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UNIVERSIDADE FEDERAL DA GRANDE DOURADOS FACULDADE DE ENGENHARIA - FAEN CURSO DE ENGENHARIA DE ENERGIA DISCIPLINA DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR I César Augusto Gomes de Souza RESFRIAMENTO DE PROCESSADORES CMOS

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Page 1: ARTIGO - Resfriamento de Processadores CMOS

UNIVERSIDADE FEDERAL DA GRANDE DOURADOS

FACULDADE DE ENGENHARIA - FAEN

CURSO DE ENGENHARIA DE ENERGIA

DISCIPLINA DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR I

César Augusto Gomes de Souza

RESFRIAMENTO DE PROCESSADORES CMOS

DOURADOS – MS

NOVEMBRO DE 2011

Page 2: ARTIGO - Resfriamento de Processadores CMOS

Conteúdo1. Introdução......................................................................................................................3

2. O calor gerado no processador......................................................................................4

3. Convecção forçada........................................................................................................7

4. Modelo matemático.......................................................................................................9

5. Tipos de cooler............................................................................................................11

5.1 Air Cooler 11

5.2 Water cooler 12

5.3 Cooler Heatpipe 15

6. Técnicas em via de pesquisa........................................................................................15

6.1 Tubos de calor e termossifões 15

6.2 Water-cooling com pastilhas de Peltier 16

6.3 Sistema bifásico utilizando fluido R-134A 17

6.4 Air cooler híbrido 17

6.5 Óleo mineral 18

7. Arrefecimento de data centers e supercomputadores.................................................20

8. Conclusões...................................................................................................................25

Referências Bibliográficas...............................................................................................26

ANEXOS.........................................................................................................................28

Catálogo de coolers da Cooler Master 2010. 29

Page 3: ARTIGO - Resfriamento de Processadores CMOS

1. Introdução

Por mais de cinquenta anos a computação segue o paradigma sequencial.

Seguindo esta linha de pensamento, foram desenvolvidos diversos algoritmos eficientes

para os mais variados tipos de problemas da área. Estes incluem desde o nível de

software, com grandes áreas de pesquisa dedicada exclusivamente a algoritmos para

estruturas de dados e sistemas, até o nível de hardware, no qual existem técnicas para

otimizar a execução de instruções de forma a maximizar a eficiência dos programas.

Nos últimos cinco anos, porém, a computação esbarrou na chamada Brick Wall,

um conjunto de limitantes físicos ao velho paradigma de programação sequencial. Dois

destes limites são os mais preocupantes. Um deles é a famosa Memory Wall, a grande

diferença entre o crescimento da velocidade de acesso a dados na memória e a

velocidade de processamento da CPU. O outro limite é a Power Wall, a grande

quantidade de calor produzido e energia gasta por processadores com mais transistores.

O controle da temperatura em dispositivos eletrônicos é fundamental para um

desempenho ótimo, um funcionamento confiável e aumento do tempo de vida dos

mesmos.

O componente mais crítico da placa-mãe no que diz respeito à tolerância de

temperatura de operação é o processador. O aquecimento excessivo do processador

reduz o seu tempo de vida útil, torna o processamento de certas operações mais lento,

pode ocasionar frequentes travamentos e reinicializações do microcomputador e em

casos extremos, a sua queima.

Com a crescente redução de componentes microeletrônicos e aumento da

densidade de empacotamento verifica-se um aumento na potencia térmica dissipada

pelos novos sistemas eletrônicos. Deste ponto de vista, o dimensionamento eficiente de

sistemas de dissipação de calor em dispositivos eletrônicos é um aspecto desafiador e

necessário.

A partir da geração dos processadores 386, começou-se a utilizar dissipadores de

calor para aumentar a superfície de contato com o ar, favorecendo então a transferência

de calor por convecção. Do processador 486 em diante, passou-se a usar ventoinhas

sobre os dissipadores, já que a transferência de calor por convecção natural deixou de

ser suficiente. Uma das formas mais usuais de dissipação térmica ou resfriamento destes

componentes é via convecção forcada fazendo uso de ventiladores que forçam o ar

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Page 4: ARTIGO - Resfriamento de Processadores CMOS

escoar pelos dispositivos a serem resfriados permitindo manter a temperatura destes em

níveis aceitáveis. Simultaneamente à adoção dessas medidas, mais exaustores foram

instalados no gabinete para reforçarem a troca de ar com o meio ambiente.

Devido às restrições de natureza termodinâmica, sempre haverá um processo de

geração interna de calor no processador. Por essa razão, uma série de investigações está

sendo desenvolvida com o objetivo de minimizar esses efeitos negativos. Uma análise

da literatura especializada revela que os esforços atuais dos fabricantes de

processadores, projetistas de sistema de resfriamento de componentes eletrônicos e

programadores, concentram-se em três frentes principais: (i) redução do calor gerado

internamente através do emprego de tecnologias de fabricação que possibilitem a

redução da tensão de alimentação do CI e da resistência à passagem da corrente elétrica

por meio da redução das dimensões físicas do substrato semicondutor, (ii) otimização

do sistema de resfriamento baseado em trocadores de calor que utilizam ar, água e

nitrogênio líquido como fluidos refrigerantes e (iii) monitoramento e controle da

temperatura do processador através do uso de programas desenvolvidos especificamente

para esse fim e que atuam no clock do processador e nas tensões da fonte de

alimentação.

2. O calor gerado no processador

A energia necessária da fonte da alimentação para a realização de uma transição

de um nível lógico alto para um baixo no intervalo de tempo t é definida como:

onde é a potência elétrica consumida. Para um circuito digital CMOS, essa

potência é dada por (1) e (2):

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Page 5: ARTIGO - Resfriamento de Processadores CMOS

onde é a capacitância que é recarregada durante a transição de nível lógico 0 para 1,

a tensão de alimentação e é a frequência do clock.

