Prozessorkühler

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Komponenten eines Kühlers mit Montagematerial für unterschiedliche Prozessorsockeltypen

Als Prozessorkühler werden Kühlkörper bezeichnet, die auf die speziellen Anforderungen bei der Kühlung von Mikroprozessoren ausgelegt sind. Meist sind es Kühler-Lüfterkombinationen, verbreitet sind auch rein passive Kühlkörper und Wasserkühler.

Aufgabe und Hintergründe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Mikroprozessoren erzeugen im Betrieb, wie alle Halbleiter, Abwärme. Um eine Überhitzung zu verhindern, die zu Fehlfunktionen oder zur Zerstörung der Bauelemente führen kann, reicht die natürliche Wärmeabstrahlung bei modernen Prozessoren für Personal Computer nicht aus. Um eine optimale Kühlung zu gewährleisten, muss die Abwärme möglichst schnell vom Prozessorkern abgeführt und die wärmeabgebende Oberfläche vergrößert werden. Dies geschieht mit Kühlkörpern, die meist aus Aluminium, in einigen Fällen auch vollständig aus Kupfer gefertigt werden, und in der Regel zusätzlich auf dem Kühlkörper angebrachten Lüftern. Wenn ein Kühlkörper aus Aluminium und Kupfer besteht, spricht man von einem Hybrid-Kühler. Hierbei werden die Vorteile beider Metalle optimal ausgenutzt: Kupfer leitet die Wärme schnell vom CPU-Kern (Die) weg (heat spreader), das ansonsten verwendete Aluminium spart gegenüber Vollkupferkühlkörpern Kosten und Masse.

Die Kühlleistung kann durch Maßnahmen im Prozessor (Heruntertakten, Abschalten von Datenbussen) wesentlich reduziert werden, wenn nicht die volle Leistungsfähigkeit benötigt wird. Die Prozessorentwicklung hat zur Reduzierung der dynamischen Verlustleistung die Betriebsspannung immer mehr gesenkt. Allerdings sind durch die kleinen Strukturgrößen, mehr Transistoren und die aufgrund der geringen Betriebsspannung nun nicht mehr so exakt schaltenden Feldeffekttransistoren die Leckströme gestiegen, sodass oben genannte Maßnahmen konterkariert werden. Daher sind die Verlustleistungen sogar gestiegen.

Fällt die Prozessorkühlung aus, würde der Prozessor ohne Schutzmaßnahmen sofort zerstört. Daher ist in oder an ihm ein Temperatursensor vorhanden, der dafür benutzt wird, die Verlustleistung sofort zu senken. Das geschieht durch Heruntertakten, das sogenannte Throttling (Pausenbetrieb) oder eine Sofortabschaltung. Diese Aufgaben werden vom Prozessor selbst oder vom Mainboard erledigt. [1]

Besonderheiten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Prozessorkühler für Sockel 775: Hybridkonstruktion mit konventioneller Lüfteranordnung, Kupferboden, drei Heatpipes und Aluminiumfinnen.
Vorne rechts, zum Größenvergleich, ein Intel-Kühler für einen Pentium 1 MMX (Sockel 7).

Prozessorkühler unterscheiden sich in einigen Details von anderen Kühlkörpern und müssen einige besondere, teils widersprüchliche Anforderungen erfüllen.

Sie müssen sowohl mechanisch als auch in der Leistungsfähigkeit stets auf den jeweiligen Prozessor- bzw. Sockeltyp angepasst sein. Nahezu jede neue Prozessorgeneration erfordert neue und wegen der steigenden Verlustleistungen leistungsfähigere Kühler.

Die direkte Montage am Prozessorsockel oder auf der Hauptplatine erzwingt aus Gründen der mechanischen Stabilität eine Beschränkung der Masse. Die Hersteller geben bei modernen Systemen dafür Höchstwerte an. Daher werden oft Lüfter eingesetzt, jedoch steigt dadurch die Geräuschentwicklung und es sammelt sich mehr Staub an.

Die Abwärme bei Prozessoren fällt auf einer sehr kleinen Fläche an, sodass dem Wärmeübergang zwischen Prozessor und Kühler große Aufmerksamkeit entgegengebracht werden muss (plane Flächen, Wärmeleitpaste). CPUs und Grafikprozessoren erreichen etwa um 2010 Verlustleistungen von über 100 Watt pro Quadratzentimeter. Zum Vergleich: Die 18-cm-Kochplatte eines üblichen Elektroherds erreicht gerade einmal sieben bis zehn W/cm².

