casecenter.net

Ursprung der Abwärme eines Prozessors, sozusagen die Quelle allen Übels heutzutage, ist freiwerdende Energie bei der Bewegung von geladenen Teilchen durch den Chip und dessen Leiterbahnen und Transistorkanäle. Im gewissen Sinne haben wir es mit einer ungewollten Nebenerscheinung zu tun, ähnlich der Reibungswärme im Alltag.

Die Abbildung zeigt ein abstraktes Bild eines Prozessors, wie er auf der Leiterplatte/PCB/Sockel aufgebracht ist. Heutige Chips werden als Flip-Chip kopfüber befestigt, wodurch die aufgetragenen Metallschichten vom Kühler weg zeigen und die Leiterbahnen des Prozessors direkt mit den Kontakten des Trägers in Verbindung gebracht werden. Die Verlustwärme der Leiterbahnen und Kontaktierungen „tiefer“ im Chip muss allerdings den Weg durch das darüber liegende Siliziumsubstrat nehmen, das wir als eigentliche Chipoberfläche wahrnehmen. Im zweiten Schritt muss nun diese Wärme schnellstmöglich abgeführt werden, um ein Überhitzen der inneren Strukturen zu vermeiden, die kontinuierlich weitere Wärme erzeugen. Von entscheidender Bedeutung ist hier die Kontaktqualität zwischen Chip- und Kühleroberfläche. Anpresskraft, Material und Ebenheit der Oberflächen bestimmen den Grad der Wärmeübertragung. Wärmeleitpasten und -Pads überbrücken Unebenheiten und Lufteinschlüsse, sind aber immer schlechter zu bewerten als der eigentliche Metall-zu-Metall-Übergang. Vom Kühlkörper aufgenommen muss die Wärme an die Umgebung abgegeben werden, um einen Wärmestau in der Kühlkette zu verhindern. Am Ende wird dies eigentlich immer über Luftkonvektion erreicht, sei es erzwungen oder durch Eigenbewegung ohne Lüfter. Wie genau die einzelnen Schritte nun ablaufen, da hat jeder Hersteller so seine Eigenheiten und Ansätze.

Wichtige Erkenntnisse sind immer: Je effektiver die Wärme abgeführt werden kann, desto geringer der Wärmeanteil im Chip und somit dessen Eigentemperatur. Diese hat direkte Auswirkungen auf das elektrische Verhalten des Chips. Jedes Grad weniger verbessert die Signal- und Schalteigenschaften, weswegen bessere Kühllösungen oftmals höhere Übertaktungsergebnisse erzielen, schlechte Lösungen dagegen Instabilität erzeugen. Ab einem gewissen Punkt entsteht jedoch zwangsläufig ein Engpass in der Kühlkette und die Temperatur pendelt sich ein – ist dieser Engpass im Chip zu finden, hilft auch die beste Kühlung nichts mehr und besser wird’s einfach nicht – von exotischer Kühlung wie unterkühltem Stickstoff einmal abgesehen. Niedrigere Temperaturen wirken sich zudem positiv auf die Lebensdauer des Prozessors aus, gerade heute wo GPUs im Bereich um 80-90°C arbeiten. Allerdings sind wir in Verbrauchsregionen angelangt, in denen nicht länger nur der eigentliche Prozessor zum kritischen Faktor wird. Speicherchips und vor allem die Spannungswandler haben längst Temperaturen erreicht, die nicht mehr vernachlässigt werden können. Ein großer Teil der Ausfälle von Grafikkarten sind daher nicht auf Defekte des Grafikchips, sondern umliegender Komponenten und mechanische Ausfälle (Lötstellen) durch Wärmeausdehnung zurückzuführen. Jedes Kühlsystem für Grafikkarten muss daher neben der GPU auch Speicher und die Spannungsversorgung bedienen. Gerade letztere leistet Schwerstarbeit.