Para uma operação que necessite de ciclos de clock no intervalo de tempo , ou

seja, ciclos têm-se:

A equação 2 mostra que a potência consumida pelo circuito é uma função da

frequência do clock, já a energia requerida para que o circuito lógico realize a operação

de mudança de nível lógico, como mostra a equação 1, não. Logo uma redução de

frequência do clock iria reduzir a potência que necessitaria ser dissipada, mas não

afetaria o consumo de energia. As TABELAS 1 e 2 apresentam informações sobre

potência e temperatura de alguns processadores INTELTM e AMDTM.

Há dois tipos de potência elétrica consumida durante uma transição de estado em

uma porta lógica: a estática e a dinâmica. A potência estática tem como origem as

correntes de fuga no circuito CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor).

Circuitos que se baseiam em um tipo de tecnologia que utiliza transistores de efeito de

campo, em inglês, Field Effect Transistor (FET) em lugar dos transistores bipolares

comuns (como nos circuitos TTL) na elaboração dos circuitos integrados digitais.

Originadas pelo processo de difusão que ocorre no substrato semicondutor devido à

formação de diodos parasitas. É o produto da soma das correntes de fuga pela tensão de

alimentação e contribui com poucos miliwatts (para cada milhão de transistores), para a

potência consumida total. Por outro lado, a potência dinâmica, que é a mais crítica, é a

soma da potência consumida na transição de estado lógico com a potência consumida

no processo de formação de capacitâncias parasitas internas e que dependem da

frequência.

TABELA 1. Temperatura máxima e potência de alguns processadores Core® da

INTELTM. (Fonte: INTEL, 2011)

PROCESSADOR NÚCLEOS FREQUÊNCIA (GHz) – FREQUÊNCIA MÁXIMA (GHz) POTÊNCIA DE PROJETO (W) Tcmax (°C)

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Page 6: ARTIGO - Resfriamento de Processadores CMOS

Intel® Core™ i3-2130 2 3,4 - / 65 69,1

Intel® Core™ i5-2500 4 3,3 – 3,7 95 72,6

Intel® Core™ i7-2600 4 3,4 – 3,8 95 72,5

TABELA 2. Temperatura máxima e potência de alguns processadores Phenom II® da

AMDTM. (Fonte: AMD, 2011)

PROCESSADOR NÚCLEOS FREQUÊNCIA (GHz) POTÊNCIA DE PROJETO (W) Tcmax (°C)

AMD Phenom™ II X2 2 3,1 80 70

AMD Phenom™ II X3 3 2,5 65 72

AMD Phenom™ II X4 4 3,2 95 71

AMD Phenom™ II X6 6 2,8 125 62

A FIGURA 1 mostra um gráfico que relaciona a frequência do processador para

chips de um, dois ou quatro núcleos com a sua dissipação de calor - existe uma região

azul clara na parte superior do gráfico que indica o limite da capacidade dos

dissipadores de calor comuns.

FIGURA 1. Gráfico relacionando o calor dissipado pelo chip com sua frequência de

trabalho, para processadores de um, dois ou quatro núcleos. (Fonte: CHAN et al., 2009).

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Page 7: ARTIGO - Resfriamento de Processadores CMOS

3. Convecção forçada

A temperatura na junção do semicondutor depende de vários parâmetros e

condições de operação de natureza intrínseca e extrínseca, dentre eles: tipo e material da

conexão (se houver) do semicondutor com os pinos do encapsulamento, material e

espessura do adesivo usado na fixação do semicondutor no encapsulamento, material e

geometria do encapsulamento, material e geometria do soquete de conexão com a placa-

mãe, material e geometria da placa de circuito impresso, espessura e condutividade

térmica da pasta térmica utilizada entre o encapsulamento e o dissipador, tipo e tamanho

do dissipador de calor, tipo e velocidade da ventoinha, natureza do escoamento de ar no

interior do gabinete, temperaturas do ar no gabinete e no meio ambiente exterior.

O processo de transferência de calor do processador para o ambiente interno do

gabinete se faz com o uso de um trocador de calor sólido-ar (dissipador e uma

ventoinha) em geral consiste em sobrepor ao processador uma superfície de metal que

tem a função de homogeneizar a distribuição de temperatura e acoplado a esta placa um

sistema de dissipação térmica com um perfil de aletas que pode apresentar diversos

formatos. A FIGURA 2 mostra um esquema deste sistema convencional.

A FIGURA 3 mostra um corte do arranjo completo dissipador de calor

ventoinha, chamado também de cooler, bem como os outros elementos envolvidos no

processo de dissipação de calor do processador.

Em um modelo unidimensional e estacionário, há dois sentidos possíveis para o

fluxo de calor gerado pelo processador: (i) pela sua parte inferior no sentido do soquete

e da placa-mãe e (ii) pela parte superior no sentido do cooler. Em ambos os casos, tem-

se a temperatura do gabinete como nó final, assumida uniforme e constante. A

transferência de calor do processador para o ar interno do gabinete através do soquete e

da placa-mãe se dá exclusivamente por condução até a face inferior da placa-mãe [3-4]

e a partir daí por convecção e radiação para o ar, já que o encaixe do processador com o

soquete fixado na placa-mãe não possibilita a presença de ar. Tanto o soquete, quanto a

placa-mãe são fabricados de materiais de baixíssimas condutividades térmicas (0,2 e 0,4

W/m.K, respectivamente).O processo de transferência de calor através da superfície em

contato com o processador apresenta características de transferência de calor

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Page 8: ARTIGO - Resfriamento de Processadores CMOS

multidimensional devido à diferença de tamanho entre a fonte de calor (processador) e a

superfície do dissipador como mostrado na FIGURA 4.

