Prozessor-Kühlung

Bis zum 486er (von Intel) war die Kühlung eines Prozessors nie ein Thema gewesen. Die Prozessoren wurden allerhöchstens handwarm. Die umgebende Luft innerhalb des Computer-Gehäuses reichte zur Kühlung vollständig aus. Seitdem die Prozessoren die Taktfrequenz von 66 MHz überschritten haben, ist zumindest eine passive Kühlung durch einen Kühlkörper notwendig. Bei deutlich höheren Taktfrequenzen kann ein Prozessor nur noch mit einem aktiven Kühler betrieben werden.

Gründe für die Hitzeprobleme

Dazu vorab eine kurze Erläuterung für Nicht-Elektroniker: Die elektrische Leistung ist ein Produkt aus Spannung und Strom. Steigt Spannung oder Strom, dann steigt die Leistung um ein Vielfaches an. Leistung wird häufig in Wärme umgesetzt. Wärme ist ein Problem, insbesondere, wenn zuviel davon vorhanden ist. Elektronische Bauelemente, insbesondere Prozessoren vertragen davon nicht sehr viel. Zuviel, bedeutet Zerstörung.

Prozessoren bestehen aus sehr vielen Transistoren. Betrachtet man einen einzelnen Transistor, dann funktioniert er wie ein Schalter. Er ist entweder ein- oder ausgeschaltet. Dadurch wird das digitale Bit 0 oder 1 dargestellt.
Bei beiden Zuständen beträgt die Leistung Null Watt. Der Transistor gibt also weder im ein- noch im ausgeschalteten Zustand Wärme ab. Dieser Effekt ist einer der wichtigsten Merkmale für den Erfolg der Digitaltechnik.

Nun besteht ein Prozessor aus vielen Millionen Transistoren. Da ergibt sich die berechtigte Frage, warum ein Prozessor dennoch so heiß wird? Dafür gibt es drei Gründe:

• Häufige Leistungsumverteilung beim Schaltvorgang durch hohe Taktrate.
• Anstieg des Leckstroms durch Strukturverkleinerung.
• Teile eines Prozessors haben nichts zu tun, aber verbrauchen Strom.

Zum einen wirkt der Transistor beim Umschalten von 0 auf 1 und von 1 auf 0 wie ein Kondensator. Das bedeutet, der Transistor wird beim Umschalten "aufgeladen" oder "entladen". Das dauert eine gewisse Zeit. In dieser Zeit beträgt weder der Strom noch die Spannung Null. Und deshalb entsteht im Umschaltzeitraum eine elektrische Leistung, die direkt in Wärme umgewandelt wird. Je häufiger umgeschaltet wird, desto mehr Leistung und desto mehr Wärme entsteht. So ist ein Umschalten im Megahertz-Bereich noch nahezu problemlos. Doch bereits im Gigahertz-Bereich steigt der Stromverbrauch stark an. Die Folge: Die Hitze wird so groß, dass man erhebliche Maßnahmen zur Kühlung des Prozessors einführen muss. Ein Problem darin besteht, dass der Kühlaufwand bei doppelt so viel Watt nicht doppelt so groß, sondern um ein mehrfaches so groß ist.
Der zweite Grund wurde durch die steigende Anzahl der Transistoren und der damit folgenden Verkleinerung der Strukturen hervorgerufen. Die kleine Struktur führt dazu, dass die Isolationsschichten im Transistor zu dünn sind. Der Transistor ist im Aus-Zustand nicht mehr vollkommen abgeschaltet. Das hat einen Leckstrom zur Folge. Der Leckstrom nimmt mit jeder weiteren Strukturverkleinerung unverhältnismäßig zu. Man kann ihn durch verringern der Taktrate nicht begrenzen. Er fließt immer. Er lässt sich nur durch besondere Maßnahmen bei der Herstellung und der Verwendung von anderen Materialien begrenzen.
Der dritte Grund ergibt sich durch die steigende Vielfalt an Funktionseinheiten, die parallel oder unabhängig voneinander arbeiten. Im Prozessor schalten alle Funktionseinheiten im Rhythmus des Prozessortakts. Dabei verbrauchen auch die Teile des Prozessors Energie, die eigentlich nichts zu tun haben.

