Estos son los motivos por los que los Ryzen 7000 son tan calientes

Si algo no ha gustado de los Ryzen 7000 ha sido su temperatura, muy alta sin duda en todas sus CPU, ya que por aire o agua hasta el 7600X supera ampliamente los 80 ºC y el 7950X puede llegar a tocar los 95 ºC, su Tjmax. En cambio, su consumo es inferior al de los procesadores Intel a mismo rango y gama, entonces, ¿por qué estas CPU son tan calientes? ¿Qué problema tienen los Ryzen 7000 con su IHS? Os lo explicamos

Por suerte, para todos y ya teniendo en mente este artículo desde hace dos días, nuevos datos han aparecido para mostrarnos empíricamente los problemas que están teniendo los Ryzen 7000 y sobre todo, sus motivos. Desde Igor`s Lab llegan datos con cámaras térmicas y un escáner de precisión.

El problema es el IHS en los Ryzen 7000, ¿qué dice AMD?

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En AMD son sabedores de los problemas que tienen sus procesadores, más que de sobra. El departamento de I+D de la compañía ha lanzado una respuesta ante la evidencia de que el IHS es toda la fuente de la alta temperatura:

  • Se ha intentado mantener la mejor compatibilidad con los disipadores y bloques de agua de AM4 en AM5.
  • Se necesitaba una gran estabilidad para proteger los chiplets.

Luego volveremos con esto. Lo que tenemos que tener claro es que AMD ha intentado jugar al juego de Intel y ha empujado la frecuencia sin un corte de bajo consumo en el PPT. PBO por su parte sigue aumentando la velocidad cuando más baje la temperatura, pero ahora no limita esta, sino que deja que suba hasta el Tjmax, algo que ya comentamos en otro artículo en profundidad.

El problema cuando llegas a temperaturas tan altas como 95 ºC o los 115 ºC que permite AMD bajo overclock manual es que necesitas un IHS que aguante esta escalada térmica sin deformarse. Los IHS por norma son de cobre de alto grado de pureza con una capa de níquel para protegerlos de la oxidación con el aire, y si bien la temperatura de fusión del primero es de 1.085 ºC y podemos pensar que 95 ºC o 115 ºC no son un problema, lo cierto es que pensar eso sería un error.

Con 10 veces menos temperatura se puede conseguir que un IHS sufra, y no por él precisamente, que tendrá leves deformaciones según el reparto de presión del disipador o bloque, sino porque la soldadura que integra AMD funde a 180 ºC y el sellante que se usa para pegar el IHS al PCB a 150 ºC se vuelve más líquido y puede hacer que el IHS se desplace unas micras, rompiendo la soldadura y los puentes térmicos.

Desgranando del IHS de los Ryzen 7000

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Como ya sabemos y habremos visto mil veces, el IHS de los Ryzen 7000 es grueso, muy grueso. Un escaneo 3D muestra que desde el sustrato, el PCB, hay 4,55 mm, una auténtica barbaridad si lo comparamos con los Ryzen 5000 o los Core 12, por ejemplo.

De esa cifra se entiende que 0,05 mm son para el compuesto sellante, mientras del escalón que integran para saltar los condensadores internos hasta el PCB vemos que hay 1,76 mm aproximadamente, puesto que del escalón hacia arriba, hacia la parte superior del IHS hay 2,79 mm.

Además de estas medidas tan precisas ahora también sabemos que la soldadura tiene que tener una altura de 3,42 mm, lo cual es otra barbaridad, dado que los chiplets y la altura del propio IHS son inversamente proporcionales: uno es muy fino, el otro muy alto.

Alturas-IHS-Ryzen-7000

Mirando las alturas en distintos puntos del IHS encontramos unas medidas mucho mejores a las que tiene Intel con un IHS más delgado. En este caso las tolerancias entre distintos puntos son mínimas, provocadas por el grosor del IHS que permite que las soldaduras no "tiren" hacia abajo del IHS consiguiendo que este se doble en ese punto.

Aunque esto es una ventaja, habrás podido comprobar que el problema es la resistencia térmica y la lenta transferencia de calor de la que hablaba un servidor el otro día en un comentario precisamente sobre este tema.

El reparto de calor y cómo le afecta la temperatura

AMD Ryzen 7000 IHS temperatura 1

Medir con una cámara infrarroja cómo afecta la temperatura al reparto del calor en el IHS nos va a dar una idea mucho más clara de lo que está pasando. Desde su temperatura ambiente hasta una temperatura alta, la variabilidad del reparto del calor es interesante.

A medida que se calienta desde los 25 ºC en frío, lo que vemos es un reparto de temperaturas totalmente desigual provocado por la posición de los chiplets del propio procesador. Mientras que en la esquina del CCD se alcanzan 47 ºC, la esquina contraria del IHS solo obtiene 38 ºC.

Lo curioso es que conforme se calienta, las diferencias entre los puntos van reduciéndose. A 66 ºC vemos como el CCD sigue siendo la parte más caliente del procesador, pero el IOD está tremendamente cerca y la esquina contraria al primero ya solo tiene un GAP negativo de 6,3 grados Celsius.