FIGURA 2. Sistema básico de resfriamento de processadores. (Fonte:

HENRÍQUEZ et al., 2007)

FIGURA 3. Conjunto placa-mãe, soquete, processador, dissipador e ventoinha.

(Fonte: BRITO FILHO, 2007)

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Page 9: ARTIGO - Resfriamento de Processadores CMOS

FIGURA 4. Estrutura esquemática processador-sistema de resfriamento. (Fonte:

HENRÍQUEZ et al., 2007)

4. Modelo matemático

A análise do sistema aqui apresentado será tratada através de um estudo

simplificado envolvendo apenas a transferência de calor na placa homogeneizadora em

contato com o processador (HENRÍQUEZ, ET AL, 2007).

O equacionamento matemático do problema esta baseado na equação da

condução na sua forma transiente e tridimensional. Em coordenadas cartesianas.

Tomando como base a FIGURA 5, as condições de contorno baseadas nas

características do problema são dadas a seguir. Destaca-se que devido à simetria do

problema apenas uma quarta parte do domínio será resolvida, portanto em; 0 ≥ y ≥ b

para x = 0 e 0 ≥ x ≥ a para y = 0 devemos ter uma condição de fluxo de calor nulo. Além

disso, será adotado que nas laterais do sistema ( 0 ≥ y ≥ b para x = a e 0 ≥ x ≥ a para y =

b ) temos uma condição de superfície adiabática. Na prática esta condição não é real, no

entanto é plenamente justificada se a espessura da placa for muito menor que o tamanho

dos lados da mesma.

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Page 10: ARTIGO - Resfriamento de Processadores CMOS

FIGURA 5. Sistema de coordenadas para o problema. (Fonte: HENRÍQUEZ et

al., 2007).

O efeito da dissipação térmica do processador é imposto como um fluxo de calor

na superfície da placa na região compreendida entre 0 ≤ x ≤ a1 e 0 ≤ y ≤ b1.

Na região externa ao processador, a1 ≤ x ≤ a e b1 ≤ y ≤ b foi adotado que a

superfície é adiabática.

Na superfície oposta ao processador a placa esta em contato com o sistema

aletado, de modo que a condição de contorno que será adotada aqui é uma superposição

de efeitos que envolvem a transferência de calor por condução através das aletas e a

transferência de calor por convecção entre as aletas e o ambiente. Por simplificação isto

pode ser tratado através de um coeficiente global de transferência de calor que

represente de forma equivalente estas trocas térmicas.

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Page 11: ARTIGO - Resfriamento de Processadores CMOS

5. Tipos de cooler

5.1 Air Cooler

O Air-Cooler é o tipo de cooler mais comum e, de longe, o mais utilizado, pois é

o mais barato. Ele auxilia as trocas de calor através de uma ventoinha e um pedaço de

alumínio ou cobre localizado sobre o processador. Estes dois componentes, ventoinha e

metal, auxiliam na dissipação do calor, ou seja, o alumínio “absorve” o calor do interior

da máquina e a ventoinha refrigera o metal, desta forma o calor interno é jogado para

fora.

Esse dois componentes se ligam por uma pasta térmica (FIGURA 6) que vai

fazer a condução do calor eficientemente (em alguns casos, usa-se uma fita adesiva que

se derrete, transformando-se nessa pasta).

FIGURA 6. Placa metálica e pasta térmica. (Fonte: PCWorld, 2008).

A ventoinha funciona como um ventilador, ela joga ar frio no conjunto para

resfriá-lo (FIGURA 7). Assim a placa de metal se resfria, mantendo sua capacidade de

dissipar calor da CPU. Alguns gabinetes trazem outros coolers cuja função é fazer

circular o ar quente interno para o exterior do equipamento, atuando como uma espécie

de exaustor.

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Page 12: ARTIGO - Resfriamento de Processadores CMOS

FIGURA 7. Ventoinha. (Fonte: PCWolrd, 2008).

Além do baixo custo, o Air-Cooler é o modelo de cooler mais utilizado

principalmente pelo fato de a maioria dos computadores ainda não possuírem

componentes que causem aquecimento demasiado, consequentemente não necessitam

de muita refrigeração. Outros metais podem compor um Air-Cooler, porém a diferença

de custo entre o alumínio e o cobre já é grande. O cobre é mais denso e por isso capaz

de absorver muito mais calor que o alumínio (401W/m K contra 237W/m K), mas é em

compensação mais caro e mais difícil de se trabalhar.

O alumínio, por sua vez, permite criar lâminas mais finas, que facilitam a

dissipação do calor. Devido ao baixo ponto de fusão, ele é também muito mais fácil de

trabalhar, o que permite que os coolers sejam fabricados usando um simples processo de

extrusão.

É o mais comercializado e o ANEXO I traz os principais modelos da empresa

Cooler Master do ano de 2010, bem como suas especificações.

5.2 Water cooler

Se comparado ao Air-Cooler o Water Cooler é muito mais eficiente, visto que

ele utiliza a água como fluido refrigerante, desta maneira retém calor mais facilmente do

que o ar, portanto refrigera mais rápido.

O Water Cooler funciona da mesma forma que um radiador de automóvel e

também pode contar com aditivos para aumentar a eficiência. Estes aditivos, chamados

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Page 13: ARTIGO - Resfriamento de Processadores CMOS

de Coolant, são na sua maioria à base de etileno glicol e água deionizada (água sem

íons).

O sistema de refrigeração é fechado contendo água e uma bomba que faz com

que a água circule por todo o sistema, retendo o calor do interior do PC (FIGURA 8).

Esta água aquecida é bombeada para um radiador e é resfriada por uma ventoinha. A

água fria passa novamente, através de tubos, pelo computador, é aquecida e mantém o

ciclo.

FIGURA 8. Water cooler. (Fonte: Aquatuning, 2011).

