Aktif ve Pasif Soğutma Nedir, Farklar Neler?

Hepimizin bildiği üzere, içerisinde elektronik devreler barındıran her teknolojik cihaz az veya çok miktarda ısınır. Yükselen sıcaklıklar her zaman üreticilerin birincil düşmanı olmuştur. Tarih boyunca çeşitli soğutma yöntemleri denendi, denenmeye devam ediyor.

Ürün tasarımındaki en yaygın sorun, optimum verimlilik için termal koşulları yönetmektir. Zorluğun özü, aşırı ısınmayacak enerji tasarruflu mikroişlemciler ve baskılı devre kartları (PCB’ler) tasarlamaktan geçiyor. Ancak her ne yaparsanız yapın, elektronik devreler bir noktada ısınacaktır.

Elektronik cihazların aşırı ısınmasını önlemenin hem performans hem de güvenlik açısından önemli olduğunun herkes farkındadır. Önlem almanın iki yolu var: Pasif ve aktif soğutma çözümleri olmak üzere.

Aktif Soğutma Nedir?

Active cooling yani aktif soğutma, ısının sürekli olarak çalışan bir mekanizma yardımıyla kaynağından uzaklaştırılmasıdır. Bilgisayarlardaki fanlı sistemler, araba radyatörleri ve klimalar buna en iyi örnek. Elektronik cihazlarda soğutma, fanlara veya tüplerin içindeki soğutma sıvılarına bağlı olan ısıyı ileten metal parçaları olan ısı alıcıları ile yapılır. Daldırma soğutma (immersion cooling) olarak bilinen bir teknik de var lakin son tüketiciler için uygun değil.

Aktif soğutma sistemleri, önemli miktarsa ısı üreten bilgisayarlar için çok verimlidir, uzun zamandır bir norm haline geldi. Yüksek performans ve bilgi işlem gücü gerektiren noktalarda genellikle aktif soğutucular görürsünüz. Sunucular, HEDT sistemler ve masaüstü bilgisayarların yanı sıra, alan olarak kısıtlamalara sahip olan dizüstü bilgisayarlar da aktif soğutmadan yararlanmakta.

Aktif soğutma sistemleri, sıcak alan boyunca sıvı akışını artırmak için genellikle bir fan, üfleyici veya hatta tüm nesnenin hareketi tarafından üretilen basınçlı havayı kullanır. Fanlar havayı ısı emici boyunca zorlar, bu da daha fazla ısıtılmamış havanın ısı emici yüzeyi boyunca hareket etmesini sağlar. Uzun lafın kısası, sava soğutma veya sıvı soğutma yöntemleri kullanıldığında “aktif soğutma” terimi kullanılıyor.

Çoğu soğutucu, radyatöre benzeyen kanatçıklardan oluşmakta. CPU veya GPU ısındıkça, ısı bu kanatlara aktarılıyor ve burada bir fan kullanılarak serbest bırakılıyor. Yani dışarı atılıyor. Heatsink üzerine fan takmamızın nedeni havayı sirküle etmek istememiz. Fanlar da mantıken ters yönde çalışıyor, sıcak havayı CPU veya GPU’dan uzağa çekiyor.

Özetle aktif soğutma, ısı transferini artırmak için harici bir cihaza dayanan soğutma teknolojilerini ifade eder. Aktif soğutma teknolojileri sayesinde, konveksiyon sırasında sıvı akış hızı artar ve bu da ısının uzaklaştırılma oranını önemli ölçüde artırır.

Çözümler arasında bir fan veya üfleyici aracılığıyla basınçlı hava, basınçlı sıvı ve termoelektrik soğutucular (TEC’ler) yer alıyor. Bunlar her seviyede termal yönetimi optimize etmek için kullanılabilir. Fanlar, doğal konveksiyon ısıyı uzaklaştırmak için yetersiz kaldığında kullanılır. Genellikle bilgisayar kasaları gibi elektronik cihazlara entegre edilirler veya termal koşulları korumak ve arıza riskini azaltmak için CPU’lara, sabit sürücülere veya yonga setlerine takılırlar.

Aktif termal yönetimin ana dezavantajı, elektrik kullanımını gerektirmesi ve bu nedenle pasif soğutmaya kıyasla daha yüksek maliyetlere ulaşılması. Bir başka konu ise estetik. Aktif soğutma sistemleri, başta oyun bilgisayarları olmak üzere RGB LED’leri sergilemek için bir fırsat haline geldi diyebiliriz. İster fanların içinde ister soğutma sıvısı tüplerinin etrafında olsun, göz alıcı aydınlatmaları dahil etmek için her zaman bir alan var.

