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18.09.2006

PCs und der Hitzetod

Bernhard Haluschak ist als Redakteur bei der IDG Business Media GmbH tätig. Der Dipl. Ing. FH der Elektrotechnik / Informationsverarbeitung blickt auf langjährige Erfahrungen im Server-, Storage- und Netzwerk-Umfeld und im Bereich neuer Technologien zurück. Vor seiner Fachredakteurslaufbahn arbeitete er in Entwicklungslabors, in der Qualitätssicherung sowie als Laboringenieur in namhaften Unternehmen.
Meistens sind es sommerliche Temperaturen, die für Defekte bei Notebooks und Desktop-PCs sorgen. Brand, Datenverlust und Ärger mit der Versicherung drohen. Nur gut konstruierte und Instand gehaltene Geräte arbeiten immer im grünen Bereich, wie unsere Tests zeigen.

Von Bernhard Haluschak, tecChannel.de

Wer die Gefahren eines drohenden Hitzekollapses im PC kennt, kann entsprechende Vorsorgemaßnahmen treffen. Allerdings sind die Ursachen für zu "heiße Rechner" vielfältig. Sie reichen von einem falschen Aufstellungsort des Desktop-PCs oder Notebooks bis hin zu einer mangelhaften Kühlleistung der Systeme. Doch neben dem Praxiswissen sind auch Physikkenntnisse erforderlich, um die Gefahren einer thermischen Überbelastung besser einschätzen zu können.

Besonderes Augenmerk sollte man in einem Rechner auf die sogenannten Hotspots richten. Diese können sich bei hohen Umgebungstemperaturen als besonders bedrohliche Gefahrenquellen entpuppen. Das Potenzial reicht dabei von gelegentlichen Systemabstürzen bis hin zu einem Büro- oder Wohnungsbrand. Wie unser Praxistest aufdeckt, erreichen Festplatten in Notebooks schon bei einer Umgebungstemperatur von 30 Grad Celsius kritische Werte. Die eingebauten Festplatten erreichen beispielsweise Gehäusetemperaturen von mehr als 58 Grad Celsius. Die Festplattenhersteller garantieren eine sichere Funktion aber nur bis maximal 55 Grad Celsius.

Ursachen von Überhitzung

Gerade im Sommer, wenn die Temperaturen über 30 Grad Celsius klettern und keine Klimaanlage vorhanden ist, steigen die thermischen Belastungen auf die elektronischen Komponenten in einem Rechner extrem. Sind dann die Kühlmaßnahmen innerhalb des Gehäuses unzureichend, kommt es unweigerlich zum Hitzekollaps - das System stürzt ab, erleidet einen irreparablen Defekt oder verursacht im schlimmsten Fall einen Brand.

Hohe Umgebungstemperaturen können für einen PC auch durch eine nachteilige Standortwahl entstehen. Ein Standort neben einer Heizung oder neben einem Fenster mit direkter Sonneneinstrahlung ist zu vermeiden, genauso wie ein Aufstellungsort mit mangelhafter Luftzirkulation. In diesem Zusammenhang sind gerade Bürorechner, die oft im Dauerbetrieb laufen, besonders gefährdet, da die Klimaanlagen nachts im Allgemeinen abgeschaltet werden. Darüber hinaus sind solche Rechner für einen Dauereinsatz von 24 Stunden pro Tag nicht spezifiziert.

Die häufigsten Ursachen für Wärmeprobleme in Rechnern sind die mit Staub zugesetzten Kühlkörper, Lüftungsöffnungen oder Lüfterrotoren. Diese beeinträchtigen die Luftzirkulation negativ, sowohl in einem Notebook- als auch in einem Desktop-Gehäuse. Auch mangelhaft verlegte Flachbandkabel oder eine enge Montage von Laufwerken ohne ausreichende Luftdurchlässe können einen Hitzestau verursachen und die korrekte Funktionsweise der Komponenten stören.

