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[TUTO] GPU : Comment réduire température et bruit

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Le sujet des discussions concernant ce tutoriel est celui-ci : Calcul GPU : Comment réduire température et bruit (Discussions)

Introduction

Les machines mobiles (ordinateurs portables, tablettes, smartphones), sont très confinées et sont refroidies en passif. Afin de préserver l'autonomie sur batterie, le petit ventilateur présent sur certaines d'entre elles n'intervient qu'en cas de surchauffe.

Les machines de bureau vendues dans le commerce sont, à de rares exceptions près, équipées de boitiers fermés et refroidies par air. Sur ces machines l'alimentation, le ventirad du CPU, la ventilation du boitier, l'insonorisation, font souvent l'objet d'économies, parfois excessives, de la part des assembleurs. Ces composants sont en effet masqués par le boitier et le coût de composants de qualité réduirait les marges commerciales.

Si la machine est utilisée pour de la bureautique, et passe donc la plupart de son temps au repos, cela peut passer inaperçu.

Mais dès que la machine sera utilisée en crunch, a fortiori sur GPU, ces faiblesses de conception se manifesteront. Au mieux elles se manifesteront par des températures de composants anormalement élevées, des bruits de ventilation importants, des plantages à répétition, des arrêts fortuits.

Mais au pire elles se manifesteront par de la casse matérielle, car malgré les progrès de l'électronique un principe demeure : ce qui grille c'est ce qui chauffe. :gni:

Pour éviter ces situations, quelques vérifications simples sont à effectuer. En fonction du résultat de ces vérifications, des améliorations seront à envisager.


Sommaire

1 - Boitiers fermés : les points à vérifier
   1.1 - Le sens de montage de la carte-mère
   1.2 - L'alimentation
   1.3 - Le ventirad du CPU
   1.4 - La ventilation du boitier
   1.5 - L'insonorisation

2 - Alternatives au boitier fermé et au refroidissement par air
   2.1 - Les boitiers ouverts
   2.2 - Le refroidissement liquide

3 - Les points sensibles à surveiller
   3.1 - L'accumulation de poussière
   3.2 - Les filtres : utiles ou non ?
   3.3 - Surveillance des températures
   3.4 - Limitation automatique des températures
   3.5 - Traitement automatique des anomalies
   3.6 - Cas des machines distantes

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[Suite du tutoriel]

1 - BOITIERS FERMES : LES POINTS A VERIFIER

1.1 - Le sens de montage de la carte-mère

Comment à été conçu mon boitier ATX ?

ATX d'origine
La conception des boitiers de bureau ATX date de 1995. Dans cette conception, le montage de la carte-mère s'effectue côté droit du boitier (vu depuis la face avant).

L'alimentation a un rôle de "hotte aspirante", elle est donc placée à l'arrière et en haut du boitier, juste au dessus du CPU (alors refroidi en passif). Une entrée d'air située en bas de la face avant permet de créer un balayage du boitier, rudimentaire mais suffisant pour évacuer les quelques dizaines de W dégagés à l'époque.

ATX moderne
Aujourd'hui un CPU consomme entre 50 et 200 W, il dispose donc d'un refroidissement actif autonome (à air ou liquide) alors que le ou les GPU, qui n'existaient pas à l'époque, se retrouvent en bas à l'arrière du boitier, confinés dans la zone la moins bien ventilée. :/

De ce fait, les boitiers "ATX modernes" dédiés au jeu, prévus pour accueillir une ou plusieurs cartes graphiques, placent souvent l'alimentation en bas du boitier afin d'extraire la chaleur accumulée dans cette zone. Un ventilateur situé sur la face supérieure du boitier reprend le rôle de "hotte aspirante".

Un inconvénient de cette configuration est que l'alimentation et la carte graphique, situées en bas du boitier, sont plus exposées aux agressions, par exemple : vis qui tombe, fuite liquide de refroidissement du CPU.


Possibilité de montage inversé


Exemple de montage ATX inversé
(carte mère montée "tête en bas" côté gauche du boitier)

Pour remédier aux difficultés de refroidissement des GPU, le standard BTX, conçu par Intel (comme l'ATX) en 2004, prévoyait de monter la carte mère "tête en bas" côté gauche du boitier.

Le développement du standard BTX a été abandonné fin 2006 (Intel ayant décidé de privilégier la baisse de consommation de ses processeurs par rapport à la hausse de leur puissance de calcul), mais certains boitiers ATX ont conservé la possibilité de monter la carte mère "tête en bas" du côté gauche du boitier.

