Heatpipes. Conducción de calor optimizada – IdeasYCiencia

Hace ya años que prácticamente todos los radiadores utilizados en la refrigeración de nuestros procesadores y GPUs contienen en su diseño este elemento, el heatpipe. Estos suelen ser exteriormente de cobre, a veces pasivado con zinc o cromados para evitar su oxidación por el aire.

Un heatpipe de un radiador Zalman seccionado.

Como ejemplo he fotografiado un ejemplar de Scythe por la plasticidad y belleza de las imágenes:

En este caso hay dos bloques de láminas de aluminio que atrapan a modo de sándwich los 5 heatpipes por ambos lados, estando en contacto cada lámina del radiador con 10 heatpipes. Esto asegura una excelente transferencia de calor.

Los heat pipes contienen en su interior una estructura que les da sus increíbles propiedades de conducción térmica, muy superiores a barras sólidas de metal del mismo grosor.

La estructura interna consiste normalmente en polvos, partículas o mallas de metal conductor térmico (cobre) junto a un líquido volátil a presión muy reducida para favorecer su cambio de fase vapor –> líquido y líquido –> vapor en un ciclo continuo que logra evacuar con alta eficiencia el calor de los hot spots.

Sección transversal de un heatpipe.

Un heat pipe llega a un rendimiento de 100 kW / (m⋅K), algo muy superior a los 0.38 kW / (m⋅K) de un excelente conductor térmico como el cobre puro o los 0.24 kW / (m⋅K) del aluminio.

En el centro del die de una CPU Core i7, en carga máxima FPU AVX, es fácil llegar a los 70 – 75º C con un buen combo radiador – ventilador en un chasis bien ventilado. En esa zona el líquido en contacto con la pared a 70 ºC se evapora y en ese cambio de fase roba calor al metal en contacto con la CPU.

Es el calor robado en esa transición de fase líquido –> vapor es el que da la brutal eficacia a los heat pipes.

Para conseguir una buena transmisión de calor del heatpipe de cobre a la láminas de aluminio estos van soldados, normalmente con estaño.

Simulación CFD de un heatpipe plano o vapor chamber.

La física de la dinámica de fluidos y la disipación térmica es apasionante.

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Carlos Yus Valero – informaticapremium

Espacio, tiempo y semiconductores – IdeasYCiencia

La industria de semiconductores está inmersa hace décadas en una carrera hacía la miniaturización transistores e interconexiones. A día de hoy, a mediados de 2015, Intel fabrica ya chips a 14 nm en varias de sus plantas. El resto de la industria sigue en los nodos de 20 a 28 nm.

Transistor de 14 nm y su antecesor de 22 nm. Intel.

14 nm = 0 , 000 000 014 m. 14 mil millonésimas de metro, el tamaño mínimo resoluble en uno de los chips Broadwell-Y de Intel de la serie Core.

Dies de chips de 14 nm Intel Broadwell-Y

Nanómetros, Gigahertzs y la velocidad de la luz

La velocidad de los electrones que se mueven dentro de uno de los procesadores que utilizamos a diario es muy inferior a c, la velocidad de la luz, ya que son partículas con masa (a diferencia de los fotones) y además se mueven a través de un medio sólido metálico (cobre) que opone resistencia a su paso (Ley de Ohm).

La velocidad de la luz es aproximadamente de 300 000 km/s = 300 000 000 m/s

1 GHz = 1 000 000 000 ciclos / s.

1 ciclo de reloj en una CPU que funciona a 1 GHz equivale a 1 ns (1 nanosegundo).

¿Qué distancia recorre la luz en 1 ns?

En 1 ns a velocidad = c, la luz recorre solamente unos 30 cm.

En un procesador Intel Core i7 4790K @ 4.4GHz, con un ciclo de trabajo de 0,227 ns, la luz recorre unos 6,8 cm por ciclo.

Estas cifras nos dan una idea de lo extremadamente rápidos que son los sistemas actuales y lo cerca que ya nos encontramos de los límites de la física en cuanto a frecuencias.

Transistores, átomos y moléculas

Un transistor de 14nm ya se acerca a tamaños atómicos, su tamaño es de 0,000 000 014 m.

Una molécula pequeña, sencilla, como por ejemplo el agua tiene los átomos de Hidrógeno a 0.9584 A de distancia del oxígeno, es decir 0,09584 nm. Podemos decir que mide sobre unos 0,2 nm.