Falsch dimensionierte Kühlmaßnahmen für leistungshungrige Komponenten wie CPUs, Grafikkarten oder Chipsätze erzeugen gefährliche Hotspots, die zur Zerstörung der Bauelemente führen können. Aber auch unterdimensionierte Netzteile können schnell durch hohe elektrische Ströme an ihre Leistungsgrenzen gelangen und bei einem Defekt durch ein überhitztes Bauteil die Funktionsfähigkeit des ganzen Systems bedrohen.

Die wichtigsten hitzegefährdeten PC-Komponenten

Hohe Temperaturen in einem Rechnersystem - sei es ein Notebook, Desktop-PC oder eine Workstation - wirken sich immer nachteilig auf die Lebensdauer der Komponenten innerhalb des Geräts aus. Nahezu alle Bauteile erreichen die maximale Lebensdauer bei einer normierten Umgebungstemperatur von 20 Grad Celsius. Jede Abweichung nach oben verkürzt die Funktionsdauer der Komponente.

Laut Angaben von Festplattenherstellern reduziert sich die Lebensdauer einer Festplatte bei einer Erhöhung der Umgebungstemperatur von 20 auf 40 Grad Celsius um den Faktor 2. Bei Lufttemperaturen von mehr als 60 Grad verringert sich die Lebenserwartung sogar um den Faktor 4.

Besonders Elektrolytkondensatoren sind durch hohe Temperaturen gefährdet. Diesen droht bei übermäßiger thermischer Belastung die Austrocknung, so dass unter Umständen die entsprechenden Baugruppen nicht mehr korrekt funktionieren. Die Hersteller spezifizieren die Elektrolytkondensatoren bis maximal 85 Grad Celsius. Allerdings können je nach Elektrolyteigenschaften und Temperaturbelastung die luftdicht gekapselten Kondensatoren durch Ausdehnung der chemischen Bestandteile ihre zugesagten elektrischen Eigenschaften mit der Zeit verlieren und dann sogar explodieren (Alterung).

Auch die integrierten Schaltkreise (IC) auf einem Mainboard können durch zu hohe Temperaturen zerstört werden. Diese ICs bestehen aus einem Plastikgehäuse mit einem Core auf Basis von Silizium. Diese Siliziumplättchen vertragen laut Chipherstellern wie Intel Temperaturen von maximal 150 Grad Celsius. Allerdings sollte die Temperatur, zum Beispiel bei Prozessoren (Core Duo, Core Solo), nicht die 100-Grad-Celsius-Marke übersteigen.

Testkandidaten und -bedingungen

Unser Testfeld besteht aus vier Probanden. Als Vertreter der Desktop-PCs gehen der "Esprimo E5615" von Fujitsu Siemens und der "Pavilion t3445" von Hewlett-Packard an den Start. Die Notebook-Fraktion setzt sich aus dem "Travelmate 4260" von Acer und dem "3000 N100" von Lenovo zusammen. An den Testgeräten führen wir Temperaturmessungen an den wichtigsten Komponenten wie CPU, Grafikkarte, Chipsatz, Speicher, Festplatte und Netzteil durch.

In unserem voll klimatisierten Labor haben wir repräsentativ vier Rechnersysteme ausgewählt, um den Einfluss von verschiedenen Umgebungstemperaturen auf das thermische Verhalten der Komponenten in den Geräten zu untersuchen.

Laut Arbeitsstättenverordnung gilt für Büroarbeit eine Raumtemperatur von 19 bis 23 Grad Celsius als optimal. Auch in der Gerätetechnik ist die Temperatur von 20 Grad Celsius für allgemeingültige messtechnische Untersuchungen als Normwert definiert.

Aus diesem Grund fangen wir unseren messtechnischen Exkurs beim Normwert von 20 Grad Celsius an. Wir messen die Temperatur ausgewählter Komponenten innerhalb des Rechners mit hochpräzisen Oberflächenthermosensoren des Typs "PR6452 AT/02" von Thermocoax mit dem Daten-Logger "34970A" von HP jeweils im Leerlauf (Idle-Modus) und unter Last. Um den "Worst Case" (Last) zu simulieren, lassen wir den Inhalt einer DVD auf die Festplatte kopieren und parallel den Benchmark 3D-Mark06 laufen. Beide Vorgänge erfolgen in einer Endlosschleife. Haben sich die Temperaturwerte eingependelt, wiederholen wir die Messungen bei Umgebungstemperaturen von 30 und 40 Grad Celsius.

