GPU自動冷却システム (AF System)

• 3DやPCVRの使用でGPUの温度が上がり過ぎて熱暴走するのでGPUコア自動冷却システムを開発しました。(ECCS、EjectCoreCoolingSystem)

• PCケースUSBファンのON,OFFを手動でやってましたが結構面倒です。常時ファンを回すと騒音が気になるので自動化しました。

必要となる技術は下記の4点です。

• １.PC側でGPU状況の取得
• ２.PC側管理画面作成とシリアルデータ送信
• ３.Arduino側のシリアル受信
• ４.ファンを稼働させるハードウェア

LM35温度センサによる測定からnvidia-smiでデータを取る方式に作り直し。

• nvidia-smiは上記リンクに詳しく載ってます。

• データの流れは GetGPUData() -> nvidia-smi -> 整形 -> ListBox

• GPU温度等を取得し閾値を超えると、Arduino基板にシリアルでフラグを送り、MOSFET ONにしてファンを回す。

• 閾値を切ると停止。閾値項目等は自由に変更可。

• nVidia以外の場合はLibreHardwareMonitorLib等を使用しGPU情報を取得するなど少し工夫する必要があります。

---

1.起動するとタスクトレイに常駐(TSR)します

• アイコン(この場合は音符)をダブルクリックするか右ボタン->設定でAF System管理画面が出ます。
• また管理画面が出てる状態でアイコンダブルクリックで非表示化。トグルです。

2.AF System (WPF) 管理画面

• 初期は自動モードになっています。

• 15秒毎にGPU情報を表示している様子。

• xを押すと画面は消えますがトレイに常駐・稼働してます。

• nvidia-smiは0,40,11,719,17.79 という形式で出力させてるので切り出して整形。0 は回転割合、40はGPU温度。

• [自動スクロール]...更新があると最終行に移動。履歴を見る時はオフにします。

• [自動ボタン]...45W以上又はGPU搭載ファンが30%以上で稼働させる自動モード。項目、閾値は自由に変更可。

• [強制稼働]...GPUの状況に関係なくファンを回す。強制停止はその反対。

• 自動モードで閾値以下の場合、[自動停止中]と表示。

3.高負荷時の例

• VR等行うと180W超えてGPU温度も上がっているのが分かる。
• 最大200W消費していた事を履歴で確認。

4.温度低下を示す表示

• 06:36:04はファンが停止中。15秒後には30%で回転を始めたので併せて外付けファンが起動。
• 2分後には23度温度降下。アイドル中なので下がりやすい。
• 60度以上が続くと内蔵ファンが起動する設定の模様。

5.リアルタイムモニタ

• 一行表示まで縮めるとリアルタイムモニタになる。
• ハード作成を省いて、GPU監視アプリとしても利用可。

6.AF System 回路図 / Arduino UnoR3(MPU ATmega328P)

• フラグ増やしてPWM制御にする事も可能

7.Arduino Uno R3 / C++ USB電源制御コード

//--------------------------
// Arduino AF System R1.00 
// inf102 2025.
//--------------------------

void setup() {
    Serial.begin( 9600 );
    pinMode(8, OUTPUT);
}

void loop() {
    char key;
    
    // digitalWrite(8, HIGH);
  
    // 受信データがあった時だけ処理を行う
    if ( Serial.available() ) { // 受信データがあるか？
        // digitalWrite(8, HIGH);
        key = Serial.read();     
        if (key=='1') digitalWrite(8, HIGH);
        if (key=='0') digitalWrite(8, LOW);
    }
}

8.試験運用

試作の段階ではブレッドボードを使用すると良い

9.ラグ版で組み立て(本番環境、アッセンブリ化用)

MosFETヒートシンクは適当なのがあったので取り付け。

10.自作基板とArduino基板を結合させてアッセンブリ化

• アッセンブリ化して装置に3つのコネクタを刺すだけで良い作りにした

11.制御装置をPCケースに設置

• ファンはUSB電源供給されると回る物にする。
• トグルスイッチ式等。そうでないと自動化されない。

12.WPF (制御画面)