Avec un montage inversé, la carte graphique se retrouve au centre du boitier (voir photo), sous l'alimentation, dans une zone beaucoup moins confinée et mieux ventilée qu'avec le montage standard. Si nécessaire, il est également plus facile de créer une arrivée d'air frais, qui trouvera sa place au centre du panneau latéral.

Enfin, l'alimentation et la carte graphique sont moins exposées aux agressions telles que vis aui tombe, ou fuite de liquide de refroidissement du CPU.

=> Lorsque le boitier le permet, le montage ATX inversé (carte mère montée "tête en bas" côté gauche du boitier) présente des avantages importants du point de vue du refroidissement des GPU, et vis à vis des risques d'agression.


EDIT : ajouté risques d'agression.

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1.2 - L'alimentation

L'alimentation joue un rôle souvent sous-estimé sur la stabilité, le coût d'usage, le bruit et la chaleur d'une machine.

On ne choisit pas de la même manière l'alimentation d'une machine bureautique destinée à fonctionner une heure de temps en temps, et l'alimentation d'une machine de calculs destinée à tourner à pleine puissance 24/7.

Alimentation des cartes graphiques

Les cartes graphiques sont alimentées en 12 V. Le connecteur principal PCI-E de la carte mère est apte à fournir 75 W à la carte graphique.

Au delà de ces 75 W, la carte graphique doit être équipée d'un ou plusieurs câbles d'alimentation PCI-E additionnels, raccordés directement à l'alimentation, dont les capacités sont de :
- 75 W pour un câble 6 broches (composé de 3 broches 12 V et 3 broches 0 V),
- 150 W pour un câble 8 broches (composé de 3 broches 12 V et 5 broches 0 V).

On trouve donc parmi les cartes graphiques les configurations suivantes :
< 75 W         : pas de câble additionnel
75 à 150 W   : 1 câble 6 broches                                  (ex : HD4850)
150 à 225 W : 1 câble 8 broches ou 2 câbles 6 broches  (ex : HD5870)
225 à 300 W : 1 câble 8 broches + 1 câble 6 broches     (ex : HD 7970, GTX295)

Ainsi que les configurations lourdes, pour cartes bi-GPU :
300 à 375 W : 2 câbles 8 broches                                 (ex : HD5970, GTX590, GTX690)
375 à 525 W : 3 câbles 8 broches                                 (ex : HD7990)

Puissance de l'alimentation

La connaissance du TDP d'une carte graphique permet de s'assurer du bon dimensionnement global de l'alimentation.


Exemple d'étiquette d'un bloc d'alimentation

Mais avant de choisir un bloc d'alimentation, il faut vérifier que ses besoins, notamment en 12 V, sont compatibles avec les limitations qui figurent sur l'étiquette.

Sur l'exemple en photo, on voit que la sortie 12 V du bloc est limitée à 18 A, soit 12 x 18 = 216 W seulement, sur un bloc vendu pour 450 W.

=> Il faut se méfier des alimentations bas de gamme, qui ne peuvent pas fournir la puissance annoncée sur leur étiquette en continu sans riquer de ... prendre feu (voir les vidéos sur le net :ptintumafepeur:).

Circuits de stabilisation

Le standard ATX impose la présence de dispositifs de protection contre les court-circuits, qui doivent couper l'alimentation en cas de chute de tension.

Les appels de courant des cartes graphiques, qui sont élevés (jusqu'à 30-35 A par carte) et brutaux, sont capables de générer de telles chutes de tension. Il est donc important que l'alimentation dispose de circuits de stabilisation de qualité, rapide et efficaces.

=> Des circuits de stabilisation insuffisants peuvent être à l'origine d'arrêt brutaux de la machine.

Rendement

Les alimentations offrent leur meilleur rendement autour de 50% de leur puissance nominale.

Une alimentation à mauvais rendement est source de dépense inutile, de bruit et de dégagement de chaleur excessifs. Fonctionnant à haute température, sa durée de vie sera limitée.

Du point de vue de la facture d'électricité, 10% de rendement gagnés sur la fourniture de 500 W, c'est 50 W économisés, soit environ 50 €/an :miam: en usage 24/7. Il suffit de 2 ou 3 ans pour amortir le surcoût d'une alimentation de qualité.

Une alimentation à haut rendement certifiée 80PLUS est capable, comme son nom l'indique, d'un rendement supérieur à 80% sur toute sa plage de puissance utile (définie comme allant de 20% à 100% de la puissance nominale).

Il existe plusieurs niveaux, qui vont actuellement jusqu'à la certification 80Plus Platinium, qui garantit un rendement de plus de 94% à 50% de charge. A charge faible et moyenne, les pertes de ces blocs sont suffisament faibles pour qu'il puissent fonctionner en passif, ventilation coupée. Fonctionnant à basse température, on peut espérer que sa durée de vie sera importante.

