero. Y es que algunos, los más ambiciosos, pueden superar los 500 euros.

Estos son los elementos de un sistema de refrigeración líquida

Las soluciones de refrigeración líquida que nos propone el mercado actualmente son de dos tipos: los sistemas compactos (conocidos también como «todo en uno») y los paquetes avanzados o personalizables. Los primeros ocupan menos espacio dentro de la caja, son más baratos y también resultan más fáciles de instalar, pero, a cambio, su eficacia refrigerante suele ser menor que la de las soluciones más avanzadas. Estas últimas son más voluminosas porque incorporan más elementos, más caras y su instalación es más laboriosa, pero pueden ofrecernos una mayor capacidad refrigerante. Y, de propina, suelen venir con sistemas de iluminación LED RGB avanzados que pueden encajar muy bien en los equipos para gaming.

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Un poco más adelante veremos en qué se diferencian en la práctica estas soluciones, pero ahora nos viene bien repasar cuáles son los componentes esenciales que van a permitirnos dar forma al circuito de cualquier sistema de refrigeración líquida. Son los siguientes:

  • Bloque de agua o placa refrigerante: es el elemento que va colocado directamente sobre la CPU de nuestro ordenador. Incorpora un disipador, habitualmente de aluminio o cobre debido a su elevado índice de termoconductividad, y por su interior circula el líquido refrigerante. La transferencia de la energía térmica del disipador integrado en el microprocesador al disipador del bloque de agua se efectúa mediante el mecanismo de conducción. Y el transporte del calor desde este último disipador al líquido refrigerante que circula por el interior del bloque de agua se lleva a cabo mediante el efecto de convección.
  • Bomba: es el componente que se responsabiliza de suministrar al líquido refrigerante la presión necesaria para propiciar que este se desplace a lo largo de todo el circuito de refrigeración. Depósito: recipiente que contiene buena parte del volumen del líquido de refrigeración. Con frecuencia la bomba y el depósito están adosados, dando forma a un único componente.
  • Líquido refrigerante: es el fluido en estado líquido que se encarga de transportar la energía térmica a lo largo del circuito. Su composición puede variar si comparamos el líquido de varias marcas, pero muchas de ellas suelen usar etilenglicol, que es un compuesto químico orgánico utilizado con frecuencia como anticongelante, y un aditivo que le da color para evitar que pueda ser bebido por accidente. Además, el aditivo tiene una función decorativa porque da al líquido un color que puede encajar bien con los tonos de la iluminación LED instalada en la caja y el sistema de refrigeración.
Liquid
  • Radiador: elemento metálico (normalmente de aluminio) por cuyo interior circula el líquido refrigerante y a cuya superficie están adosados uno o varios ventiladores. El movimiento de las palas de estos últimos desplaza el caudal de aire necesario para provocar la transferencia de energía térmica desde el líquido refrigerante que circula por el interior del radiador al aire mediante convección. Como resultado de este proceso la temperatura del líquido refrigerante se reduce y la del aire circundante se incrementa, por lo que debe ser expulsado fuera del chasis del PC.
  • Tubos y manguitos: son los conductos, normalmente de policloruro de vinilo (PVC) u otro derivado del plástico, por cuyo interior circula el líquido refrigerante a lo largo de todo el circuito. Pueden ser flexibles o rígidos. Los primeros son más fáciles de instalar que los segundos, pero también suelen ser menos duraderos.
  • Ventilador: va adosado, como hemos visto, sobre la superficie del radiador con el propósito de desplazar el caudal de aire necesario para optimizar el intercambio de energía térmica entre el líquido refrigerante y el aire. Cuanta mayor sea la energía cinética (velocidad) de las moléculas del aire más eficiente será la transferencia del calor entre las dos sustancias involucradas en este proceso.

En las primeras líneas de esta sección del artículo hemos visto que actualmente en el mercado podemos encontrar dos tipos de sistemas de refrigeración líquida. Las soluciones «todo en uno», que son las más baratas y simples, suelen incorporar dos módulos, el conjunto radiador/ventiladores y el paquete bomba/bloque de agua, unidos por los tubos que permiten la circulación del líquido refrigerante. Todos los elementos vienen previamente conectados, por lo que lo único que tendremos que hacer es instalarlos en el interior del chasis de nuestro PC. Estos sistemas de refrigeración suelen costar entre 50 y 200 euros en función de su sofisticación y de los materiales que emplean.

Los sistemas de refrigeración líquida «todo en uno» son relativamente económicos y fáciles de instalar, mientras que los kits personalizables son más caros y complejos, pero también más flexibles y eficientes

La otra opción que podemos encontrar en las tiendas son los sistemas de refrigeración líquida personalizables o kits. Suelen incorporar por separado todos los elementos que hemos descrito un poco más arriba, lo que pone a nuestra disposición una flexibilidad inalcanzable si optamos por un sistema «todo en uno». De hecho, algunos de ellos nos permiten modificar el circuito para refrigerar otros componentes más allá de la CPU. Sus desventajas más claras son su precio, que es sensiblemente más alto, y la mayor dificultad que representa su instalación, pero pueden ser una opción muy apetecible si queremos practicar overclocking extremo debido a su a menudo gran capacidad refrigerante. Su precio puede oscilar en una horquilla muy amplia que va desde los 100 a los 600 euros, aunque algunas marcas nos proponen soluciones que un coste incluso superior a esta última cifra.

La oferta ahora es más amplia y los precios más atractivos

Hace tan solo unos días hemos publicado una guía de compras en la que os proponemos un abanico muy amplio de soluciones de refrigeración líquida y por aire que pueden ayudaros a sacar más partido a vuestro ordenador. Y también a dilatar su vida útil. Por esta razón os sugerimos que le echéis un vistazo si estáis buscando alguna de estas opciones. En cualquier caso, algunos de los fabricantes de sistemas de refrigeración líquida a los que merece la pena seguir la pista por la calidad de sus propuestas son Thermaltake, be quiet!, Tacens, Cooler Master, NOX, Corsair, ASUS y EKWB, entre otros.

La eficacia refrigerante de un buen sistema por aire puede ser equiparable a la de un sistema de refrigeración líquida, por lo que con frecuencia esta es la opción más razonable

Antes de concluir me parece importante volver a incidir en una idea que he reflejado varias veces a lo largo del artículo: la eficacia refrigerante de un buen sistema por aire puede ser equiparable a la de un sistema de refrigeración líquida. Y, además, los hay sorprendentemente silenciosos. Por esta razón, a menos que queramos practicar overclocking extremo o que las condiciones de trabajo de nuestro PC sean exageradamente agresivas debido a la influencia combinada de la carga de trabajo y la temperatura ambiental, no es necesario apostar por la refrigeración líquida. Un buen ventilador para CPU de cualquiera de las marcas que he mencionado en el párrafo anterior, o de otras como Noctua, Alpha, Akasa o Revoltec, puede resolver con mucha eficacia nuestras necesidades.

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