El metal líquido de la refrigeración de PlayStation 5, explicado: por qué lo ha elegido Sony para su consola de nueva generación

Sony tiene una deuda pendiente con los usuarios. El sistema de refrigeración que ha implementado tanto en PS4 como en PS4 Pro es muy ruidoso en los momentos de máxima carga de trabajo. De hecho, llega a ser molesto. Las últimas revisiones de PS4 Pro han atenuado ligeramente este problema y han reducido el nivel de ruido unos pocos decibelios, pero en absoluto lo suficiente para resolver este hándicap de una manera plenamente satisfactoria.

Muchos usuarios estábamos esperando con ganas tener más información acerca del sistema de refrigeración de PS5 para poder intuir si Sony había conseguido resolver este problema en su consola de nueva generación. Los foros de videojuegos están repletos de comentarios de aficionados que han manifestado su inquietud, y, afortunadamente, Sony ha respondido. Y es que hace unas horas ha publicado un vídeo en el que uno de los responsables del departamento de ingeniería mecánica desmonta completamente la consola y revela cómo es su sistema de refrigeración.

No cabe duda de que no podremos estar seguros de si esta solución es realmente eficaz y si es o no silenciosa hasta que tengamos la consola en casa, pero la información que ha desvelado Sony confirma que se han esmerado en el diseño de la refrigeración de PS5. Por otro lado, es lo que tocaba.

El enorme ventilador de tipo turbina de 120 x 45 mm y el gigantesco disipador en el que abunda el cobre pintan realmente bien, pero el elemento más llamativo de este sistema de refrigeración es el metal líquido que actúa como interfaz entre el núcleo del SoC y la base del disipador. Es muy probable que este componente sea en gran medida el responsable de la capacidad refrigerante de esta consola, y por esta razón merece la pena que lo conozcamos un poco mejor.

TIM: qué es y por qué es tan importante

El acrónimo TIM procede de la denominación en inglés Thermal Interface Material, y describe cuál es el material utilizado como interfaz térmica entre un chip y el disipador que se responsabiliza de refrigerarlo. Si nos ceñimos a los microprocesadores y los procesadores gráficos, que son los chips que suelen disipar más energía en forma de calor, el TIM actúa como interfaz entre el encapsulado que recubre el núcleo de la CPU y la base del disipador.

El mecanismo que explica cómo se lleva a cabo la transferencia de energía térmica entre dos elementos sólidos se conoce como conducción, y su eficiencia es mayor cuando la superficie de contacto entre los dos objetos es máxima

Los fabricantes de semiconductores y disipadores suelen esmerarse para que la superficie de contacto entre estos componentes sea homogénea y esté lo más pulida posible debido a que es crucial maximizarla para optimizar la transferencia de energía en forma de calor entre ellas. Sin embargo, por muy bien resuelta que esté el metal tiene pequeñas imperfecciones que es muy difícil corregir aunque su mecanizado sea muy preciso.

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El mecanismo que explica cómo se lleva a cabo la transferencia de energía térmica entre dos elementos sólidos se conoce como conducción, y su eficiencia es mayor cuando la superficie de contacto entre los dos objetos es máxima. El problema es que si estas dos superficies no son completamente homogéneas, que en este contexto nunca lo son, esas pequeñas imperfecciones acaban siendo ocupadas por diminutas bolsas de aire, que es un mal conductor de la energía térmica.

Esta deficiencia, precisamente, justifica la existencia del TIM, que en la práctica es una masilla o pasta térmica que se coloca entre las superficies del encapsulado de la CPU o GPU y el disipador. De esta manera la pasta térmica forma una película fina de material que rellena las imperfecciones de las superficies metálicas en contacto y favorece la conducción de la energía térmica, que, precisamente, es lo que buscamos.

Cada fabricante de pasta térmica tiene su propia receta, por lo que no todas las masillas tienen exactamente la misma composición. Algunas utilizan óxido de aluminio; otras nitruro de boro, óxido de zinc o nitruro de aluminio, y, unas pocas, las más sofisticadas, contienen partículas de plata en suspensión. La composición de una pasta térmica es importante porque condiciona su índice de conductividad térmica, un parámetro que mide la capacidad de transportar energía en forma de calor que tiene un material.

La termoconductividad de los metales es sensiblemente más alta que la de los materiales que no son metálicos, como los termoplásticos o la madera, de ahí que sea tan importante introducir partículas metálicas en la pasta térmica. De esta forma conseguimos incrementar la capacidad de transporte de energía en forma de calor del compuesto, pero también corremos el riesgo de incrementar su conductividad eléctrica, y esto podría depararnos problemas si la masilla entra en contacto con algún componente eléctrico o electrónico de nuestro ordenador.