Kühlmaßnahmen

Es gibt verschiedene Maßnahmen, um einen Prozessor zu kühlen. Die eine Maßnahme, rein passiv wird bei fast allen Halbleitern einsetzt. Zum Beispiel bei einem Transistor oder einem Spannungsregler, die eine hohe Verlustleistung abführen müssen und deren Gehäuse dafür nicht ausreicht. Mit einem Kühlkörper erweitert man das Gehäuse um eine wärmeableitende Komponente.
Bei der aktiven Kühlung wird zusätzlich zum Kühlkörper ein Lüfter angebracht, der dafür sorgt, dass der erwärmte Kühlkörper schneller abkühlt. Aktive Kühlung hat den Nachteil, dass sie zusätzlich Platz und Strom braucht.

Kühlung	Maßnahme
passiv	Kühlkörper mit Kühlrippen und schwarz lackiert
aktiv	wie oben, jedoch mit zusätzlich montiertem Lüfter

Thermodynamik: Grundlagen der Wärmeleitung

Der Transport thermischer Energie (Wärme oder Kälte) findet nur dann statt, wenn ein Temperaturunterschied zwischen den Elementen oder Materialien vorliegt. Je größer der Temperaturunterschied, desto kräftiger strömt die Wärme-Energie.
Die Wärmeleitung eines Elements wird in Watt pro Meter und pro Kelvin angegeben. Die nachfolgende Tabelle zeigt die Kühlleistung der zur Kühlung eingesetzten Elemente. Grundsätzlich gilt: Je kälter sich ein Material bei Zimmertemperatur anfühlt, um so besser leitet es die Wärme ab.

Element	Wärmeableitung in Watt pro Meter und pro Kelvin	vergleichbar
Luft	0,003 W/mK	Wärmeisolator
Wasser	0,6 W/mK	Wärmeisolator
Stahl	20 bis 30 W/mK	Wärmeleiter
Silizium	160 W/mK	Wärmeleiter
Aluminium (rein)	221 W/mK	Wärmeleiter
Kupfer	393 W/mK	Wärmeleiter
Silber	410 W/mK	Wärmeleiter
Gold	310 W/mK	Wärmeleiter

Prozessor-Kühler

Bei aktuellen Prozessoren sitzt das CPU-Die auf einer Trägerplatine. Man bezeichnet diese Platine als Chip-Carrier. Die gesamte Abwärme des Prozessors entsteht auf der winzigen Die-Fläche. Weil die Hitze sich dermaßen auf eine winzige Stelle konzentriert, ist es für die CPU-Entwickler das schwierigste Problem kommende Prozessoren so zu bauen, dass sie sicher kühlbar sind.
Über dem Die liegt ein Hitze-Verteilblech, Head-Spreader genannt. Der Heat-Spreader verteilt die Abwärme und verhindert die gefährlichen Hotspots auf dem Die, die zu Abstürzen und im Extremfall zur Zerstörung des Prozessors führen können. Außerdem verhindert der Heat-Spreader die Beschädigung des empfindlichen Silizium-Dies bei der Kühlermontage. Auf dem Head-Spreader sitzt der Kühlkörper des Kühlers. Dazwischen befindet sich ein Wärmeleitpad oder eine Wärmeleitpaste.

Die Wärmeableitung wird durch die Übergangswiderstände zwischen Die und Head-Spreader und zwischen Head-Spreader und Kühler-Bodenplatte gebremst. Damit die Wärmeenergie des Prozessors über die relativ kleine Fläche des Die oder Heat-Spreaders abgeführt werden kann, muss das Material des Kühlkörpers ein guter Wärmeleiter sein. In der Regel besteht der Kühlkörper aus Aluminium oder Kupfer. Der Kühlkörper sorgt dafür, dass die Abwärme des Prozessors an die Luft im PC-Gehäuse abgeleitet wird. Damit das gelingt, muss nach dem Gesetz der Thermodynamik der Prozessorchip wärmer sein als das Metall des Kühlers. Und der muss wiederum wärmer sein, als die Umgebungsluft. Das bedeutet, es muss ein regelmäßiger Luftaustausch innerhalb des Gehäuses stattfinden, sonst ist die Wärmeableitung vom Prozessor zur Umgebungsluft nicht stark genug. Leider ist die Luft ein schlechter Wärmeleiter. Nur sehr langsam erfolgt der Übergang der thermischen Energie von der glatten metallischen Oberfläche des Kühlers auf die Luftmoleküle. Deshalb sind große Luftmengen und Metallflächen notwendig.