Sowohl die Desktop-PCs als auch die Notebooks testen wir mit deaktivierten Stromsparoptionen. Die mobilen Geräte arbeiten im Netzbetrieb.

Normtemperatur 20 Grad Celsius

In der ersten Disziplin müssen unsere vier Probanden keine große Hürde nehmen. Bei der für Testzwecke in der Industrie normierten Umgebungstemperatur von 20 Grad Celsius haben wir die klimatischen Verhältnisse in den Geräten im Leerlauf und unter Last aufgezeichnet.

Bei dieser moderaten Umgebungstemperatur befinden sich die Komponenten der Testkandidaten auch unter Last auf normaler Betriebstemperatur. Gefährliche Hotspots sind noch nicht zu erkennen. Allerdings ist die Temperatur der Festplatte des Acer-Notebooks mit 44,3 beziehungsweise 46,6 Grad Celsius etwas erhöht.

Cool bleiben bei 30 Grad Celsius

Im zweiten Durchlauf erhöhen wir die Umgebungstemperatur auf tropische 30 Grad Celsius. Diese Temperatur ist im Sommer auch in europäischen Breitengraden nichts Ungewöhnliches und auch in klimatisierten Räumen durchaus keine Seltenheit. Unter diesen verschärften Bedingungen müssen die Testgeräte einen "kühlen Kopf" bewahren und ihr Kühlkonzept unter Beweis stellen.

Wie die Messergebnisse zeigen, setzen die Temperaturbedingungen den Testkandidaten ordentlich zu. Die Desktop-PCs haben noch keine Probleme, die Wärme aus dem Inneren der Gehäuse herauszubefördern. Dagegen erreicht die Festplatte des Travelmates von Acer mit 58,8 Grad Celsius unter Last schon einen kritischen Wert. Denn die eingebaute Festplatte MK1032 GSX hat der Festplattenhersteller Toshiba nur für Betriebstemperaturen von 5 bis 55 Grad Celsius spezifiziert. Auch die Travelstar 5K100 (HTS541080G9SA00) von Hitachi im Lenovo-Notebook ist für Betriebstemperaturen bis 55 Grad Celsius ausgelegt und weist ebenfalls erhöhte Werte auf. Mögliche Defekte an den Festplatten bei längerem Betrieb sind nicht auszuschließen.

Hitze extrem bei 40 Grad Celsius

Auch unter Extrembedingungen wie einer Umgebungstemperatur von 40 Grad Celsius müssen PCs und gerade Notebooks zuverlässig arbeiten. Diese ungewöhnlichen Bedingungen kennt jeder, der zum Beispiel ein unklimatisiertes Arbeitszimmer mit Südausrichtung hat und keinen Schutz vor direkter Sonneneinstrahlung besitzt. Besonders Notebooks müssen im Sommer extreme Temperaturen verkraften und unter diesen sogar arbeiten. Achtung: Bei einer Umgebungstemperatur von 40 Grad Celsius befinden sich die Systeme im absoluten Grenzbereich.

Alle Testkandidaten dürfen laut Hersteller in einem Temperaturfenster von 5 bis maximal 35 Grad Celsius betrieben werden. Für den Betrieb der Systeme über diesen Grenzwerten übernehmen die Hersteller keine Funktionsgarantie.

Wir haben die Probe aufs Exempel gemacht und die Rechner dem Härtefall ausgesetzt. Fazit: Alle Systeme liefen während unseres Tests fehlerfrei. Allerdings überschritten die Festplatten der Notebooks Acer und Lenovo mit 63,9 und 59,7 Grad Celsius deutlich ihren maximalen Betriebsgrenzwert von 55 Grad Celsius. Schäden an der Festplatte sind somit vorprogrammiert.