Existem vários modelos de water cooler no mercado. Em alguns deles o radiador

é externo (fica do lado de fora do micro), em alguns ele é interno (fica preso na parte da

frente do gabinete).

O grande problema é que eles são sistemas muito caros, destinados a entusiastas.

Um "meio termo" entre os coolers tradicionais e os water coolers são os water coolers

self-contained, onde todos os componentes, incluindo a bomba, radiador, water-block (o

módulo que fica sobre o processador) e o reservatório para o fluído são combinados,

criando um sistema selado.

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Page 14: ARTIGO - Resfriamento de Processadores CMOS

Existem tanto layout inteiriços, que utilizam um formato similar ao de um cooler

tradicional, como o Evercool Silver Night (FIGURA 9), quanto conjuntos em duas peças

(como o CoolIT Systems Domino ALC), onde o watter-block é ligado ao módulo com os

demais componentes através de tubos flexíveis (FIGURA 10)

.

FIGURA 9. Evercool Silver Night. (Fonte: Hardware, 2009)

FIGURA 10. CoolIT Systems Domino ALC. (Fonte: Hardware, 2009).

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Page 15: ARTIGO - Resfriamento de Processadores CMOS

5.3 Cooler Heatpipe

Os heat-pipes são tubos ocos (quase sempre feitos de cobre) preenchidos com

um fluído, que são usados para interligar uma base instalada sobre o processador (o lado

quente) e o dissipador (o lado frio). O fluído evapora com o calor do processador e é

condensado ao chegar ao dissipador, criando um fluxo contínuo que é capaz de

transportar o calor de maneira muito eficiente.

Inicialmente, os heat-pipes eram usados em notebooks, onde quase sempre o

cooler é montado "na horizontal", com a base de um lado, o exaustor do outro e dois ou

mais heat-pipes interligando as duas peças (FIGURA 9).

FIGURA 9. Cooler heatpipe em um notebook Toshiba A45 (Fonte: Hardware,

2009).

6. Técnicas em via de pesquisa

6.1 Tubos de calor e termossifões

Os tubos de calor e termossifões são os sistemas de transporte de calor de maior

eficiência conhecidos atualmente. A vantagem no uso destes dispositivos, ao invés dos

convencionais, é a possibilidade de transporte de grandes quantidades de calor através

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Page 16: ARTIGO - Resfriamento de Processadores CMOS

de uma pequena área transversal e a uma distância considerável sem a necessidade de

nenhuma forma adicional de energia. Outras vantagens são a simplicidade de

construção, transporte de calor com pequenas diferenças de temperatura e a capacidade

de controle nessa transferência.

Abreu (2006) para estudo da aplicação destes sistemas construiu um tubo de

calor retangular, utilizando o refrigerante R11 como fluido de trabalho a partir de um

bloco de cobre, de seção transversal quadrada de 60 mm de lado após o fechamento, e

de 6 mm de espessura. A construção da região de fluido foi feita pela abertura de furos

em duas direções cruzadas, com a retirada mecânica do material restante, exceto na

região central do tubo, para garantir uma resistência ao colapso por evacuação e por

expansão sob pressão.

As laterais por onde se abriu a cavidade foram fechadas utilizando duas

pequenas chapas de cobre de 3 mm de espessura soldadas no bloco. Com tubo capilar

efetuou-se a evacuação e o enchimento do dispositivo.

Além disso, desenvolveu um modelo numérico simplificado que permitiu avaliar

o desempenho do dissipador sob algumas condições de operação. Construiu também um

modelo numérico, baseado em uma formulação puramente condutiva, que permitiu

simular o comportamento do tubo de calor em condição de falha total por vazamento do

fluido de trabalho. Foram simuladas condições de regime permanente e transiente.

Os resultados por ele obtidos mostraram que o sistema alternativo à convecção

forçada, comummente usada, é muito mais eficiente, com um coeficiente médio de

transferência de calor por convecção com valor de 36 W/m2K e variação máxima de

± 2 W/m2K.

6.2 Water-cooling com pastilhas de Peltier

Diversos métodos de arrefecimento existem para contornar o problema, mas o

método tradicional de resfriamento via convecção forçada pelo ar continua sendo o mais

comum, apesar do seu baixo teor de absorção de energia térmica, em relação a outros

fluidos. Um destes é a água, que por ser de fácil acesso, tornou-se o fluido principal do

chamado “water-cooling”.

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Page 17: ARTIGO - Resfriamento de Processadores CMOS

Visando o desenvolvimento de um sistema mais eficiente de arrefecimento, foi

adicionada ao sistema de water-cooling convencional a tecnologia de termo-

eletricidade, mais especificamente com pastilhas de Peltier.

Em Barone (2010) um protótipo deste sistema foi desenvolvido e demonstrou-se

que o sistema placa de Peltier acrescido do watercooling é melhor que o sistema de

arrefecimento a ar e o sistema com placa de Peltier resfriada a ar. Ainda que os

resultados tenham diferido levemente das simulações realizadas e apesar da alta

potência requerida pela placa de Peltier.

6.3 Sistema bifásico utilizando fluido R-134A

Wobeto (2009) em seu trabalho construiu um protótipo de um sistema baseado

em um termosifão, blocos de cobre foram usinados e conectados a uma serpentina e a

um visor de liquido, este sistema foi fechado e carregado com fluido R-134A a pressão

de saturação, a massa de fluido a ser inserida no sistema foi calculada a partir da pressão

de operação desejada. O sistema mostrou-se mais eficiente do que um dissipador de

calor comum utilizado em computadores, porém as altas temperaturas obtidas na

serpentina indicaram que havia espaço para uma melhoria do projeto do condensador. A

fim de comprovar a teoria de que o condensador limitava o sistema, foi realizado um

teste utilizando um ventilador doméstico de alta potência para arrefecer o condensador e

foi atingida uma temperatura 14,8% menor no chip. A melhoria proposta foi a adoção

de um sistema compacto com 18 aletas de alumínio ligadas à serpentina, foi realizado

um cálculo teórico que demonstrou que este sistema provocaria uma redução de 8,4%

na temperatura de trabalho do chip.