• タスクトレイに常駐します。アイコンファイルは適当に用意して下さい。
• nvidia-smi.EXEのパス等も変えて下さい。ドライバが入っていれば何処かに入ってます。

/////////////////////////////////////////////
// AF System R1.00 EjectCoreCoolingSystem
// WPF .NETFRAMEWORK / inf102 2025.
////////////////////////////////////////////

using System;
using System.Diagnostics;
using System.Drawing;         // Icon用
using System.IO.Ports;
using System.Threading.Tasks;
using System.Windows;
using System.Windows.Controls;
using System.Windows.Forms;
using System.Windows.Media;   // NotifyIcon用

// 参照追加 System.Windows.Forms / System.Drawing
// 二重起動防止はApp.xaml.cs

namespace TSRTEST01 {

    public partial class MainWindow : Window {

        const int WAIT=15000; // 更新間隔 mmSec 1000以上

        static bool AUTO=true;
        static int ENA=3; // 0=強制停止 1=強制稼働 

        private NotifyIcon notifyIcon;

        public void m(string s) {
            System.Windows.MessageBox.Show(s);

        }

        public void L1(string s){
            if (listBox1.Items.Count >=5000 ) listBox1.Items.Clear();
            listBox1.Items.Add(s);       
        }

        // VS上では例外がでることある　その際は削除
        public void L2() {
            var border = VisualTreeHelper.GetChild(listBox1, 0) as Border;
            var listBoxScroll  = border.Child as ScrollViewer;
            listBoxScroll.ScrollToEnd();
        }

        public MainWindow() {

            InitializeComponent();
            SetupNotifyIcon();

            this.Hide(); // 起動時にwindow出したい時は消す

            L1("AFSystem R1.00.");
            L1("\r\nGPU情報.");

            // GPU初期表示
            string cmd= "c:\\tmp\\nvidia-smi.EXE \" --query-gpu=name,fan.speed,temperature.gpu,utilization.gpu,memory.used,power.draw --format=csv,nounits\"";
                          
            ProcessStartInfo psInfo = new ProcessStartInfo();
            psInfo.FileName = cmd;
            psInfo.CreateNoWindow = true;
            psInfo.UseShellExecute = false;
            psInfo.RedirectStandardOutput = true;

            Process p = Process.Start(psInfo);
            string output = p.StandardOutput.ReadToEnd();
            output = output.Replace("\r\r\n", "\n");
            L1(output);
            
            L1( (WAIT/1000).ToString() +"秒毎に更新されます.");
            L1("自動ﾓｰﾄﾞでは消費電力45W以上又はﾌｧﾝ回転率30%以上で稼働.");
        
            FAN_STOP();
            AutoMode();    
            STA.Content="自動モード";
            AUTO=true;

            // MAIN-LOOP
            ST();
        }
        
        // MAIN-LOOP 
        public async void ST() {
                                  
            while (true){
                             
                string outst="";
                
                // GPUデータの取得と分割
                string[] words=GetGPUData().Split(' ');

                // 消費電力
                double wat=float.Parse(words[7]);

                // 回転率
                int ter=int.Parse(words[0]);

                // 自動モード
                if (AUTO == true) {
                    ENA=3;

                    if (wat >= 45 || ter >=30) {
                        outst=DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss") + " 自動稼働";
              
                        STA.Content="自動稼働中";
                        FAN_START();
                    }
                    else {
                        outst=DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss") + " 自動停止";
                        STA.Content="自動停止中";
                        FAN_STOP();
                    }
                }
                
                // 強制稼働モード
                if (ENA == 1) {
                    AUTO=false;
                    outst=DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss") + " 強制稼働";
                    STA.Content="強制稼働中";
                    FAN_START();
                }
                
                // 強制停止モード
                if (ENA == 0) {
                    AUTO=false;
                    outst=DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss") + " 強制停止";
                    STA.Content="強制停止中";
                    FAN_STOP();
                }   