Pasif Soğutma Nedir?

Isı alışverişi herhangi bir mekanik yardım olmadan, yalnızca malzemeler arasındaki termal iletkenlik farkı kullanılarak gerçekleşiyorsa, pasif soğutma (passive cooling) dediğimiz durum ortaya çıkmış oluyor. Ya da basitçe söylemek gerekirse, cihazınızda fan ya da borulardan akan soğutma sıvısı yoksa pasif soğutma yapılıyor demektir.

Çoğu akıllı telefon ve tablette pasif soğutma sistemleri kullanılır. Mecburiyetten kullanılır, çünkü başka seçenek yok. Soğutma fanlı birkaç istisna olsa da, neredeyse tüm telefonlarda pasif soğutma sistemleri benimsenir.

Pasif soğutmalı telefonlar ve tabletler genellikle ısıyı dağıtmak için elektronik bileşenler ile cihazın dış gövdesi arasındaki metal plakalara güvenir. Bazı daha pahalı modellerde grafen tabakalar ve buhar odaları gibi daha karmaşık çözümler de yer alabiliyor.

Son zamanlarda dizüstü bilgisayarlar (ve mini bilgisayarlar) da pasif soğutma kullanmakta. Bu cihazlar normal masaüstü bilgisayarlardan çok daha az enerji tüketiyor, nihayetinde ise soğutma için fanlara veya soğuk sıvılara ihtiyaç kalmıyor.

Halihazırda pasif soğutmalı birkaç farklı bilgisayar mevcut lakin giderek daha yaygın ve popüler hale geliyorlar. En iyi bilinen model Apple’ın MacBook Air’i olabilir; fansız bir tasarıma sahip olması düşük performans sunduğu anlamına gelmiyor. Sebebi ise içerisinde bulunan çipin Apple’ın kendi tasarımına (Apple Silicon) dayanıyor olması. Buna ek olarak, mini bilgisayar modellerinden NUC 13 Pro ve Microsoft’un dönüştürülebilir bir dizüstü bilgisayar olan Surface Pro 9’u (yalnızca Snapdragon sürüm) gibi örnekler de verilebilir.

Pasif soğutma tekniklerinin avantajları enerji verimliliği ve düşük finansal maliyette yatmakta. Pasif soğutma, radyasyon ve konveksiyon ısı transfer modlarını en üst düzeye çıkarmak için bir ısı dağıtıcı veya bir ısı emici kullanarak yüksek seviyelerde doğal konveksiyon ve ısı dağılımı sağlamakta.

Özetlemek gerekirse pasif termal yönetim, optimum çalışma sıcaklıklarını korumak için ısı emicilere, ısı dağıtıcılara, ısı borularına veya termal arayüz malzemelerine (TIM) dayanan uygun maliyetli ve enerji tasarruflu bir çözüm.

Pasif vs Aktif Soğutma: Artılar ve Eksiler

Genel bir kural olarak, aktif soğutmalı bilgisayarlar genellikle daha yüksek performansa sahipken, fansız makineler daha az güç tüketir. Ancak her çözümün kendine göre faydaları ve zaafları var.

Pasif soğutmaya dayanan bilgisayarlar yoğun iş yükleri altında önemli ölçüde ısınabilir. Bunun nedeni ise sıcaklıkla birlikte hiçbir hava veya sıvının akmaması. En kötü senaryo, aşırı ısınma nedeniyle cihazların termal kısıtlama önlemlerine takılması. Bu hem iyi hem de kötü bir şey. Termal yavaşlama önlemleri devreye girdiğinde çip zarar görmez. Kötü olan tarafı ise mecburen performans düşer.

Diğer yandan aktif soğutmanın da eksiklikleri var. Bunlardan biri boyu: ısı dağıtım sistemleri kullanan makineler daha büyük ve ağır olma eğilimindedir. İkincisi ise fansız uygulamaların aksine gürültülü çalışma. Daha ağır iş yükleri üzerinde çalıştıkça fanlar daha yüksek soğutma için daha hızlı döner, sonuç olarak ortaya daha yüksek gürültü çıkar.

Bir de temizlik ihtiyacı var. Zaman zaman sizin ya da profesyonel bir teknisyenin bilgisayarı açması ve aktif soğutmanın kaçınılmaz olarak topladığı tozu temizlemesi gerekir. Dizüstü bilgisayarlar için daha düşük güç tüketimi, fansız makinelerin genellikle daha iyi pil ömrüne sahip olduğu anlamına geliyor. Aktif soğutmalı bilgisayarların daha güçlü iç aksamları daha hızlı enerji tüketir. Ayrıca fanların kullandığı enerji, diğer bileşenlerin ihtiyaç duyduğundan çok daha az olsa da göz ardı edilemez.