=> Utiliser une alimentation à haut rendement limitera l'énergie gaspillée par l'alimentation, ainsi que la chaleur et le bruit qui en découlent.

Alimentations modulaires


Alimentation non modulaire                                    Alimentation modulaire

Compte tenu de la diversité des niveaux de tensions et des types de connecteurs, une alimentation ATX capable d'alimenter une ou plusieurs cartes graphiques comporte de nombreux câbles de sortie, dont une partie seulement est utilisée.

Avec une alimentation non modulaire les câbles de sortie inutilisés doivent regroupés et maintenus par des colliers, formant une boule aussi encombrante qu'inesthétique.

Avec une alimentation modulaire, seuls les câbles d'alimentation de la carte mère, du CPU, et d'une carte graphique sont fixes. Il existe même des alimentations professionnelles totalement modulaires ne comportant plus aucun câble fixe.

Les autres câbles (12 V pour 2ème processeur, PCI-E, SATA, Molex) sont fournis à part, dans un sac de rangement. Si besoin, ils peuvent être installés et branchés sur les connecteurs situés au dos du bloc d'alimentation.

Connecteurs PCI-E

Les alimentations (modulaires ou non) prévoient généralement un câble 8 broches et un câble 6 broches par carte graphique.
Si une carte demande 2 connecteurs 6 broches (ex : HD5870) ou 2 connecteurs 8 broches (ex : GTX 690) des adaptateurs 6->8 broches ou 8->6 broches seront nécessaires. :/


Connecteur PCI-E 6+2 broches

Certains fabricants fournissent, à la place des câbles PCI-E à connecteurs 6 broches ou 8 broches, des câbles à connecteurs 6+2 broches très pratiques (voir photo) puisqu'il n'est plus nécessaire d'utiliser d'adaptateurs.

De même, il ne sera plus nécessaire de recâbler sa machine lors d'un remplacement d'une carte graphique par un modèle ayant une connectique différente.

=> Les alimentations modulaires et les câbles PCI-E à connecteur 6+2 broches facilitent le montage et la maintenance.

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1.3 - Le ventirad du CPU

Un refroisissement par ventirad est indirect. En effet, l'air de refroidissement est prélevé dans le boitier et l'air chaud est rejeté lui aussi dans le boitier.

Il appartient ensuite à la ventilation du boitier, dans un second temps, de renouveler suffisamment l'air afin que la température ne s'élève pas de façon excessive.

Les ventirads d'origine


Exemple de ventirad d'origine

Ce dispositif, compact, léger (env 100 g) et bon marché (moins de 10 €), est simplement clipsé sur la carte mère.

L'axe de soufflage de l'air, perpendiculaire à la carte mère, est difficile à intégrer dans le circuit de refroidissement d'un boitier fermé.

La base du ventirad, souvent en cuivre simplement usiné, est recouverte d'une couche de pâte thermique (en gris sur la photo) et plaquée sur le processeur. La chaleur captée par la base est transmise par conduction aux ailettes d'un petit radiateur circulaire (80 mm) à ailettes radiales, souvent en aluminium moulé. Un petit ventilateur (60 mm) souffle sur le radiateur, facilitant l'évacuation de la chaleur.

Performances

Ce dispositif suffit pour refroidir sans bruit excessif le processeur d'une machine utilisée en bureautique, le processeur étant sollicité modérément et pendant de courtes périodes.

Par contre, si le processeur est sollicité à pleine charge en continu, le dispositif saturera. La montée de température du processeur sera importante (75 à 80 °C, voire plus), ce qui entrainera une augmentation importante de la vitesse du ventilateur, qui deviendra très bruyant.

Les ventirads de remplacement


Exemple de ventirad de remplacement
(Modèle lourd à 6 caloducs, 2 radiateurs et 2 ventilateurs 120 et 140 mm)

Un ventirad de remplacement pourra être beaucoup plus performant, mais sera aussi plus coûteux (jusqu'à 80 €).

L'axe de soufflage de l'air, qui pourra être parallèle à la carte mère, sera facile à intégrer dans un circuit de refroidissement de boitier fermé, en prévoyant par exemple un ventilateur de soufflage en amont sur la face avant du boitier, et un ventilateur d'extraction en aval sur la face arrière du boitier.

Compte tenu de sa masse (parfois plus de 1200 g), un ventirad de remplacement devra souvent être monté sur un système de fixation à contre-plaque, prenant la carte mère en sandwich (voir photos). Ceci nécessitera de démonter la carte mère, sauf si le boitier possède une ouverture arrière dans la plaque support, permettant la mise en place de la contre-plaque sans démontage.

