Avvägningen mellan portabilitet och prestanda i bärbara datorer har under många år kantats av kompromisser, och den kanske främsta anledningen till det är kylningen. Med hjälp av allt mer energieffektiva komponenter har dock kompromisserna blivit färre, och idag ryms prestanda och funktioner som tidigare varit reserverad för stationära datorer i ett ultraportabelt format.
Effektivare komponenter är dock bara halva sidan av ekvationen. Stora framsteg har gjorts inom kompakt kylteknik, och på så vis har de kraftfullare och effektivare komponenterna kunnat nyttjas till fullo. I den här artikeln tar vi en titt under skalet på Dell XPS 13 och berättar hur en fyrkärnig processor kan kylas i en enhet som är tunnare än ett Blu-ray-fodral.
Rör med vätska leder värmen vidare
Processorn är den komponent i en ultrabook som genererar mest värme. För att processorn inte skall överhettas används värmerör, eller heatpipes, som leder värmeenergi från processorn till de fläktar och kylflänsar där den kan överföras till luft. Strategin är välbeprövad och används flitigt även i stationära datorer, exempelvis i grafikkortskylare och processorkylare som behöver dissipera avsevärt större energimängder än en bärbar dator.
I en bärbar dator finns dock andra utmaningar. Även om det handlar om mindre värmeenergi så är chassit på en ultraportabel dator bara en bråkdel av utrymmet jämfört med en liten stationär dator.
För att nyttja den begränsade ytan på bästa sätt används två extra tunna värmerör, endast 1,2 millimeter tjocka. Varje värmerör innehåller en vätskekanal som hjälper till att utväxla värme via en cykel av förångning och kondensering: värmen från processorn omvandlar vätska till gas, som färdas via värmerören till kylflänsar där ångan lämnar ifrån sig värmeenergi och kondenserar tillbaka till flytande form.
Två av de viktigaste egenskaperna för kylningsmaterial är värmeledningsförmåga och värmekapacitet. Värmeledningsförmågan hos ett material avgör hur snabbt temperaturförändringar sprider sig i materialet och hur snabbt de kan värmas upp eller kylas ner. Värmekapaciteten avgör hur mycket värmeenergi de kan lagra: ju högre värmekapacitet, desto mer energi krävs för att öka temperaturen hos materialet med en grad.
Metaller som koppar har bra värmeledningsförmåga, men låg värmekapacitet. Vatten har lägre värmeledningsförmåga, men över 10 gånger högre värmekapacitet än koppar. Genom att bygga in vätskekanaler i värmerör fås en balans mellan dessa två egenskaper; koppar leder snabbt bort värme från exempelvis en processor och lämnar sedan över den till vatten, som lagrar värmeenergin effektivt tills den kan överlämnas till en kylfläns och blåses bort med en fläkt.
Aktiv eller passiv kylning?
Datortillverkare kan välja mellan två strategier när värme ska ledas bort från systemet: aktiv eller passiv kylning. Passiv kylning innebär att systemet inte använder några fläktar, utan att kylflänsar värmer upp kringliggande luft, och att detta i sin tur skapar tillräckligt med luftflöde för att hålla systemet svalt. Aktiv kylning använder fläktar för att öka luftflödet och därmed kylförmågan.
Aktiv kylning är vad som tillåter bäst prestanda av de två alternativen. För att kyla den fyrkärniga processorn i XPS 13 används två fläktar, var och en ansluten via ett eget värmerör till processorn.
De två fläktarna delar på belastningen och innebär därför lägre ljudnivå för samma luftflöde jämfört med en dator med endast en fläkt. Fläktbladen är tillverkade i flytande kristallpolymer, en typ av plast som tillåter fläktblad på med en tjocklek på 0,2 millimeter. Som konsekvens får det också plats fler fläktblad i samma fläkt vilket ytterligare förbättrar luftflödet. Allt som allt ökar detta luftflödet med 10-15%, med samma ljudnivå som en ensam fläkt.
Flytande kristallpolymerer är ett alternativ till traditionell plast och används i synnerhet för att materialet är kemiskt stabilt och därför både brandsäkert och slitstarkt vid höga temperaturer, samtidigt som det väger relativt lite. Ett exempel på en flytande kristallpolymer är Kevlar, som används i allt från racingbilar till skottsäkra västar.
Låt inte värmen fortplanta sig i datorn
När värmerör och en fyrkärnig processor placeras i en dator med metallskal finns risken att värmen fortplantar sig genom chassit och värmer upp hela datorn. Även om det innebär mer metallyta som kan agera som en kylfläns så kommer det med ett par nackdelar; dels blir datorn mindre bekväm att använda, i synnerhet om handledsstöden vid tangentbordet blir varma, och dels kan chassit oavsiktligt värma upp andra komponenter i systemet.
För att motverka detta används ett värmeisolerande material från Gore. Materialet, som kommer i form av en tunn film och är mer värmeisolerande än luft, täcker utvalda delar av datorns värmerör. På så sätt sprids värmen endast via de vägar som designats, chassit blir svalare och andra kylningskomponenter kan optimeras med bättre precision.
Det värmeisolerande material från Gore som används i XPS 13 har två komponenter. Den första är ett material kallat ePTFE (“expanded polytetrafluoroethylene”), som är mycket slitstarkt och flexibelt, och som används i bland annat Gore-Tex-kläder. Den andra är en så kallad aerogel av kisel, eller ett kiselskum. Kiselskum är bland de lättaste fasta materialen som existerar, och är mycket bra på att isolera värme – som en slags superfrigolit.
Kombinationen av ePTFE och kiselskum väger mycket lite, men är starkt och isolerar värme mycket bra. Det gör materialet särskilt åtråvärt i rymden, eftersom varje kilo extra vikt vid en raketuppskjutning kostar stora summor pengar. Därför har samma Gore-material som används i XPS 13 även använts för att isolera NASA:s marssond Phoenix, och för att skydda rymdfarkoster som är på väg tillbaka ner på Jorden.
Chassits utformning
Med fläktarna väl på plats krävs vägar för kall luft att komma in i datorn och varm luft att ventileras ut. Fläktar presterar optimalt omkring mitten av sin belastningskurva; vid för låga hastigheter flyttar de lite luft i förhållande till hur mycket energi som går åt för att driva dem, och vid mycket höga hastigheter ökar ljudnivån snabbare än kylningseffekten. Någonstans däremellan ligger den optimala balansen mellan ljudnivå och luftflöde.
I en modern ultraportabel dator anpassas därför chassit och fläktarna efter varandra. Chassit är utformat så att det finns tillräcklig lufttillförsel till fläktarna och så att luften passerar just genom fläktarna, snarare än passera runt om. Den varma luften ventileras sedan vid genom datorns bakre del, bort från användaren.
Sammanfattning
Ultraportabla premiumdatorer har aldrig varit kraftfullare eller mindre än idag, vilket givetvis innebär en ordentlig ingenjörsutmaning vad gäller kylning. Men stora utmaningar är också vad som brukar leda till de häftigaste lösningarna.