                L1 (outst + " : ﾌｧﾝ回転率 " +int.Parse(words[0]).ToString("00")  +"% : GPU "+words[2]+"度 : 使用率 "+
                    int.Parse(words[3]).ToString("00")+"% : 使用ﾒﾓﾘ "+ int.Parse(words[5]).ToString("0000")+"MB : 消費電力 "+ Math.Ceiling(decimal.Parse(words[7])).ToString()+"W");
                
                await Task.Delay(WAIT);
                
                // 強制スクロール
                if (AUTO_S.IsChecked == true ) L2();
            }
        }
            
        private void SetupNotifyIcon(){

            notifyIcon = new NotifyIcon();
            notifyIcon.Icon = new Icon("C:\\TMP\\ICON.ico");  // アイコンファイル
            notifyIcon.Visible = true;
            notifyIcon.Text = "AFSystem";

            // 右クリックメニューの作成
            var contextMenu = new ContextMenuStrip();

            // MENU1 (WINDOW OPEN) ////////////////////////////////////
            var menuItem = new ToolStripMenuItem("設定");
            menuItem.Click += (s, e) => {
                this.Show();
                this.WindowState = WindowState.Normal;
                this.Activate();
            };

            contextMenu.Items.Add(menuItem);
            //////////////////////////////////////////////////////////                 
            // MENU2 (EXIT) ///////////////////////////////////////////
            menuItem= new ToolStripMenuItem("終了");
            
            menuItem.Click += (s, e) => {
                notifyIcon.Visible = false;
                System.Windows.Application.Current.Shutdown();
            };
            contextMenu.Items.Add(menuItem);
            //////////////////////////////////////////////////////////     

            // メニュー追加
            notifyIcon.ContextMenuStrip = contextMenu;

            // ダブルクリックでウィンドウを表示
            notifyIcon.DoubleClick += (s, e) =>{

                // 非表示化
                if (this.IsVisible){
                    this.Hide();
                    return;
                }

                this.Show();
                this.WindowState = WindowState.Normal;
                this.Activate();
              
            };

            // 最小化時にウィンドウを隠す
            this.StateChanged += (s, e) =>{
                if (this.WindowState == WindowState.Minimized){
                    this.Hide();
                }
            };
        }

        protected override void OnClosed(EventArgs e)        {
            FAN_STOP();

            notifyIcon.Visible = false;
            notifyIcon.Dispose();

            base.OnClosed(e);
        }

        private void Window_Closing(object sender, System.ComponentModel.CancelEventArgs e) {
            this.Hide();
            e.Cancel = true;
        }

        // 自動ボタン
        private void Button_Click3(object sender, RoutedEventArgs e) {
            AutoMode();
            if (AUTO_S.IsChecked == true ) L2();
        }

        public void AutoMode(){
            AUTO=true;
            ENA=3;

            L1(DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss") + " -- 自動モード --");
            STA.Content="自動モード";       
        }

        // 強制稼働ボタン
        private void Button_Click(object sender, RoutedEventArgs e) {
            AUTO=false;
            ENA=1;

            L1(DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss") + " -- 強制稼働 --");
            STA.Content="強制稼働中";
            FAN_START();

            if (AUTO_S.IsChecked == true ) L2();
        }

        public void FAN_START() {
            try {
                System.IO.Ports.SerialPort serialPort = new SerialPort("COM3", 9600, Parity.None, 8, StopBits.One); // N81XN
                serialPort.NewLine = Environment.NewLine;
                serialPort.Open();

                byte[] SendData = new byte[10];
                SendData[0] = (byte)('1'); 

                serialPort.Write(SendData, 0, 1); 
                serialPort.Close();
                serialPort.Dispose();
            }
            catch(Exception ex) {
                m(ex.ToString());
            }
        }

        // FAN強制停止ボタン
        private void Button_Click2(object sender, RoutedEventArgs e) {
            AUTO=false;
            ENA=0;