Dem Kühlerwachstum stehen jedoch räumliche Grenzen im Weg. Aus diesem Grund wird der thermische Energieaustausch durch einen Lüfter, der auf dem Kühlkörper montiert ist, beschleunigt. Der Kühlkörper wird zusammen mit dem Lüfter als Kühler bezeichnet. Obwohl die Luft sich nur bedingt zur Kühlung eines Prozessors eignet, wird der Lüfter zur sekundären Prozessorkühlung eingesetzt. Das gelingt nur deshalb, wenn die Luft möglichst häufig ausgetauscht (durch Bewegung) wird. Hier reicht ein einfacher Lüfter, der dafür sorgt, dass immer genug kühle Luft zwischen und um den Kühlkörper strömt, manchmal nicht aus. Die besten Ergebnisse erzielt man dadurch, dass man die Lüfterdrehzahl in direkter Abhängigkeit von der Prozessortemperatur einstellt. Dazu muss die Regelungselektronik Zugriff auf ein präzises Temperatursignal haben. Diese Werte kommen üblicherweise von der thermischen Diode im Prozessor. Zusätzlich werden Computer-Gehäuse mit Lüftern ausgestattet, die warme Luft aus dem Gehäuse transportieren.

Kühlkörper

Handelsübliche Kühlkörper bestehen aus Aluminium mit Rippen, die die Abstrahloberfläche vergrößern. Zusammen mit einem Lüfter ist das Prinzip der Prozessor-Kühlung erreicht. Um die Effizienz der Kühler zu verbessern, wurde eine Kupfer-Alu-Mischbauform entwickelt, die aus einer Kupferbodenplatte, zur schnellen Wärmeverteilung, und leichten Aluminium-Lamellen besteht. Um die Effektivität noch zu steigern, leitet man mit Wärmeleitrohren (Heatpipes) einen Teil der Hitze aus der Bodenplatte in die kälteren Lamellen.

Temperaturverteilung

Temperaturverteilung bei schlecht wärmeleitender Bodenplatte	Temperaturverteilung bei gut wärmeleitender Bodenplatte	Temperaturverteilung bei Heatpipe

Beispiele: Prozessor-Kühler

Wärmeleitpad und Wärmeleitpaste

In der Anfangszeit der Prozessor-Kühlung wurde der Prozessorkühler direkt auf das Die montiert. Die Unebenheiten, wenn auch nicht sichtbar, zwischen den sich berührenden Flächen, sorgte für eine schlechte Wärmeverteilung. Deshalb wurde zwischen Die und Kühlkörper eine Wärmeleitpaste oder ein Wärmeleitpad aufgebracht. Bei unvorsichtiger Installation wurde dabei das Die beschädigt und somit der Prozessor zerstört. Um das zu vermeiden haben die Prozessor-Hersteller irgendwann ein fest installiertes Wärmeverteilblech (Integrated Heat Spreader, IHS) über dem Die angebracht. Auch hier ist das Aufbringen einer Wärmeleitpaste oder eines Wärmeleitpads notwendig. Wärmeleitpads gilt zu beachten, dass sie grundsätzlich nur einmal verwendet werden dürfen.
Es gibt verschiedene Wärmeleitpasten mit Silikon oder Silberanteilen. Von Wärmeleitpasten mit Aluminium sollte man die Finger lassen, da sie den elektrischen Strom leiten können.
Beim Auftragen der Wärmeleitpaste sollte man sparsam sein. Die Paste darf nur dünn aufgetragen werden. Sie soll ja nur die nicht sichtbaren Unebenheiten ausgleichen.