Una molécula más compleja como la hemoglobina ya supera el nanómetro de tamaño y el ADN ronda los 10 nm.

Estructura interna de una molécula de pentaceno, de 1,4 nanómetros de longitud. Abajo, modelo de la misma (los átomos grises son de carbono y los blancos de hidrógeno). / IBM

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Carlos Yus Valero – informaticapremium

Estructura a gran escala del universo. Actualizado – IdeasYCiencia

Todos conocemos a grandes rasgos, incluso los no iniciados en física y cosmología, la estructura de nuestro sistema solar: un astro central con una gran masa a la que orbitan, normalmente sobre el mismo plano y en la misma dirección de giro varios cuerpos (planetas) a distancias cada vez mayores. Al astro central lo llamamos Sol y uno de los planetas la Tierra.

La Vía Láctea, la zona más brillante esconde su centro, con un agujero negro super masivo.

En este articulo no hablaré de nuestro sistema solar sino de estructuras mayores, significativamente mayores y pondré en su lugar a nuestro sistema solar dentro del gran todo del universo en el que vivimos.

Cada estrella suele estar, la mayoría de las veces, integrada en una estructura mayor que llamamos galaxia. Las hay de múltiples tipos según su origen, masa, forma, dinámica y edad en millones o miles de millones de años.

Nosotros viajamos con nuestro sistema solar dentro de la Vía Láctea, nuestra galaxia, por este vasto universo.

La Vía Láctea

Con un diámetro de unos 100.000 años luz y un grosor sobre los 1000 años luz contiene aproximadamente unos 500.000 millones de estrellas, aproximadamente la mitad de las de nuestra galaxia más cercana, Andrómeda.

La gran galaxia M32 Andrómeda, visible a simple vista en condiciones favorables.

El Sol, situado a 26000 años luz del centro de la Vía Láctea, completa una revolución (un giro completo) cada 225 millones de años. A su vez tiene un movimiento de oscilación de arriba a abajo con un periodo de 70 millones de años a través del plano galáctico. La velocidad de traslación del Sol se cifra en unos 220 km/s y nosotros, claro, nos movemos con el a esa velocidad.

El punto amarillo marca la posición del sistema solar.

Su edad estimada es de cerca de 14000 millones de años. Comparativamente nuestro planeta ronda los 4500 – 5000 millones de años.

Vista de la Vía Láctea en la que se aprecia los brazos espirales.

Nuestra galaxia es espiral con brazos curvados y barrada, es decir, con una acumulación lineal de estrellas en su centro. El Sol se sitúa en una brazo local, no en ninguno de los dos brazos espirales principales (Perseus y Scutum-Centaurus). El punto rojo marca el centro galáctico y el amarillo la posición del Sol.

Visión de la Vía Láctea desde Andrómeda.

El Grupo Local

Empezamos nuestro viaje hacia lo inmensamente grande.

Nuestra galaxia, con una masa y tamaño respetable, viaja por el universo en compañía. Edwin Hubble, uno de los mejores astrónomos de la historia, acuñó el término de Grupo Local para describir este conjunto de galaxias que mantienen una dirección común en su movimiento por el universo ligadas por fuerzas gravitatorias mutuas.

El Grupo Local, su centro de masas se localiza entre Andrómeda y Vía Láctea.

Este grupo está formado por alrededor de 30 galaxias (actualmente se cifra en 36) y sus integrantes más destacados son Andrómeda y la Vía Láctea. Al ser estas dos las de mayor importancia, el centro de masas del grupo Local se encuentra en algún punto de la línea entre ambas, más cercano a Andrómeda.

La distancia entre Andrómeda y la Vía Láctea se estima en 2.5 millones de años luz.

El Grupo Local también tiene un movimiento propio y una velocidad de traslación respecto al fondo de radiación de microondas fósil (la verdadera referencia de medida de velocidad en el universo).

Este fondo de radiación de microondas consiste en las radiaciones electromagnéticas (fotones) emitidas en los primeros estadios de la evolución del universo, en el momento en el que la densidad de materia permitió la propagación de la radiación electromagnética (el universo, anteriormente no era “transparente” en lenguaje sencillo).

El Súper Clúster local o Súper Clúster de Virgo

El Grupo Local junto con otras agrupaciones de galaxias similares forman un súper cúmulo o súper clúster de galaxias, es el llamado súper cúmulo de Virgo. Su tamaño ronda los 110 millones de años luz de diámetro, unas dimensiones enormes y encierra una cantidad ingente de masa.