Die CPU-Hersteller wie AMD und Intel geben für ihre aktuellen Produkte (Core 2 Duo, Core Duo, Core Solo beziehungsweise Athlon, Turion) eine maximale Temperaturbelastung (Gehäuse) von 60 bis 70 Grad Celsius an. Die dazugehörigen Chipsätze halten im Betrieb Temperaturen von bis zu 105 Grad Celsius stand. Unsere Messungen zeigen, dass bei korrekter Kühlung hier keine Gefahr für einen Schaden ausgeht, zumal die CPUs über eine thermische Absicherung verfügen.

Überwachungsmöglich- keiten kritischer Hotspots

Um einen Überblick über die klimatischen Verhältnisse in einem Desktop-PC oder Notebook zu bekommen, sind entsprechende "Monitoring-Tools" sehr hilfreich. Je nach Hersteller sind diese im Lieferumfang enthalten. Sind keine solchen Utilities verfügbar, kann man auf Tools zurückgreifen. Dazu gehört zum Beispiel der "Speed Fan" von Alfredo Milani Comparetti in der aktuellen Version 4.29. Dieses 1,4 MB große Programm informiert über die vom System gelieferten Parameter wie Temperaturen und Lüfterdrehzahlen sowie weitere Hardware-Informationen.

Ein weiteres nützliches Utility ist der "HDD Thermometer" von RSD Software in der Version 1.3. Dieses Tool beschränkt sich auf die Temperaturanzeige von Festplatten über die standardisierte Smart-Funktion der Festplatten.

Im Server-Bereich bieten nahezu alle Hersteller solcher Systeme die Möglichkeit, per Remote auf das System zuzugreifen und die Informationen abzurufen. Dies geschieht entweder über einen installierten so genannten Agenten oder über einen Remote-Management-Controller. Letzterer sammelt "lokal" alle wichtigen Parameter und kann diese auch bei ausgeschaltetem System dem Nutzer zur Fehleranalyse zur Verfügung stellen.

Auch im Desktop-Business-Bereich hat Intel jüngst mit IAMT und der vPro-Plattform ein Managementkonzept vorgestellt, das es ermöglicht, Office-PCs über eine zentrale Konsole zu überwachen und zu verwalten. Dies bezieht auch das Temperatur- und Lüfter-Monitoring mit ein. Bei diesen Business-Systemen erhält der Administrator bei kritischen Situationen wie Lüfterausfall und Überschreitung eines Temperaturlimits eine Warnmeldung auf der Kontrollkonsole. Auch eine E-Mail- oder eine SMS-Zustellung, die das Kontrollsystem auslöst, ist möglich.

Unsere Messungen ergeben, dass die angezeigten Lüfter- und Temperaturwerte mit unseren Messergebnissen korrelieren. Somit lassen sich die internen Sensoren mittels geeigneter Software nutzen, um die Temperatur von CPU, HDD, Grafikkarte und Mainboard sinnvoll zu überwachen. Die Lüfter lassen sich auf diese Weise ebenfalls kontrollieren und gegebenenfalls auch regeln.

Ob im Idle-Modus oder unter Volllast, kein Rechner benötigt alle Ressourcen gleichzeitig. Um hier im Vorfeld Energie zu sparen und somit unnötige Wärmeerzeugung zu vermeiden, sollten alle Energiesparoptionen des Systems genutzt werden. Bei den AMD- und Intel-CPUs stehen dem Anwender die Stromsparoptionen "Power Now" beziehungsweise "Speed Step" zur Verfügung. Auch aktuelle Grafikkarten bieten entsprechende Optionen zur Leistungsreduzierung, wie Verminderung der Taktrate bei geringer 3D-Last, an. Speziell Notebooks stellen für alle Arbeitsbedingungen besondere Energiesparprofile zur Verfügung, um die begrenzte Energie optimal zu nutzen und somit auch unnötige Wärme zu vermeiden.