            L1 (DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss") + " -- 強制停止 --");
            STA.Content="強制停止中";

            FAN_STOP();
            if (AUTO_S.IsChecked == true ) L2();

        }

        public void FAN_STOP() {
            try {
                System.IO.Ports.SerialPort serialPort = new SerialPort("COM3", 9600, Parity.None, 8, StopBits.One);
                serialPort.NewLine = Environment.NewLine;
                serialPort.Open();

                byte[] SendData = new byte[10];
                SendData[0] = (byte)('0'); 

                serialPort.Write(SendData, 0, 1); 
                serialPort.Close();
                serialPort.Dispose();   
            }
            catch(Exception ex) {
                m(ex.ToString());
            }
        }

        // GPU DATA 
        public string GetGPUData() {
            // command = "c:\\tmp\\nvidia-smi.EXE \" --query-gpu=name,fan.speed,temperature.gpu,utilization.gpu,memory.used,power.draw --format=csv,nounits\"";
            
            string cmd= "c:\\tmp\\nvidia-smi.EXE \" --query-gpu=,fan.speed,temperature.gpu,utilization.gpu,memory.used,power.draw --format=csv,noheader\"";
                        
            ProcessStartInfo psInfo = new ProcessStartInfo();

            psInfo.FileName = cmd;
            psInfo.CreateNoWindow = true;
            psInfo.UseShellExecute = false;
            psInfo.RedirectStandardOutput = true;

            Process p = Process.Start(psInfo);
            string output = p.StandardOutput.ReadToEnd();
            p.Close();
            p.Dispose();

            output = output.Replace("\r\r\n", "\n");
     
            return(output);
        }
    }
}

13.XAML (制御画面)

<Window x:Class="TSRTEST01.MainWindow"
        xmlns="http://schemas.microsoft.com/winfx/2006/xaml/presentation"
        xmlns:x="http://schemas.microsoft.com/winfx/2006/xaml"
        xmlns:d="http://schemas.microsoft.com/expression/blend/2008"
        xmlns:mc="http://schemas.openxmlformats.org/markup-compatibility/2006"
        xmlns:local="clr-namespace:TSRTEST01" mc:Ignorable="d"
        Title="AFSystem R1.00" Height="450" Width="920" Closing="Window_Closing">

    <Grid>
        <Grid Margin="0,0,0,0">
            <Grid.RowDefinitions>
                <RowDefinition/>
                <RowDefinition Height="36"/>
            </Grid.RowDefinitions>

            <ListBox x:Name="listBox1" Margin="2,2,2,2" Background="LightBlue" FontSize="20" Foreground="Black" />
            <Button Content="強制稼働(_R)" FontSize ="15" HorizontalAlignment="Left" Grid.Row="1" VerticalAlignment="Center" Width="90" Height="30" Click="Button_Click" Margin="104,0,0,0"  />
            <Button Content="強制停止(_S)" FontSize ="15" Grid.Row="1" VerticalAlignment="Center" Height="30" Click="Button_Click2" Margin="199,0,0,0" HorizontalAlignment="Left" Width="90"  />
            <Button Content="自動(_A)" FontSize ="15"  HorizontalAlignment="Left" Grid.Row="1" VerticalAlignment="Center" Width="90" Height="30"   Click="Button_Click3" Margin="9,0,0,0"/>
            <CheckBox Content="自動ｽｸﾛｰﾙ(_K)" x:Name="AUTO_S" IsChecked="True" FontSize="13" HorizontalAlignment="Left" Margin="315,0,0,0" Grid.Row="1" VerticalAlignment="Center"/>
            <Label Content="Label" x:Name="STA" Foreground="RED"  HorizontalAlignment="Left"  Margin="522,0,0,0" FontSize="25" VerticalAlignment="Bottom" Width="192" Grid.RowSpan="2"  />
        </Grid>
    </Grid>
</Window>

• 参考 部品諸元表示/試験機　MosFETの表示、ドレイン・ソース間オン抵抗値まで出てる。