NB : Afin de ne pas risquer d'endommager gravement la carte mère, il est recommandé de démonter les ventirads lourds pour les transports (livraison, retour, déménagement) de la machine.

Améliorations

Par rapport au ventirad d'origine, un ventirad de remplacement pourra apporter des améliorations sur les points suivants :
- la plaque de base, qui sera finement polie, et ne nécessitera donc qu'une très fine couche de pâte thermique fluide, réduisant la résistance thermique de contact avec le processeur,
- la conduction de la chaleur vers le(s) radiateur(s), qui se fera par des caloducs, fins tubes de cuivre contenant un mélange liquide/gaz véhiculant efficacement la chaleur,
- le radiateur, qui sera de taille plus importante (ex: 120x120x30 mm) et comportera de nombreuses ailettes fines, offrant une plus grande surface d'échange thermique,
- le ventilateur, qui sera de plus grand diamètre (ex: 120 mm), fournissant un débit d'air plus élevé sans avoir besoin de tourner vite.

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1.4 - La ventilation du boitier

Principe

Il appartient à la ventilation du boitier de renouveler suffisamment l'air pour que la chaleur ne s'accumule pas et donc que la température ne s'élève pas de façon excessive.

Cette tâche, facile quand les quelques dizaines de watts seulement du CPU sont à évacuer, devient difficile dès lors que d'autres composants, tels qu'un ou plusieurs GPU à pleine charge, rejettent eux aussi beaucoup de chaleur (plusieurs centaines de watts) dans le boitier.

Performances des différents types de boitiers

Les performances des boitiers, c'est à dire leur capacité à évacuer la chaleur, sont liées au nombre et au diamètre des ventilateurs de soufflage d'air frais et d'extraction d'air chaud.

Les mini-boitiers (type HTPC) ainsi que les boitiers "bureautiques", dont la ventilation est assurée par une simple prise d'air en face avant et par l'alimentation en face arrière, sont inaptes au crunch sur GPU. :spamafote:

Les boitiers "standard", équipés d'un ventilateur de 120 mm en face avant et d'un en face arrière, sont adaptés à l'installation d'une carte graphique de référence (puissance à évacuer hors boitier, CPU compris,  autour de 100-150 W).

Les boitiers "améliorés", équipés de 2 ou 3 ventilateurs de 120 mm en face avant, et de 2 ventilateurs de 120 mm en face arrière, sont adaptés à l'installation de 2 cartes graphiques de référence, ainsi qu'à l'installation d'une carte graphique améliorée ou d'une carte bi-GPU (puissance à évacuer hors boitier autour de 250-300 W).

Les configurations difficiles

Si l'installation de 2 cartes améliorées est envisagée, ou a fortiori l'installation de 2 cartes bi-GPU (puissance à évacuer hors boitier autour de 400-500 W) il sera très difficile d'avoir une configuration bien refroidie et silencieuse. Il faut envisager les alternatives au boitier fermé (voir § 2)

Si l'on souhaite malgré tout conserver un boitier fermé, il faudra prévoir une importante entrée d'air frais additionnelle (par exemple, 2 ventilateurs de 140 mm ou 1 ventilateur de 200 mm) au niveau du panneau latéral du boîtier, les cartes ayant tendance à se gêner l'une l'autre et à réaspirer leur propre air chaud. :cavapobienmwa:


1.5 - L'insonorisation

Principe

Le rôle de l'insonorisation est de profiter de l'enveloppe que constitue le boitier pour contenir et absorber les ondes acoustiques.

Sur les machines vendues dans le commerce, l'insonorisation brille généralement par son absence. :/

Améliorations faciles à réaliser


Exemple de mousse insonorisante

Afin de limiter les nuisances sonores, on peut se procurer (pour une quinzaine d'euros) des lots de plaques de mousse isolante autocollante (voir photo), permettant de traiter un boitier moyenne ou grande tour.

La préparation nécessite de démonter la machine, afin de mettre le boitier à nu.

Le découpage (tracés au marqueur, découpage au cutter ou ciseaux) et la pose des éléments de mousse nécessite un peu de soin et de patience, mais ne présente pas de difficulté majeure.

On peut ensuite procèder au remontage de la machine.

=> Les kits de mousse isolante permettent, pour une quinzaine d'euros, de diminuer le niveau acoustique de façon significative, en particulier dans les fréquences aigües, les plus désagréables.


EDIT : Ajouté précision concernant les mini-boitiers.

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