6.4 Air cooler híbrido

Koplow (2010) apresentou em seu uma nova arquitetura para o air cooler onde

transformou o dissipador cerâmico na própria ventoinha, incorporando um motor

brushless na peça em forma de espiral (FIGURA 10). A ideia é eliminar o dissipador

estático que, inevitavelmente, sempre vai ter uma espécie de “bolsão de ar” aquecido a

sua volta, não importando o tamanho ou velocidade da ventoinha acoplada a ele

(FIGURA 11).

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Page 18: ARTIGO - Resfriamento de Processadores CMOS

FIGURA 10. Fotografia do protótipo (Fonte: KOPLOW, 2010).

A parte fixa do dissipador ficaria a uma distancia mínima da “cabeça” giratória,

permitindo que o calor transite entre as porções mesmo sem a pasta térmica. Além

disso, o fato de não haver mais superfícies estáticas em exposição contribuem para

diminuir o indesejável pó que acaba se acumulando com o tempo.

FIGURA 11. Principio de funcionamento. (Fonte: KOPLOW, Jeffrey P, 2010).

6.5 Óleo mineral

O uso de óleo mineral como fluido de resfriamento é novo e incomum. A técnica

consiste em mergulhar quase que inteiramente os componentes do computador em um

aquário contendo óleo mineral.

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Page 19: ARTIGO - Resfriamento de Processadores CMOS

Diferentemente da água empregada no water cooling, que pode provocar danos

aos circuitos elétricos em casos de vazamento, o óleo mineral não conduz eletricidade e

é empregado até mesmo como isolante. Uma das empresas pioneiras no assunto chama-

se Puget Systems. Eles estão testando esse método de refrigeração há mais de dois anos.

As maiores dúvidas com relação ao óleo mineral a respondidas eram quanto ao

desempenho e efeitos a longo prazo. A empresa, então, montou um sistema completo

dentro de um aquário cheio de óleo mineral (entre 19 e 23 litros), deixando de fora

apenas o drive e o disco rígido, e dentro de dois anos foram realizados diversos testes

para determinar o desempenho e eficiência do sistema (FIGURA 12).

FIGURA 12. Sistema montado pela Puget System com óleo mineral. (Fonte: Puget

System, 2010).

A grande vantagem apresentada pelo óleo mineral é seu calor específico, o

aquário dos testes foi vedado e não houve necessidade de ventilá-lo. A variação térmica

do óleo não sofreu grandes alterações ao receber o calor do trabalho dos componentes.

O computador chegou à temperatura de 88°C em testes feitos por 12 horas

consecutivas com o 3DMark06 (programa usado para testar a performance 3D das

placas de vídeo) – um valor considerado alto. Mas essa marca levou um longo tempo

para ser alcançada, além de o sistema não ter falhado nenhuma vez no período. Outro

fator relevante é a questão sonora, com todos os componentes submersos e a

inexistência de ventoinha o computador ficou absolutamente silencioso.

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Page 20: ARTIGO - Resfriamento de Processadores CMOS

O sistema é altamente eficiente comparado aos demais modelos. Muito mais

silencioso e efetivo que o air cooler e o water cooler e ainda mais seguro que o último

devido aos riscos de vazamento. Em contrapartida é um sistema ainda experimental e

caro, entretanto em casos de praticantes de overclock ou mesmo computadores de alto

desempenho encontra-se na mesma faixa de preço que um sistema de water cooling.

7. Arrefecimento de data centers e supercomputadores.

Com um equipamento mais compacto alojado dentro de um único armário

(FIGURA 13), o aumento da potência e o calor dissipado dão origem a pontos quentes

dentro de alguns centros de dados.

FIGURA 13. Exemplos de compactação. (FONTE: HANNAFORD, Peter, 2004).

Ao conceber o sistema de arrefecimento de um centro de dados ou

supercomputadores, o objetivo consiste em deixar um caminho livre desde a fonte de ar

arrefecido até aos pontos de entrada dos servidores. De igual modo, é necessário deixar

um caminho livre desde a saída dos servidores até à conduta de ar recirculado do

equipamento de ar condicionado.

O gerenciamento de todo o sistema é fundamental e deve incluir verificações na

capacidade máxima de arrefecimento, nos equipamentos CRAC (Computer Room Air

Conditioning - Ar condicionado para salas de computadores), no estado do circuito

refrigerador de água/condensador, na temperatura ambiente e no interior dos bastidores,

na velocidade do ar, na limpeza e nos obstáculos ao fluxo de ar, bem como o

comportamento deste no interior dos bastidores e a disposição dos ladrilhos e das alas.

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Page 21: ARTIGO - Resfriamento de Processadores CMOS

Nos casos em que a capacidade de arrefecimento média global é adequada, mas

em que foram criados pontos quentes devido à utilização de bastidores de alta

densidade, é possível aumentar as cargas de arrefecimento nos bastidores colocando

dispositivos com ventoinhas, que melhoram o fluxo de ar e podem aumentar a

capacidade de arrefecimento entre 3 kW e 8 kW por bastidor. Estes dispositivos como,

por exemplo, a ADU (Air Distribution Unit - Unidade de distribuição de ar) e a ARU

(Air Removal Unit - Unidade de expulsão de ar) “roubam” efetivamente o ar dos

espaços contíguos (FIGURAS 14 e 15). Como com todos os dispositivos de limpeza do

ar, tem que haver cuidado ao posicionar o dispositivo de forma que o ar retirado do

espaço contíguo não sobreaqueça os bastidores circundantes. Estes dispositivos devem

estar no bus principal do UPS (Uninterruptible Power Supply – Fonte de Alimentação

Ininterrupta, também conhecida como no-break) para evitar o encerramento térmico

durante os cortes de energia. A sobrecarga térmica pode ocorrer durante o tempo que o

motor a diesel de segurança leva a arrancar e subsequentemente os aparelhos de ar

condicionado.