Neben der Aktivierung von Stromsparoptionen kann auch das Deaktivieren von überflüssigen Komponenten in einem Desktop-Rechner oder einem Notebook für erträgliche Klimaverhältnisse sorgen. Hierzu zählen zum Beispiel WLAN- und LAN-Karten, USB-Geräte oder Onboard-IDE/SATA- beziehungsweise Bluetooth-Erweiterungen.

Besonders wichtig für eine geringe Temperaturentwicklung in einem Rechner ist eine ungehinderte Luftzufuhr und -abfuhr. Um diese zu ermöglichen, sollte der Rechner entsprechend große Lüftungsöffnungen aufweisen. Luftfilter sind zu entfernen - sie schaden durch verstopfte Poren mehr, als dass sie nutzen.

Besondere Aufmerksamkeit sollte der Kabelführung im Inneren des Rechnergehäuses gewidmet werden. Luftstaus und somit Wärmestaus durch Flachbandkabel kann man durch entsprechende Rundkabel vermeiden. Auch eine geschickte Positionierung von Komponenten wie Steckkarten und Laufwerken trägt entscheidend dazu bei, Wärmestaus zu vermeiden. Je mehr "Freiraum" zwischen den einzelnen Geräten vorhanden ist, desto besser kann die Luft dazwischen zirkulieren.

Um Hotspots in einem Rechnersystem zu vermeiden, setzen die Hersteller mehr oder weniger geeignete Kühlkörper ein. Als Material kommen überwiegend Stahlbleche, Aluminium oder Kupfer zum Einsatz. Entscheidend für eine optimale Kühlleistung eines Kühlkörpers ist eine gute Wärmeleitfähigkeit. Die beste Wärmeübertragung bei Kühlkörpern bietet Kupfer, gefolgt von Aluminium und Stahl. Zusätzlich erhöht eine große Oberfläche die Wärmeabgabe an die Umgebungsluft. Für technisch weniger Versierte bietet der Fachhandel Kühlkörper mit einem wärmeleitenden Klebepad.

Wichtig für ein ausgewogenes Klima in einem Rechner sind leistungsfähige Lüfter. Sie sorgen für eine schnelle Wärmeabfuhr aus dem Gerät. Deshalb sollten diese samt Kühlkörper von Zeit zu Zeit von Staub befreit werden. Zeigt der Lüfter Alterungsmerkmale, wie mangelnde Leichtgängigkeit oder hohe Geräuschentwicklung, ist ein Wechsel des Lüfters unumgänglich.

Mit optionalen Zusatzlüftern, zum Beispiel als Gehäuselüfter in einem Desktop-PC, lassen sich die Temperaturverhältnisse weiter entspannen. Auch Lüfter für Festplatten sind empfehlenswert, sie können durch die zusätzliche Kühlmaßnahme die Lebensdauer der Festplatte deutlich verlängern. Allerdings sollte der erhöhte Geräuschpegel durch die Zusatzlüfter berücksichtigt werden oder es sollten entsprechend große Lüfter mit geringer Drehzahl zum Einsatz kommen.

Schwachstelle: Wärmeleitpaste

Um eine bessere Wärmebrücke als Luft zwischen Chipfläche und Kühlkörper zu verwenden, benutzen die Hersteller Wärmeleitpasten. Diese sind zwar keine Allheilmittel und kommen auch nicht an die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer oder Aluminiumkühlkörpern heran, sie vermindern allerdings das Übel eines hohen Wärmewiderstands. Die herkömmlichen Wärmeleitpasten bestehen hauptsächlich aus Silikonbestandteilen mit Beimischungen von Aluminium.

Die neuen Generationen von Wärmeleitpasten bestehen zu 100 Prozent aus einer flüssigen ungiftigen Metalllegierung und enthalten keine nicht metallischen Zusätze oder feste Bestandteile wie Silikone oder Metalloxide. Die "Flüssigmetall"-Wärmeleitmittel verbessern im Vergleich zu den Vorgängern die Wärmeleitfähigkeit entscheidend (Faktor 5 bis 10).