Kühlungstypen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Passiver Kühlkörper für Mikroprozessoren, z. B. AMD 486, Intel 486
Semipassive Luftkühlung.

Man unterscheidet grundsätzlich zwischen

  1. Luftkühlung
    1. passiv: Die Abwärme wird über Kühlkörper an die Umgebungsluft abgegeben. Bei höheren Leistungen wird sie über Wärmerohre geleitet und dann an die Umgebungsluft (des Gehäuseinneren) abgegeben. Passive Prozessorkühler sind in der Regel darauf angewiesen, dass auf andere Weise eine Luftströmung erzeugt wird. Häufig wird der Lüfter des verbauten internen Netzteils mitbenutzt, gelegentlich durch entsprechend angeordnete Luftkanäle unterstützt.
    2. aktiv: Die meistverbreitete Kühlungsmöglichkeit nutzt die erzwungene Konvektion. Dabei wird den Kühlrippen oder Nadeln ein Druckgradient mit Hilfe eines Lüfters aufgeprägt. Dadurch erhöht sich der Wärmeübergang zur Luft maßgeblich. Als Lüfter können Axial- oder Radiallüfter eingesetzt werden. Ein neuartiges Konzept, das sich noch in Entwicklungsphase befindet, der Jet Cooler, verwendet piezoelektrisch angetriebene Membranen, die wie ein Blasebalg wirken, um sehr kompakte Kühlungslösungen zu verwirklichen.[2]
    3. semipassiv: Im (1HE) Rack-Serverbereich weit verbreitete Kühlungsmöglichkeit, die ebenfalls die erzwungene Konvektion nutzt. Jedoch ist hier kein Lüfter auf dem Kühlkörper montiert. Stattdessen befindet sich vor der Systemplatine eine „Wand“ aus 40-mm-Lüftern mit sehr hoher Leistung, die so die Abwärme durch das Belüftungsgitter der Rückwand drücken. Hierzu sind die zu kühlenden Elemente (z. B. Speicherriegel) parallel zum Luftstrom angebracht.
  2. Wasserkühlungen (siehe auch PC-Wasserkühlung)
    Wasserkühlungen verwenden Wasser mit Korrosionsschutz- und Sterilisier-Zusätzen als Wärmeträger. Durch die hohe Wärmekapazität des Wassers arbeiten sie sehr effektiv.
    1. offener Kreislauf: Als Wärmeüberträger wird hier ein offenes Gefäß entsprechender Größe genutzt. Zum einen gibt das Wasser durch freie Konvektion an der Gefäßwand und zum anderen durch Verdunstung Wärme ab.
    2. aktiv: Lüfter kühlen einen dafür konstruierten Wasser-Luft-Wärmetauscher.
    3. passiv: entsprechend 2.2, jedoch ohne Lüfter, das heißt, nur mit einem Radiator, der hierfür für freie Konvektion optimiert ist.
  3. Siedekühlung
    1. offenes System: Kühlung mit verdampfenden Flüssigkeiten, beispielsweise durch flüssigen Stickstoff
      Eine in der Computer-Tuning-Szene angewandte Möglichkeit, welche den niedrigen Siedepunkt von Stickstoff (−195,80 °C) ausnutzt, um extrem übertaktete CPUs effektiv zu kühlen, was mit Luft- oder Wasserkühlung bei diesen CPU-Temperaturen nicht mehr möglich wäre. Da eine Wasserkühlung aber in den allermeisten Fällen zur CPU-Kühlung ausreicht und eine Kühlung mit flüssigem Stickstoff teuer und nicht ohne weiteres dauerhaft möglich ist, wird sie nur zu experimentellen Zwecken (Rekordversuche) genutzt. Kühlungen mit flüssigem Stickstoff sind daher auch nicht kommerziell erhältlich, sie müssen selbst gebaut werden.
    2. geschlossenes System, durch Verwendung einer Kompressionskältemaschine
      Der Verdampfer liegt entweder direkt auf der CPU auf oder kühlt ein Kältemittel (z. B. Wasser oder andere Flüssigkeiten mit niedrigerem Siedepunkt).
  4. Peltierkühlung (mit Peltier-Element mittels Peltier-Effekt)
    Sie ist aufgrund des schlechten Wirkungsgrades und der damit verbundenen zusätzlichen Abwärme aus der Mode gekommen.
  5. Trockeneiskühlung, Trockeneis
    Funktioniert prinzipiell wie die Stickstoffkühlung, nur dass Trockeneis als kühlendes Medium eingesetzt wird.