FIGURA 14. Unidade de fornecimento de ar totalmente canalizado e com

montagem em bastidor. (FONTE: HANNAFORD, Peter, 2004).

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Page 22: ARTIGO - Resfriamento de Processadores CMOS

Os dispositivos com ventoinha se encaixam nos espaços inferiores em U de um

armário de dados e direcionam o fluxo de ar na vertical para criar uma ‘cortina’ de ar

frio entre a porta da frente e os servidores. Tem de utilizar painéis falsos (consulte a

secção 3) para garantir a integridade do sistema de arrefecimento em sobrepressão. O ar

é aspirado pelos servidores e enviado para a ala (quente) para ser arrefecido e

recirculado pelo sistema de ar condicionado da sala.

FIGURA 15. Unidade de recirculação do ar totalmente canalizado e com

montagem em bastidor. (FONTE: HANNAFORD, Peter, 2004).

No caso de densidades mais altas, é possível retirar a porta de trás do armário e

substituí-la por um dispositivo para aspirar o ar através do armário num plano

horizontal. O ar é aspirado para dentro do armário a partir da ala (fria), pelas ventoinhas

existentes no equipamento informático, dentro do bastidor. As ventoinhas situadas na

porta de trás recolhem o ar quente que é esvaziado para a sala (ou, no caso da ARU,

recanalizado) e recirculado pelo sistema de ar condicionado da sala. Com este tipo de

dispositivos, é possível obter densidades entre 6-8 kW por bastidor. Terá de utilizar

painéis falsos com estes dispositivos.

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Page 23: ARTIGO - Resfriamento de Processadores CMOS

Dado que as necessidades de potência e de arrefecimento dentro de um bastidor

se elevam acima dos 8 kW, torna-se cada vez mais difícil fornecer um fluxo consistente

de ar frio à parte da frente de todos os servidores num bastidor com o fluxo de ar

vertical. Em situações extremas de alta densidade (além de 8 kW por bastidor), o ar

arrefecido tem de ser fornecido num plano horizontal de modo a atingir uma

temperatura uniforme de baixo para cima. Os sistemas de arrefecimento de alta

densidade autônomos foram concebidos de forma a serem instalados num centro de

dados sem interferirem com outros bastidores ou sistemas de arrefecimento existentes.

São “neutros” a nível térmico e tiram o ar frio da sala para o espalhar a seguir à mesma

temperatura ou utilizam o próprio ar num armário fechado. As FIGURAS 16 e 17

ilustram dois exemplos destes sistemas.

FIGURA 16. Sistema de arrefecimento de bastidores integrado (vários

bastidores). (FONTE: HANNAFORD, Peter, 2004).

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Page 24: ARTIGO - Resfriamento de Processadores CMOS

Está disponível uma infraestrutura completa com distribuição de cabos de

alimentação, disjuntores, preparação para cabos de dados suspensos, UPS e soluções de

arrefecimento correspondentes nos sistemas de arrefecimento/bastidores integrado. O ar

quente dos servidores é esvaziado para uma ala quente e aspirado através da unidade de

arrefecimento para ser novamente libertado na sala a 24°C. Desta forma, a carga

calorífica é temperada e a solução não de pende da sala.

FIGURA 17. Sistema de arrefecimento de bastidores integrado (um bastidor).

(FONTE: HANNAFORD, Peter, 2004).

Para cargas de densidade mais altas até 15 kw por bastidor, é necessária outra

estratégia para o arrefecimento com ar. O ACS (Autonomous Cabinet System - Sistema

de armários autônomos) é um centro de dados completo numa caixa, integrando

sistemas de arrefecimento, de potência, de detecção de incêndios e de segurança

necessários para cargas de alta densidade. A unidade de arrefecimento está situada

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Page 25: ARTIGO - Resfriamento de Processadores CMOS

dentro da estrutura, garantindo deste modo a eficácia máxima do fornecimento de ar frio

ao equipamento montado em bastidor. O ar quente é reciclado para a unidade de

arrefecimento integral e não sai do armário.

8. Conclusões

Está claro o desenvolvimento crescente da capacidade de processamento dos

componentes eletrônicos atuais e consequentemente da quantidade de calor produzida

pelos mesmos. Modelos matemáticos são criados de forma a delinear de maneira correta

todo o processo de dissipação de calor tendo em vista o conhecimento do fenômeno

como um todo, de forma a desenvolver maneiras de otimizar o processo de resfriamento

dos mesmos.

A atual técnica empregada no resfriamento de processadores comerciais, de

usuários comuns, a chamada convecção forçada, está em forte decadência, fato

comprovado e devido principalmente ao aumento no número de núcleos de

processamento do componente eletrônico, logo pesquisas diversas vem sendo realizadas

na área de forma a buscar rotas alternativas.

Destacam-se nessa área projetos de sistemas de arrefecimento que se baseiam no

uso de fluidos com teor de absorção de energia térmica muito superior ao do ar, como

água ou mesmo óleo mineral e aqueles que se baseiam em dispositivos térmicos, tais

quais tubos de calor, termossifões e placas de efeito Peltier. Entretanto apesar da

eficiência claramente superior destes métodos, comprovada através de modelagem

matemática, muitas vezes o mesmo possui uma estrutura de execução pouco viável do

ponto de vista industrial ou apresenta custos elevados, tanto de ordem energética quanto

financeira. Surgiram ainda novas arquiteturas para sistemas clássicos, como o air

cooling e até mesmo novos sistemas, totalmente remodelados, como os criados para o

uso de óleo mineral como fluido de arrefecimento.