Súper Clúster de Virgo, dentro de él se acomoda el Grupo Local.

Como observaréis se adivina una estructura filamentosa, los grupos de galaxias se colocan en el espacio a lo largo de estructuras alargadas con grandes vacíos aproximadamente esféricos alrededor de ellos. Es consecuencia de las fluctuaciones de densidad en los primeros momentos tras el Big Bang, en los tiempos en que se emitió la radiación que ahora forma el omnipresente fondo de radiación de microondas.

Esta radiación primordial se emitió a 3000 K (Kelvin) cuando el universo contaba con unos 380 000 años de vida, fue en el momento en que el universo se volvió transparente a la radiación y los fotones pudieron vagar libremente sin ligaduras con la materia. Su temperatura actual es de unos 2.73 K (curiosamente la temperatura de fusión del hielo de agua dividido entre 100 en Kelvins…)

El súper clúster de Virgo se mueve por el espacio a una velocidad de unos 600 km/s hacia un gran conjunto de galaxias llamado el Gran Atractor, una súper estructura cuya masa está cifrada en unas 10 000 Vías Lácteas.

El Súper Clúster Local

El Súper Clúster de Virgo forma con otros Súper Clusters un conjunto mucho mayor llamado Súper Clúster Local.

El Súper Clúster Local.

El tamaño de esta estructura ya resulta difícilmente imaginable.

Parte de Abell 3558, el centro del súper clúster Shapley. La mayor concentración de masa del universo.

El movimiento aparente del Súper Clúster de Virgo es el que se muestra en la imagen, hacia el Súper Clúster de Shapley, del que nos separan unos 550 millones de años luz:

Como vemos, la macro dinámica del universo y sus componentes es determinada por la fuerza de la gravedad, cuyo alcance espacial es infinito y transmite  su influencia a velocidad de la luz (velocidad muy elevada pero no infinita).

Por otro lado quiero resaltar que la materia convencional se sitúa sobre estructuras filamentosas que rodean ingentes espacios vacíos de simetría aproximadamente esférica.

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Recuperación de datos extrema: El disco duro del transbordador Columbia – IdeasYCiencia

En el año 2003, inmediatamente después del trágico accidente del transbordador espacial Columbia comenzó una exhaustiva búsqueda de restos (debris) para esclarecer en lo posible las causas del fatal desenlace del vuelo STS-107 y acotar exactamente la cadena de acontecimientos que llevó al desastre aquella misión.

El estado original del disco duro.

El transbordador Columbia llevaba entre otros un “flamante” disco duro Seagate de 340 MB (si MB, no GB) donde se guardaron datos y resultados de algunos experimentos sobre física realizados durante la misión.

Jon Edwards, un especialista en recuperación de datos de Kroll Ontrack se embarcó en la tarea de recuperar los datos de este maltratado (y venerable por otro lado) disco duro cuando, unos seis meses después del accidente, le fue enviado por la NASA.

  Otra vista del disco.

El primer paso consistió en retirar la, fundida y llena de residuos, placa de circuitos.

Aspecto de la parte inferior.

Vista superior con la etiqueta del disco.

Después se procedió a abrir el disco retirando la tapa superior, los sellos anti polvo estaban dañados, literalmente se habían fundido por las temperaturas extremas de la reentrada.

El disco duro abierto.

Se aprecia que la temperatura superó la de la fusión del estaño y por ello los chips se desprendieron de sus alojamientos. Además los sellados anti polvo del disco también se fundieron por las altas temperaturas y permitieron la entrada de polvo y otras partículas externas.

Se aprecia la suciedad que cubría todo el interior.

Las dudas de los profesionales de recuperación de datos eran sobre si las partículas que habían entrado en el encapsulado del disco podían estar magnetizadas, pues ello habría borrado los datos.

  Se aprecia corrosión en numerosas áreas.

Cabezas retiradas de los platos.

El resultado final fue un 99% de los datos recuperados de los platos del disco, por suerte los daños en estas áreas fueron casi inexistentes.

Numerosos artículos recogieron la noticia.

Algo que ayudó mucho en el éxito de la operación fue que el PC al que estaba conectado el disco duro utilizaba una antigua versión de MS-DOS.