Tipps bei der Kühler-Auswahl

• Viele Lüfter werden nur bis zu einer bestimmten Taktrate und TDP (Thermal Design Power) zugelassen (vom Hersteller empfohlen).
• Wärmeleitpaste ist i. d. R. besser als jedes Wärmeleitpad.
• Besonders leistungsfähige Lüfter sind auch besonders laut.
• Papstlüfter gelten als besonders leise. Die Wärmeableitung ist jedoch geringer.

Tipps zur Kühler-Installation

1. Die Montage des Kühlkörpers sollte bei ausgebauten Motherboard vorgenommen werden.
2. Prozessor-Oberseite und Kühlkörperunterseite sind mit einem weichen Tuch vorsichtig zu säubern.
3. Die unregelmässige Fläche des Die und die der Kühlkörperunterseite muss durch Wärmeleitpaste oder ein Wärmeleitpad ausgeglichen werden. Beides wird auf das Die oder den Head-Spreader aufgebracht.
4. Die Menge der Wärmeleitpaste sollte so gering wie möglich ausfallen, da der Wärmeleitwert sowieso nur zwischen 1 und 8 W/mK liegt. Verfügt der Prozessor über einen Heat-Spreader, dann reicht ein erbsengroßer Klecks der Wärmeleitpaste aus. Bringt man den Kühler direkt auf dem Die auf, dann sollte es nur ein Bruchteil davon sein. Eine zu dick aufgetragene Paste führt dazu, dass sich Blasen bilden. Und Luft ist bekanntlich ein schlechter Wärmeleiter.
5. Damit sich die Wärmeleitpaste blasenfrei verteilt, reicht der Anpressdruck des Kühlkörpers vollkommen aus. Das zusätzliche Verteilen der Leitpaste ist nicht notwendig.
6. Ohne Heat-Spreader müssen PC-Selbstbauer den Kühler mit aller Vorsicht aufsetzen. Die Ecken der Prozessoroberfläche sind schnell beschädigt und ein Totalausfall der CPU ist somit vorprogrammiert.
7. Der Kühler ist erst auf der einen, dann auf der anderen Seite einzuhaken. Die Halteklammern müssen dann eingerastet sein. Beim Aufsetzen des Kühlkörpers auf die Prozessoroberfläche ist unbedingt darauf zu achten, dass der Kühlkörper beim Einsetzen der Halteklammern nicht verkantet wird. Ein guter Halt muss gewährleistet sein, damit der Kühlkörper wärend des Betriebs oder dem Transport nicht verrutscht und den Prozessor oder das Motherboard zerstört.

Wasserkühlung

Wasserkühlung ist ein immer wieder aufkommender Versuch einen hochleistungsfähigen Computer effektiv zu kühlen. Dummerweise ist Wasser genauso wie Luft wenig geeignet um zu kühlen. Sowohl Wasser, als auch Luft sind Wärmeisolatoren. Sie leiten Temperatur nur sehr schlecht. Die einzige Kühlung entsteht durch die ständige Bewegung von Wasser und Luft. Wie die Luft, muss auch das Wasser zur Kühlung bewegt werden. In einem geschlossenen Wasserkreislauf verlaufen Schläuche im ganzen Computersystem. Über eine Pumpe, die wegen ihrer Größe außerhalb des Computer-Gehäuses angebracht ist, wird das Wasser ständig in Bewegung gehalten.
Wasserkühlung ist eine der aufwändigsten Maßnahmen, um einen Computer zu kühlen. Die Installation ist nicht ganz einfach und birgt immer die Gefahr, dass Wasser ausläuft und den Computer schädigt. Zwar wird destilliertes Wasser verwendet, das keinen Strom leiten kann, doch ist erst mal Wasser ausgetreten und vermischt sich mit geringen Mengen Staub oder Dreck, dann wird auch das leitend.
Wassergekühlte Systeme waren lange Zeit eine nette Spielerei für PC-Bastler. Im Handel gab es aber nur sehr selten fertig aufgebaute Systeme. Die Garantie für ein solches System wollte kein Händler übernehmen. Deshalb gibt es Wasserkühlungssysteme nur zum Nachrüsten. Dabei ist der Bastler für die Nachrüstung und die dadurch entstehenden Schäden selber verantwortlich.

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