25

Page 26: ARTIGO - Resfriamento de Processadores CMOS

Referências Bibliográficas

BARONE, Michel. Projeto de arrefecimento de processadores por sistema de

water-cooling com pastilha de Peltier. 2010. 4f. Trabalho de Conclusão de Curso

(Bacharelado em Engenharia Mecatrônica) - Escola Politécnica – USP, São Paulo,

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Transfer v.52 p. 3456–3463. 2009.

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http://www.coolermaster.com/upload/e-catalog/CES2010/index.html>. Acesso em: 23

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<http://www.eletronicadigital.com/site/curso-eletronica-digital/12-licao4.html?start=1>.

Acesso em: 16 de setembro 2011.

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Disponível em: <http://www.tecmundo.com.br/cooler/14550-oleo-mineral-o-melhor-

cooler-para-o-seu-pc.htm>. Acesso em: 22 de outubro de 2011.

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causados pela instalação de servidores de alta densidade. Disponível em:

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Page 27: ARTIGO - Resfriamento de Processadores CMOS

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HENRÍQUEZ, J.R., BUENO, C.E.G., PRIMO, A.R.M. Estudo numérico sobre a

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Universidade Federal de Pernambuco, Recife, 2007.

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<http://www.hardware.com.br/dicas/evolucao-coolers.html>. Acesso em: 13 de outubro

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em seu PC. Disponível em: <http://pcworld.uol.com.br/dicas/2008/05/30/saiba-como-

funciona-o-cooler-e-evite-superaquecimento-em-seu-pc/>. Acesso em 13 de outubro de

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WOBETO, Guilherme Alexandre Batista. Resfriamento de chips eletrônicos através

de sistema bifásico utilizando fluido R-134A. 2009. 31f. Trabalho de Conclusão de

Curso (Bacharelado em Engenharia Mecânica) – Escola de Engenharia – UFRGS, Porto

Alegre, 2009.

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Page 28: ARTIGO - Resfriamento de Processadores CMOS

ANEXOS

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Page 29: ARTIGO - Resfriamento de Processadores CMOS

Catálogo de coolers da Cooler Master 2010.

V10

Construído para dissipação térmica extrema, cobre toda a DRAM e CPU.

Design de dissipador de calor triplo, com 10 tubos de calor (6 no corpo principal e 4

no TEC), dupla ventoinha PWM para garantir um grande fluxo de ar sobre os tubos de

calor e TEC ( Thermal Electric Cooling – Resfriamento Elétrico Térmico) hibrido.

FIGURA 13. V10 e seus componentes. (FONTE: Cooler Master, 2010).

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Page 30: ARTIGO - Resfriamento de Processadores CMOS

ESPECIFICAÇÕES

Soquete do CPU Intel LGA 1366 / 1156 / 775, AMD AM3 / AM2+/ AM2

Dimensões 236,5 x 129 x 161,3 mm

Material do dissipador de calor Base de Cu / Aletas de Al

Voltagem de operação 10,8 ~ 13,2V (TEC)

Dimensões da ventoinha 120 x 120 x 25 mm

Velocidade da ventoinha 800 ~ 2400 rpm

Fluxo de ar da ventoinha 90 CFM (Máx.)

Tipo de rolamento Rifle

Conector 4-pin

Peso 1200g

Nível de ruído 17 ~ 37 dBA

V8

Tecnologia de resfriamento otimizada para CPUs de alto desempenho, com 4

módulos de aletas de alumino para melhor dissipação do calor e 8 tubos de calor para

maximar a transferência. Centro com uma ventoinha de 120mm, para fluxo de ar

constante, com controle de velocidade da ventoinha PWM de 7V a 12V.

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Page 31: ARTIGO - Resfriamento de Processadores CMOS

FIGURA 14. V8 e seus componentes. (FONTE: Cooler Master, 2010).

ESPECIFICAÇÕES

Soquete do CPU Intel LGA 1366 / 1156 / 775, AMD AM3 / AM2+/ AM2

Dimensões 120 x 128 x 161,1 mm

Dimensões do dissipador de calor 120x120x158 mm

Material do dissipador de calor Base de Cu / Aleta de Al / 8 tubos calor

Voltagem de operação 10,38 ~ 13,2V

Dimensões da ventoinha 120 x 120 x 25 mm

Velocidade da ventoinha 800 ~ 1800 rpm

Fluxo de ar da ventoinha 69,69 CFM

Expectativa de vida da ventoinha 40000 horas

Tipo de rolamento Rifle

Conector 4-pin

Peso 865g

Nível de ruído 17 ~ 21 dBA

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Page 32: ARTIGO - Resfriamento de Processadores CMOS

Hyper Z600R

Verdadeira solução de refrigeração com 0 dBA, para operações silenciosas. As

aletasas entrelaçadas maximizam a dissipação na superfície e o design em X, junto com

o espaço otimizado entre as elas, cria uma zona de baixa pressão na parte das costas

fazendo com que o ar passe através dos tubos de calor mais rapidamente. Base de cobre

espelhado com 6 tubos de calor e suporte para ventoinha de 120mm para entusiastas por

performance.

FIGURA 15. Hyper Z600R e sua estrutura. (FONTE: Cooler Master, 2010).