Heatsink (Soğutucu) Nedir?

Isı emici, CPU ve GPU gibi bilgisayar çiplerinin üzerine konumlandırılan pasif bir soğutma mekanizması. Soğutucular kendi başlarına pasif şekilde görev yapar, yani hareketli parçaları yoktur. Ancak çoğu zaman sıcak havayı dışarı üfleyen bir fan veya ısıyı boruların yarısına kadar taşıyan bir sıvı soğutma çözümü ile birleştirilir.

Soğutucunun soğutmayı en üst düzeye çıkarmak için ısı kaynağı ile güçlü bir temas kurması gerekir. Heatsink olarak bilinen soğutucular, ısıyı daha geniş yüzey alanlarına sahip olan kanatçıklara taşımak ve böylece ısıyı bilgisayarın her tarafına dağıtmak için bir termal iletkenden yararlanır. Mantıken olarak aslında heatsink de bir tür radyatördür.

Üretilen ısıyı üzerine çeken ve dağıtmak için kullanılan bu bloklar bakır veya alüminyum gibi yüksek iletkenliğe sahip metallerden yapılıyor. Bazen CPU ve GPU soğutma sistemlerinin aşırı derecede ağır olduğunu hissedersiniz. İşte böyle ürünlerde çok miktarda bakır veya alüminyum kullanılıyor, soğutma bloğu da bir hayli büyük hale geliyor.

Telefon ve Tabletler Neden Fana İhtiyaç Duymaz?

Telefon ve tablet üreticileri, yıllardır cihazlarını mümkün olduğunca ince ve hafif hale getirmek harcadılar. Bu yönde çalışmalar ve yatırımlar yaptılar. Eğer fanları hesaba katmak zorunda olsalardı, sürekli cebimizde taşıdığımız telefonlar birkaç milimetre kalınlığında olmazdı.

Fanlar yapısı gereği hantaldır ve hareket etmek için alana ihtiyaç duyarlar. Ayrıca aşırı kullanıma ve dikkatsizliğe maruz kaldıklarında çabuk bozulabilirler. Telefonlar küçük boyutu nedeniyle hayatımızın ayrılmaz bir parçası. Spor yaparken, araziye çıktığınızda, yatağınızda ve her yerde. Eğer akıllı telefonlar aktif fana sahip olsaydı, dikkatsiz davrandığınızda geri kalanı sağlam halde olsa bile fanları muhtemelen zarar görürdü. Zarar gördüğünde ise aşırı ısınmalar meydana gelirdi, performans düşüklüğünün yanı sıra farklı arızalar yaşanabilirdi.

Akıllı telefon ve tabletlerinizde kullandığınız işlemciler, bazı istisnalar hariç olmak kaydıyla masaüstü, dizüstü, HEDT ve sunucu işlemcilerinden farklıdır. Küçük taşınabilir cihazlarda enerji verimliliğine odaklanan SoC’ler, çekirdekler ve komut setleri benimsenir.

Telefonlarınızda yer alan işlemci çekirdekleri, ARM komut seti mimarisi üzerine inşa edilmiştir. AMD ve Intel gibi işlemciler ise x86 komut seti mimarisiyle üretiliyor. Daha yüksek kas gücüne ve performansa hitap ederken, daha yüksek TDP değerlerine çıkılıyor.

Pekala telefon işlemcileri hem güçlü hem de verimli olmayı nasıl başarıyor? Bunun için birçok farklı materyal ve yöntem kullanılmakta. Sıcaklığa duyarlı zamanlama (sıcak işlemcileri soğuk olanlar lehine yavaşlatma), trafik azaltma (ağ trafiğini çip üzerinden sıcak noktalardan kaçınacak şekilde yönlendirme) ve saat geçişi (işlemci mantığını her seferinde birkaç mikrosaniye durdurma) bunlardan sadece birkaçı.

Fanlar bir aktif soğutma şeklidir. Akıllı telefonlar pasif soğutmaya, yani mekanik bileşenlerin yardımı olmadan yalnızca malzemeler arasındaki iletkenlik farkını kullanarak ısı alışverişi tekniğine dayanır. Daha basit bir ifadeyle, hiçbir şeyin hareket etmesine gerek kalmadan parçalar soğuyabilir.