El metal líquido es una buena opción, pero es difícil manejarlo

Como acabamos de ver, el índice de conductividad térmica de las pastas térmicas es más alto que el del aire, que es un buen aislante térmico. Aun así, la termoconductividad de estas masillas es mucho más baja que la de los metales, por lo que el TIM ideal sería aquel que tenga un coeficiente de termoconductividad lo más próximo posible al de los metales. En ese caso, ¿por qué no utilizar un metal en estado líquido como interfaz entre el encapsulado de la CPU o GPU y el disipador? De esta forma maximizamos el área de contacto entre las superficies metálicas, evacuamos el aire y tenemos una alta capacidad de transporte de calor.

Utilizar una aleación de metal líquido como TIM es una estrategia muy atractiva debido a su capacidad de conducción del calor, pero plantea un desafío: es crucial evitar que este componente, que también tiene la capacidad de conducir la electricidad, entre en contacto con otros elementos del equipo. Los compuestos de metal líquido utilizados en aplicaciones electrónicas con el propósito de favorecer el transporte de la energía térmica suelen recurrir a una aleación de galio, indio y estaño conocida como galinstano.

Su índice de conductividad térmica puede ser hasta 80 veces más alto que el de una pasta térmica convencional, pero, además de lo difícil que es manejarlo para evitar que entre en contacto con otros componentes, tiene una desventaja que no podemos pasar por alto: el galio debilita mucho el aluminio debido a que consigue infiltrarse entre los cristales que lo componen y reduce la fuerza con la que están enlazados entre ellos. Por esta razón lo ideal es que las aleaciones de metal líquido que utilizan galio no convivan con superficies de aluminio. El cobre es una opción mucho mejor.

La elección del galio no es casual. Y es que el punto de fusión de este metal es 29,7 ºC, por lo que se mantiene en estado líquido a una temperatura relativamente baja. Los puntos de fusión del indio y el estaño son más altos, pero actuando sobre la proporción de estos elementos es posible jugar con el punto de fusión del compuesto de metal líquido. Sony asegura que sus ingenieros han invertido dos años en el diseño del sistema de refrigeración de PlayStation 5, lo que refleja que son conscientes de que esta consola debe rendir mejor en este terreno que su predecesora.

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No conocemos la composición del metal líquido que actúa como TIM en PS5, pero es probable que sea similar a la que acabamos de describir, y que, por tanto, contenga galio. En cualquier caso, no cabe duda de que una parte importante del esfuerzo de los ingenieros de esta empresa ha ido a parar al diseño del recinto que tiene la responsabilidad de preservar la estanqueidad cuando la aleación de metal se funde. Como hemos visto, es imprescindible que el metal líquido no entre en contacto con otros componentes. La siguiente imagen procede de la patente de Sony que describe cómo es el diseño del recinto que confina la aleación de metal líquido.

El número 31 del esquema nos indica la ubicación de la aleación de metal, y el 33 la presencia de los elementos que se responsabilizan de sellar y mantener la estanqueidad del recinto cuando la consola se pone en marcha, el metal se calienta y alcanza su punto de fusión. Los componentes identificados con el número 16 son condensadores, y el elemento que tiene el número 15 es un material aislante que evita que estos condensadores entren en contacto con el metal en estado líquido. En el siguiente esquema he marcado en rojo el recinto por el que se distribuye la aleación metálica cuando alcanza su punto de fusión.

En esta patente Sony indica que su diseño garantiza la estanqueidad del recinto incluso cuando la consola se cambia de orientación o es sometida a vibraciones, y no cabe duda de que debe ser así porque PS5 puede ser colocada tanto vertical como horizontalmente. Además, un golpe accidental cuando la consola está en funcionamiento no debería provocar que el metal líquido entre en contacto con otros componentes de la máquina. Hasta aquí parece que en Sony lo tienen todo controlado.

Como he mencionado en los primeros párrafos de este artículo, el sistema de refrigeración que ha diseñado Sony para PS5 sobre el papel pinta bien. Además, el metal líquido apenas se degrada con los cambios de estado, por lo que su vida útil debería ser prolongada. Más incluso que la de la pasta térmica convencional. En cualquier caso, pondremos a prueba este sistema de refrigeración cuando esta consola caiga en nuestras manos.

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