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Page 33: ARTIGO - Resfriamento de Processadores CMOS

ESPECIFICAÇÕES

Soquete do CPU Intel LGA 1366 / 1156 (com adaptador)/ 775, AMD AM3 /

AM2+/ AM2

Dimensões 127,28 x 127,28 x 160 mm

Material do dissipador de

calor

Base de Cu / Aleta de Al / 6 tubos calor

Peso 1045g

Dimensões do dissipador de

calor

Ø6mm

Dimensões da ventoinha 120 x 120 x 25 mm

Velocidade da ventoinha 2000 rpm

Fluxo de ar da ventoinha 69,69 CFM

Expectativa de vida da

ventoinha

50000 horas

Tipo de rolamento Rolameto de longa vida

Conector 3-pin com 4-pin adaptador

Peso 116g

Nível de ruído 19 ~ 21 dBA

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Page 34: ARTIGO - Resfriamento de Processadores CMOS

Hyper N520 / N620

Design universal com soquetes Intel e AMD.

Fluxo de ar otimizado com suporte a duas ventoinhas que permitem acelerar o ar

através dos tubos de calor e base de cobre polido que garante um contato perfeito entre

CPU e cooler.

N520: 5 tubos de calor.

N620: 6 tubos de calor.

FIGURA 16. N520 e N620, respectivamente. (FONTE: Cooler Master, 2010).

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Page 35: ARTIGO - Resfriamento de Processadores CMOS

ESPECIFICAÇÕES

Soquete do

CPU

Intel LGA 1366 / 1156 (com adaptador)/ 775, AMD AM3 / AM2+/ AM2

Dimensões 122,35 x 102,5 x 141 mm 140,8 x 96,4 x 160,7 mm

Peso 688g 847g

Dimensões do

dissipador de

calor

115 x 62,3 x 141 mm 140,8 x 50,8 x 158 mm

Material do

dissipador de

calor

Base de Cu / Aleta de Al / 5 tubos

calor

Base de Cu / Aleta de Al / 6 tubos

calor

Dimensões do

tubo de calor

Ø6mm Ø6mm

Dimensões da

ventoinha

90 x 90 x 25 mm 120 x 120 x 25 mm

Velocidade da

ventoinha

1800 rpm 800 ~ 2000 rpm

Fluxo de ar da

ventoinha

43,8 CFM (Total) 83,6 CFM (Máx.)

Pressão do ar

na ventoinha

3,24 mmH2O (Total) 4,43 mmH2O (Máx.)

Expectativa de

vida da

ventoinha

70000 horas 40000 horas

Tipo de

rolamento

Manga Rifle

Conector 3-pin 4-pin

Nível de ruído 19 dBA 16 ~ 28 dBA

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Page 36: ARTIGO - Resfriamento de Processadores CMOS

Hyper 212 Plus

Desempenho equilibrado, com design dos tubos de calor que promovem otimização

da ventoinha, com balanço perfeito entre baixas e altas velocidades de operação. Quatro

tubos de calor em contato direto com a superfície do CPU e do cooler e ventoinha de

grande alcance com formato de pá único para fluxo de ar excelente.

FIGURA 17. Hyper 212 Plus, com destaque para os tubos de calor ao centro e as

ventoinhas. (FONTE: Cooler Master, 2010).

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Page 37: ARTIGO - Resfriamento de Processadores CMOS

ESPECIFICAÇÕES

Soquete do CPU Intel LGA 1366 / 1156 / 775, AMD AM3 / AM2+/

AM2

Dimensões 120 x 79,7 x 158,5 mm

Dimensões do dissipador 116 x 51 x 159 mm

Material Aletas de Al

Tubos de Calor 4

Dimensões da ventoinha 120 x 120 x 24 mm

Velocidade de ventoinha 600 ~ 2000 rpm (PWM)

Fluxo de ar da ventoinha 21,2 ~ 76,8 CFM

Expectativa de vida da

ventoinha

40000 horas

Tipo de rolamento Rolamento de longa vida

Conector 4-pin

Nível de ruído 13 ~ 32 dBA

Peso 626g

Geminii S

Resfria CPU e componentes que estão ao redor. Suporte para uma ventoinha de

120mm, duas de 90mm ou duas de 80mm. Base de cobre com 5 tubos de calor e aletas

de alumínio de alta densidade.

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Page 38: ARTIGO - Resfriamento de Processadores CMOS

FIGURA 18. Geminii S, com destaque a base de cobre e estruturas com duas

ventoinhas de 80mm e 90mm, respectivamente. (FONTE: Cooler Master, 2010).

ESPECIFICAÇÕES

Tipo de soquete Intel LGA 1366 / 1156 (com adaptador)/ 775, AMD

AM3 / AM2+/ AM2

Dimensões do dissipador de

calor

124 x 118,5 x 62 mm

Material Base de Cu / Aletas de Al / 5 tubos de calor

Peso 560g

Dimensões da ventoinha 120 x 120 x 25 mm

Velocidade da ventoinha 1000 ~ 2000 rpm

Fluxo de ar da ventoinha 69,69 CFM

Nível de ruído 17 ~ 21 dBA

Expectativa de vida da

ventoinha

40000 horas

Tipo de rolamento Rolamento de longa vida

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Page 39: ARTIGO - Resfriamento de Processadores CMOS

Vortex 752

Melhor performance para gabinetes HTPC e slim. Totalmente de cobre com 2

tubos de calor e mecanismo especial na ventoinha que reduz a vibração e o ruído, este

na casa de 18 dBA.

FIGURA 19. Vortex 752, com destaque a sua estrutura de cobre. (FONTE: Cooler

Master, 2010).

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Page 40: ARTIGO - Resfriamento de Processadores CMOS

ESPECIFICAÇÕES

Tipo de soquete Intel LGA 775, AMD AM3 / AM2 / 940 / 939 / 754

Dimensões 108 x 114 x 75,4 mm

Material do dissipador Base de Cu / Aleta de Al / 2 tubos de calor

Dimensões de ventoinha 92 x 92 x 25 mm

Velocidade da ventoinha 800 ~ 2200 rpm

Expectativa de vida da ventoinha 40000 rpm

Tipo de rolamento Rolamento longa vida

Nível de ruído 18 dBA

Conector 4-pin

Peso 307,81g

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