Ohne Kühlkörper würden heutige Prozessoren entweder nur wenige Sekunden überleben oder aber aufgrund interner Schutzmechanismen den Betrieb sofort einstellen. Bis auf einige wenige Chips, die meist nur eine geringe Rechenleistung aufweisen, müssen alle CPUs heute zwangsgekühlt werden. Ein passiver Kühlkörper reicht schon lange nicht mehr aus. Selbst die Northbridge, schon lange mit einem Aluminiumkühlkörper versehen, wird auf den neuesten Boards zusätzlich mit einem kleinen Lüfter ausgerüstet.
Bei der Entwicklung neuer Kühlsysteme für Prozessoren stehen die Ingenieure vor mehreren Problemen:
1. Die Energiedichte eines Hochleistungsprozessors übertrifft die einer Herdplatte um ungefähr das Achtfache. Während einer Herdplatte pro Quadratzentimeter ungefähr 10 Watt zugeführt werden, sind es bei einer CPU etwa 80 Watt. Und diese Energie muss sehr schnell abgeführt werden, da sich eine CPU in Sekundenbruchteilen aufheizt.
2. Luft ist ein sehr schlechter Wärmeleiter. Um die Abwärme an die Umgebungsluft weitergeben zu können, sind große Flächen notwendig.
3. Der Kühlkörper darf nicht zu groß sein (schließlich muss er ja noch ins Gehäuse passen). Und außerdem darf er ein bestimmtes Gewicht nicht überschreiten.
4. Der Kühlkörper muss OEM-gerecht sein. Das heißt: Er soll sich ohne Spezialwerkzeug innerhalb weniger Sekunden montieren lassen.
Lösungswege
Für einen schnellen Abtransport der ersten Wärme kommt nur ein Material mit einem hohen Wärmeleitvermögen in Frage. Silber besitzt die höchste Wärmeleitfähigkeit, ist aber für diesen Einsatz zu teuer. Kupfer besitzt die zweithöchste Wärmeleitfähigkeit und ist zudem noch recht günstig. Einziger Nachteil: Kupfer ist relativ schwer.
Um Gewicht und Geld zu sparen, arbeiten die Entwickler deshalb mit zwei verschieden Materialien: Für den schnellen Wärmetransport von der CPU zum Kühlkörper wird eine Kupferscheibe eingesetzt, die die Wärme auf den leichten Aluminium-Kühlkörper überträgt. Große Kühlrippen, die zusätzlich von einem Lüfter angeblasen werden, sorgen für einen optimalen Wärmeaustausch mit der Umgebungsluft. Der Größe der Kühlrippen sind allerdings mechanische Grenzen gesetzt, da das gesamte System schließlich noch ins Gehäuse passen muss. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Befestigung des Kühlsystems am Motherboard. Festschrauben wäre ideal, kostet aber Zeit. Ein Systemintegrator will schließlich nicht eine halbe Stunde für die Befestigung des Kühlkörpers einkalkulieren. Deshalb sind die meisten Befestigungssysteme mit Klammern ausgeführt - ein Klack und der Kühlkörper sitzt bombenfest.
Hersteller gehen inzwischen verschiedene Wege, um die oben angegebenen Kriterien zu erfüllen. Beispielsweise setzt EKL auf konventionelle, allerdings computeroptimierte Technik. Ein massiver Kupferkern überträgt die Abwärme auf einen Aluminiumkörper, dessen Lamellen ein optimales Strömungsprofil für den Luftstrom bieten.
Der Kühlkörper von Aerocool verwendet als Übertragungsmedium einen mit Pulver gefüllten Kupferzylinder, der ähnlich wie eine Heatpipe arbeitet. Dieses System soll rund 6.000 Mal schneller die Wärme abführen als reines Kupfer. Der Lüfter ist wegen der Höhe der wärmeabstrahlenden Lamellen seitlich angebracht.
Global Win hingegen setzt ein Peltier-Element ein; bekannt aus den kleinen elektrischen Kühlboxen fürs Auto. Dieses Element wirkt wie eine elektrische Wärmepumpe. Die zusätzlich benötigte Leistung von etwa 15 Watt wird über ein Schaltnetzteil auf einer separaten Einsteckkarte zugeführt. Ein auf der Karte ebenfalls installierter Controller misst ständig die Temperatur (zirka 40 Mal in der Sekunde) und regelt dementsprechend die Kühlleistung des Peltier-Elements unddie Lüfterdrehzahl. Das PeltierElement bietet genügend Kühlleistung, um die CPU unter die Raumtemperatur abzukühlen. Das muss aber unter allen Umständen vermieden werden, da sich sonst Kondenswasser an den kühleren Teilen bilden würde.
Moderne Kühlkörper sind nicht gerade preiswert. Zwischen 30 und 100 Euro muss der Endverbraucher dafür auf den Tisch legen. Dafür bieten die meisten Kühlkörper auch etwas fürs Auge. Das beginnt bei einer Hochglanz-Lackierung und endet bei integrierten blinkenden LEDs. Eine Funktion erfüllen diese Zusatzbauteile natürlich nicht, sondern dienen rein der Optik.
www.coolermaster.de
www.pc-icebox.de
www.ekl-ag.de
ComputerPartner-Meinung
Die Grenze, wo CPU-Kühler ausreichen, die mit normaler Luftkühlung arbeiten, dürfte bald erreicht sein. Dann muss zwingend auf Wasserkühlung oder andere Verfahren umgestiegen werden. Man kann gespannt sein, wie lange es den Entwicklern noch gelingt, die ständig steigenden Verlustleistungen mit Luftkühlung zu ermöglichen. (jh)
Mehr Transistoren - höhere Verlustleistung
Ein wesentlicher Grund für die ständig steigende Verlustleistung moderner Hochleistungsprozessoren ist die immer größere Anzahl an Transistoren, die die Entwickler in die kleinen Chips integrieren. Ein Transistor stellt aber keinen idealen Schalter dar; selbst in ausgeschaltetem Zustand lässt dieser immer noch wenige Nanoampere (1 Nanoampere sind 10 hoch -12 Ampere) Strom durch. In einem Prozessor befinden sich heute bis zu 130 Millionen winziger Transistoren (zum Beispiel in Nvidias Geforce FX 5900). Und eine solche Menge kann schon einen recht hohen so genannten Leckstrom verursachen, der ohne weiteres ein paar Ampere betragen kann. (jh)