Los puntos más calientes se mantienen igual a 71 ºC, pero las diferencias siguen reduciéndose, hasta que a 86 ºC de media el punto más caliente es el IOD central y las cuatro esquinas apenas están separadas por 1 ºC. Viendo esto, la pregunta más obvia es ¿por qué ocurre todo esto? Tiene su explicación, la cual ya adelanté hace días.

AMD Ryzen 7000 IHS temperatura 5

El grosor del IHS supone más retención del calor (resistencia térmica) y lo que interesa es intercambiarlo lo más rápido posible.

Los Ryzen 7000 son tan calientes por los siguientes motivos

Aquí lo que nos interesa son dos de los tres estados de la transferencia de calor que se pueden dar de forma física: conducción y radiación.

La primera se basa en lo que conocemos como conductividad térmica por energía cinética, la segunda se genera en forma de ondas (normalmente son de tipo magnético) dentro del propio IHS donde no se puede dar la conducción, y por ello, en los IHS se deja una abertura mínima sin sellar con el PCB para que la diferencia de temperatura por radiación no implique una excesiva presión en el sellado y directamente el die se vea envuelto en un choque de fuerzas debido a la extrema temperatura.

IHS AMD Ryzen 7000

Esa abertura que producen esos 0,05 mm en ese punto hace que escape por ahí la presión, igualando en su mayoría la que hay dentro del IHS con la de fuera. Lógicamente no es un sistema estanco como sí que parecería el de Intel, aquí tenemos puntos concretos de sellado y no una línea completa a lo largo del IHS.

Por lo tanto, lo que tendremos son pequeñas fugas de presión interna por casi todos los puntos, salvo que en el que no tiene compuesto sellante es mayor, porque el calor generado es máximo en los CCD. Si el IHS fuese estanco, la temperatura iría creciendo y terminaría por romper los enlaces térmicos de la soldadura al no haber forma de expulsar la comentada presión.

Calentar un material superconductor a temperaturas muy por encima del ambiente en un entorno hermético no es buena idea y menos si tienes microsoldaduras de por medio para transferir el calor. Por eso, de los 8 puntos de contacto del IHS con el PCB solo 7 tenían compuesto sellante y curiosamente, ese punto sin sellante estaba justo en la vertical donde se encuentran los núcleos, lógico y bien hecho por parte de AMD.

El problema es que el mayor grosor del IHS consigue una distribución del calor muy uniforme, pero solo cuando se ha llegado a una temperatura muy alta, por lo que a más baja no lo hace nada bien. Esto se debe a que más cobre implica mayor resistencia térmica y solo funciona adecuadamente cuando el calor que se le aplica es el suficiente para llegar a la capa más alta y hacer su función correctamente.

Lo que se debería intentar es hacer un IHS de menor grosor para que la resistencia sea también menor y con ello el calor pueda fluir más rápidamente al cold plate del disipador o del bloque. Por lo tanto, y debido a un factor externo más que no se comenta, AMD no va a poder rebajar el grosor.

Socket-AM5-AMD-Ryzen-7000

Este factor es el socket de retención. La presión del mismo en formato LGA de pines implica que AMD ha tenido que cambiar las alturas del IHS para que al apretar en los dos lados de la CPU este se fije y toque perfectamente con cada pin.

Como la presión es mayor y se ha querido respetar los disipadores y bloques de AM4, resulta que el grosor del sistema de retención tampoco puede ser menor porque tiene que soportar el anclaje sin apenas deformarse. El IHS tiene que quedar por encima del sistema de retención para que el cold plate del sistema de refrigeración toque y la pasta térmica haga su función, así que es un combo perfecto de donde AMD no puede escapar por no hacer punto y final al soporte de AM4 y todos sus productos de refrigeración.

¿AMD podría hacer un IHS más delgado? Por supuesto, pero entonces entramos en un dilema interesante, puesto que los chiplets deberían ganar altura y esto ya vimos qué resultado dio en el Intel i9-9900K, tanto en precio como en resistencia térmica y temperatura final.

Así que no, no es nada sencillo mejorar lo presente más allá de quitar el IHS o reemplazarlo por otro de mejor factura, con cobre puro, mejor trabajado en cuanto a pureza de la superficie de contacto y por supuesto, un cambio de TIM a metal líquido en vez de las soldaduras.

AMD-Ryzen-7000-Delid-IHS-temperatura

Ayer mismo vimos como un delid reduce la temperatura la friolera de 20 ºC, lo que se confirma hoy con toda la explicación dada, porque al final, la ecuación de conductividad térmica en su formato básico siempre implica que a menor grosor del espesor del material, mejor conductividad vamos a tener.

Así que AMD tendrá que esperar a los 4 nm de TSMC para que Zen 4 sea más eficiente y pueda generar algo menos de calor y con ello reducir la temperatura general de cada CPU, porque si no es con las soluciones comentadas que hará que perdamos la garantía, lo único que podemos hacer para bajar las temperaturas es una cosa que también hemos nombrado alguna que otra vez.

No es más que, en el caso de tener una AIO o una refrigeración líquida custom, cuadrar las aletas del bloque con la perpendicular del IOD y los CCD, dejando la salida del agua en el punto más bajo. Esta "tontería" hará que ganemos entre 2 a 3 grados Celsius, puesto que el traspaso de calor será el más rápido disponible y como hemos visto, AMD no peca precisamente de velocidad en conductividad térmica con este IHS.