Wärmerohre (heat pipes)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Prozessorkühler für Sockel 1366 in Tower-Bauform mit Wärmerohren

Insbesondere Prozessorkühler von Laptops arbeiten mit Wärmerohren (engl: Heatpipes). Wärmerohre sind dünne Rohre, meistens aus Kupfer, in denen sich ein Transportmedium (flüssig + gasförmig) befindet, welches, im Gegensatz zu Metall, die Wärme nicht durch Leitung, sondern durch mit einem Phasenübergang verbundene Konvektion transportiert. An der kalten Seite, d. h. dort, wo das Transportmedium kondensiert, gelangt die Wärme an Kühlrippen, die somit keine direkte Verbindung zum Prozessor haben müssen. Danach gelangt das flüssige Transportmedium zurück zum Prozessor und kann dort wieder neue Wärme aufnehmen, indem es verdampft.

Hybridkühler mit Kupferkern und werksseitig aufgebrachtem thermoplastischem Wärmeleitpad

Geräuschreduzierung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Lüfter von aktiven Prozessorkühlern verursachen im Betrieb Lärm. Übliche Größen zur Beurteilung des Lärms sind die Lautheit, der Schalldruckpegel oder der Schallleistungspegel. Die Lautheit wird üblicherweise in Sone angegeben. Schalldruckpegel und Schallleistungspegel werden üblicherweise in Dezibel (dB(A)) oder Bel angegeben.

Passive Prozessorkühler arbeiten geräuschlos, da keine bewegten Teile vorhanden sind. Sie können nur dort zum Einsatz kommen, wo Prozessoren so wenig Leistung in Wärme umsetzen, dass eine passive Kühlung ausreicht. Die mögliche Abwärme hängt dabei auch davon ab, wie groß der Kühler gebaut werden kann.

Eine Wasserkühlung mit lüfterlosen Radiatoren kann ebenfalls beinahe geräuschlos arbeiten (bis auf das Pumpengeräusch), kann aber nicht überall eingesetzt werden.

Heute werden die Hauptprozessoren in PCs in der Regel mit einer aktiven Luftkühlung gekühlt. Je nach Größe des verwendeten Kühlkörpers variiert die Kühlleistung. Ebenso hängt die Kühlleistung auch mit dem Volumenstrom der über den Kühler geblasenen Luft zusammen.

Große Lüfter, die auf großen Kühlern zum Einsatz kommen, erzeugen den benötigten Volumenstrom bei kleineren Drehzahlen als kleine Lüfter, die auf kleineren Kühlern zum Einsatz kommen. Große Lüfter erzeugen deshalb bei gleicher Kühlwirkung weniger Lärm als kleine, schnell drehende Lüfter und sind auch effizienter.

Lüfterlose Grafikkartenkühlung mit Wärmerohren

Grafikkartenhersteller verbauen aus Platzmangel oft nur kleine Lüfter mit entsprechend hoher Drehzahl. Es zeichnet sich aber auch hier ein Trend zu großflächigen Kühlkörpern ab, die dann passiv gekühlt sind oder Lüfter mit größeren Durchmessern erlauben.

Zur Reduktion der Lautstärke von Lüftern kann man diese oft mit reduzierter Spannung und entsprechend niedrigerer Drehzahl betreiben. Zum Teil werden geeignete Adapter vom Lüfterhersteller bereits mitgeliefert, die z. B. den Lüfter mit der 12 V und der 5 V Leitung des Netzteils verbinden und den Lüfter so mit 7 V statt 12 V betreiben. Für Lüfter eines Prozessorkühlers kommt dies nur eingeschränkt in Frage, da mit der Lüfterdrehzahl auch die Kühlleistung sinkt; man muss prüfen, ob der Prozessor damit noch ausreichend gekühlt wird.

Temperaturabhängige Lüftersteuerungen, mit denen die meisten Mainboards heute ausgestattet sind, verwenden elektronisch per PWM steuerbare Lüftermotoren (mit 4poligem Stecker) und passen die Drehzahl an den Kühlleistungsbedarf an.


Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. https://www.dch-faq.de/kap04.html Marc Brockschmidt, Rocco Fiebig, Stephan Grossklass, Ralf Hildebrandt, Rainer Knaepper et. al.: CPU-Kühlung , Kapitel Notabschaltung, Throttling, abgerufen am 24. Juni 2018
  2. „IT-News für Profis“, golem.de, 14. Dezember 2012