MS-DOS es conocido por mantener los datos juntos en el principio del disco y no como los sistemas actuales, muy dados a la fragmentación y a extender los datos por toda el área de los platos del disco duro.

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Carlos Yus Valero – informaticapremium

La regla de la raíz de n – IdeasYCiencia

La física es una ciencia realmente apasionante para los que podemos decir que tenemos un conocimiento, aunque sea elemental en algunos aspectos, de alguna de sus ramas como la física cuántica, la teoría del caos o la relatividad.

La regla de la raíz de n.

Lo más importante que aporta el conocimiento científico a mi modo de ver a una persona es una visión global de la realidad, un conocimiento general del porqué de los acontecimientos del mundo que nos rodea y que permite relativizar los hechos cotidianos.

Releyendo el excelente libro del premio Nobel de física austríaco Erwin Schrödinger  “¿Qué es la vida? escrito en 1944, recordé una famosa y sencilla regla general llamada “regla de la raíz de n”.

Física e incertidumbre

Como sabemos, los postulados de la mecánica cuántica fuerzan la inexactitud en la medida simultánea de dos magnitudes físicas de una misma partícula como por ejemplo velocidad y posición. Es el célebre principio de incertidumbre de Heisenberg enunciado del siguiente modo:

Siendo  =

h es la constante de Planck, un número extremadamente pequeño haciendo de ella una especie de factor de escala para lo submicroscópico en nuestro universo y un límite inferior insuperable para algunos fenómenos físicos subatómicos.

Además la constante de Planck abre la veda a una estructura de la materia absolutamente compleja y de topología indescriptible a escalas inferiores a la longitud de Planck, inferida de la constante de este modo:

Siendo el producto de la velocidad de la luz (c) por el tiempo de Planck (tp), definido del siguiente modo:

t Planck =  5.39124(27) × 10⁻⁴⁴ segundos

La regla de la raíz de n

La regla de la raíz cuadrada igualmente impone restricciones a la exactitud de las medidas en el mundo macroscópico y lo hace del siguiente modo: en el libro, en la pág. 34 de la edición de Metatemas (Tusquets), Schrödinger propone un ejemplo utilizando la presión de un gas y su número de moléculas por unidad de volumen, yo lo simplificaré en aras de la sencillez:

Un pequeño libro, todo un tesoro, no se puede esperar menos de Erwin Schrödinger.

Supongamos que tenemos un recipiente lleno de agua y seleccionamos un pequeño volumen microscópico que según la densidad molecular del agua líquida contenga unas 10000 (n=10000) moléculas de H2O. Si hacemos medidas repetidas del número de estas moléculas dentro del volumen nos daremos cuenta de que prácticamente nunca son 10000 exactamente.

Y si medimos la dispersión del resultado obtendremos que es del orden de 100 (raíz cuadrada de 10000) moléculas, es decir obtendremos probablemente tantas moléculas como 10100 o tan pocas como 9900 pero muy poco frecuentemente veríamos solo 9000 o tantas como 11000.

Podemos de este modo enunciar que toda ley física tiene una inexactitud en cada caso particular del orden de la raíz de n, siendo n el número de átomos, moléculas o partículas que intervienen en la medida.

Algunas implicaciones generales

La regla de la raíz de n tiene fuertes implicaciones en el tamaño de los organismos vivos (limita sus tamaños mínimos) para conseguir que las leyes físicas que sobre ellos se aplican sean satisfactoriamente exactas dentro de un margen de error de raíz de n (siendo n un número grande).

Actúa como un potente factor de escala del siguiente modo:

Para un pequeño número de partículas, como 100, el error típico de medida será de 10, o un 10%. Es en toda regla un error intolerable para por ejemplo un organismo vivo, por ello los organismos vivos deben de estar dotados de un número muy elevado de átomos o moléculas constituyentes.

Si hablamos de un numero mayor, por ejemplo un millón (1000000), veremos que el error esperable es de 1000 (raíz cuadrada de un millón) sobre 1000000, o de un 0,1 %, algo más tolerable pero insuficiente para algo vivo en sentido amplio.

Por todo lo anterior vemos que un ser vivo aunque sea en su versión más simple, unicelular, que tenga dentro de sí un cierto orden y donde se desarrollen reacciones químicas concretas por medio de enzimas y esté dotado de varios tipos de orgánulos con funciones especializadas tiene para ello un límite inferior estricto en su número de átomos marcado por la regla de la raíz de n.

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