Die Wärmeleitpasten unterliegen durch die extrem hohe "Stressbelastung" einem natürlichen Alterungsprozess mit Folgen wie Aushärtung, Verlust der Viskosität oder Auskristallisierung. Deshalb sollte die Wärmeleitpaste von Zeit zu Zeit überprüft und gegebenenfalls erneuert werden. Auch ein schleichender Temperaturanstieg bei Komponenten mit einem Kühlkörper ist ein Indiz für eine altersschwache Wärmeleitpaste.

Rechner abgebrannt: Wer zahlt?

In den Zeitungen sind regelmäßig Meldungen über Schadensberichte veröffentlicht, die auf überhitzte oder defekte Desktop-Rechner oder Notebooks zurückzuführen sind. Genauere Statistiken über die Ursachen von Bränden, die von Computern verursacht werden, stellen weder die Versicherungsgesellschaften noch die Hersteller zur Verfügung.

Wir haben einige namhafte Versicherungsgesellschaften gefragt, wie diese einen Brandschaden, den ein Computer verursacht hat, regulieren. Folgende Fragen wurden gestellt: Werden die Schäden am PC und die verursachten äußeren Schäden von der Versicherung übernommen? In welchem Umfang? Gibt es Ausnahmen, bei denen die Versicherung nicht zahlt?

Die Antworten des Gerling-Konzerns, der Hamburg-Mannheimer-Versicherung und der LVM-Versicherungen bergen einige Überraschungen, die man bei einem Vertragsabschluss, sei es im gewerblichen oder privaten Umfeld, berücksichtigen sollte.

Fazit

Die Gefahren hoher Temperatureinwirkung auf Notebooks oder Desktop-PCs durch Sonneneinstrahlung, Heizungen oder sommerliche Wärme dürfen nicht unterschätzt werden. Denn gerade diese extremen Verhältnisse belasten - wie unser Praxistest zeigt - die elektronischen Bauteile enorm und können den Rechner zerstören oder sogar einen Brand verursachen. Wie oft dies wirklich passiert, ist nicht bekannt, da die Unternehmen und Versicherungen entsprechende Statistiken unter Verschluss halten.

Gerade die Komponenten in einem Notebook mit unzureichender Kühlung wie zum Beispiel die Festplatte, erreichen schon bei einer Umgebungstemperatur von 30 Grad Celsius einen kritischen Wert. Dieser Wert liegt mit nahezu 60 Grad deutlich über den spezifizierten Betriebsbedingungen von 55 Grad Celsius des Festplattenherstellers und kann zum Ausfall des Geräts führen. Bei gut konstruierten Geräten sind solche extremen Bedingungen nahezu ausgeschlossen - wie unser Test zeigt.

Der gefährlichste Stauwärmeerzeuger in Notebooks und Desktop-PCs ist Staub, dieser sollte von Zeit zu Zeit aus den Gehäusen und vor allen Dingen von den Kühlkörpern entfernt werden. Auch der Zustand der Wärmeleitpaste und der Sitz der Kühlkörper bedürfen regelmäßig einer Kontrolle. Darüber hinaus verbessert eine geschickte Anordnung von Komponenten inklusive Verkabelung die Luftzirkulation im Gehäuse und vermeidet bedrohliche Hotspots. Wer jederzeit die klimatischen Verhältnisse unter Kontrolle haben will, sollte auf nützliche Monitoring-Tools zurückgreifen.

Die Frage nach Versicherungsschutz im Falle eines Brandes gestaltet sich als schwierig, da die Versicherungsgesellschaften unterschiedliche AGBs für den Schadensfall zu Grunde legen - hier lohnt ein Vergleich. Im Allgemeinen bezahlt die Versicherung - außer bei grober Fahrlässigkeit - im Heimbereich und gewerblichen Umfeld den entstandenen Schaden, den Schaden an der verantwortlichen Komponente nicht.

Dieser Beitrag stammt von tecChannel.de, dem Webzine für technikorientierte Computer- und Kommunikationsprofis. Unter www.tecChannel.de finden Sie weitere Beiträge zu diesem Thema.