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PC-Kühlung im Detail

Wie Computer zur Heizung wurden

Die rasant wachsende Leistungsfähigkeit von Computern forderte schon früh ihren Tribut. Was Ende der Achtziger mit billigen Kühlrippen begann, vermochte nur wenige Jahre später ganze Räume aufzuheizen. Immerhin geht es seit einigen Jahren auch leise.

// Von Benjamin Gründken

12.11.2010 // Im Jahr 1985 fand sich in handelsüblichen Rechnern nichts, was eine Kühlung benötigt hätte. Der seinerzeit aktuelle "386er" taktete lediglich mit 33 Megahertz. Damit einher ging ein Verlust von zwei Watt. Die entstandene Wärme ließ sich noch leicht auf die umgebende Luft abführen, ohne auch nur in die Nähe kritischer Temperaturen zu gelangen.

Erste Kühler sollten vier Jahre später mit dem populären "486er" auftauchen. Die Verdopplung der Taktrate bescherte dem Prozessor eine sechsfach höhere Verlustleistung. Die Fläche des Prozessors war nun nicht mehr groß genug, um die Abwärme an die Umgebungsluft abzugeben. Aus diesem Grund vergrößerten Intels Ingenieure die Oberfläche, indem sie einen Kühlkörper anbrachten. Die rund einen Zentimeter dicke Kühleinheit aus einer Reihe simpler Lamellen wurde entweder aufgeklebt oder -gesteckt. Zwar tauchten damals bereits erste Aktivkühler, sprich drehende Lüfter auf, nötig waren diese allerdings nicht. Die vergleichsweise winzigen Plastikventilatoren ließen sich lediglich günstiger fertigen. Mitte der Neunziger hatten sich aktive Kühler mit Intels legendärer Pentium CPU sowie AMDs Nischenprozessor K5 als Standard etabliert.

Dank verbessertem Fertigungsverfahren sollten Prozessoren bis zum Ende des Jahrzehnts trotz enormer Taktsteigerungen die Marke von 30 Watt nur selten überschreiten. Die Ventilatoren blieben dadurch zwar noch immer relativ zierlich, saßen aber bereits auf mehrere Zentimeter langen Kühlrippen. Die Kombination aus Flächen vergrößernden Kühlelementen plus Gebläse zum Abtransport der erzeugten Wärme ist bis heute üblich. Auch wenn sich im Detail einiges verändert hat.

Warum entsteht überhaupt Wärme?

Die Rechenleistung eines Mikroprozessors ergibt sich tendenziell aus der Anzahl der verbauten Transistoren. Weil diese bei jedem Schaltvorgang einen Teil der elektrischen Energie als thermischen Verlust abführen, steigt folglich auch die Temperatur mit der Geschwindigkeit. Dieser Verlust ist bei Mikroprozessoren als "Thermal Design Power" (TDP) definiert. Obwohl sie sich stark an der Leistungsaufnahme orientiert, ist sie nicht mit ihr identisch. Die TDP dient als Wert in erster Linie dazu, die Kühlung adäquat dimensionieren zu können. Im Betrieb kann die Verlustleistung jedoch deutlich geringer ausfallen, da sich die TDP auf die maximale Auslastung bezieht.

Dem Kyro-Grafikchip (links) reichte 2001 ein winziger Ventilator. Fünf Jahre später wurde ATIs Radeon 1900XT mit einem wuchtigen Kühlkörper kaltgestellt. (Bild: B. Gründken)

Die große Hitzewelle

Bis weit in die 1990er Jahre hinein kamen Computerspiele optisch relativ anspruchslos daher. Weil die meisten Berechnungen noch über den Hauptprozessor liefen, benötigte der Grafikprozessor keinerlei Kühlvorrichtung. Mit dem Erscheinen erster 3-D-Grafikkarten stieß  die natürliche Kühlfähigkeit des Grafikprozessors (Graphics Processing Unit) jedoch schnell an ihre Grenzen. Bis ins Jahr 1999 begnügte sich das Gros der Karten dabei mit Passivkühlern, wie sie beim Hauptprozessor längst keine Verwendung mehr fanden. Mittelklasse-Modelle für Spieler mit kleinerem Budget blieben etwa bis ins Jahr 2002 lautlos, während leistungsschwache Low-Budget-Karten für Büroanwendungen noch heute keinen Ventilator brauchen.

Das Millenium läutete nicht nur bei der Grafikkühlung einen Wandel ein. AMD produzierte 1999 mit dem Athlon Thunderbird erstmals einen konkurrenzfähigen Hauptprozessor. Intel und AMD überboten sich nun ohne Rücksicht auf die Verlustleistung mit immer schnelleren Prozessoren. Der mit 1400 Megahertz getaktete Athlon Thunderbird erreichte so im Jahr 2001 exorbitante 72 Watt. Die Hersteller reagierten mit wuchtigen Kühlkörpern. Die Ventilatoren wuchsen auf bis zu 80 Millimeter Kantenlänge an und dröhnten dabei auf hohen Drehzahlen. Erstmals hielt so das Element Kupfer Einzug in die PC-Kühlung, das im Vergleich zum beliebten Aluminium eine beschleunigte Wärmeabfuhr ermöglicht.

Athlon Thunderbird vs Phenom II X6

Der Athlon Thunderbird (links) musste 72 Watt über eine extrem kleine Fläche abführen. Dem aktuellen Phenom II X6  steht für 125 Watt ungleich mehr Raum zur Verfügung. (Bild: B. Gründken)

Ventilatoren allerorten

Damit sich die Hitze nicht im Gehäuse staute, statteten Besitzer potenter Rechner ihre Computer zusätzlich mit mindestens einem Gehäuselüfter aus. Dieser stellte besonders zur heißen Jahreszeit die Frischluftversorgung sicher. Weil die über den Chipsatz geregelte Kommunikation zwischen den einzelnen PC-Elementen - wie dem Hauptprozessor, dem Speicher oder der Grafikkarte - mit wachsender Leistungsfähigkeit erwartungsgemäß wuchs, verlangte auch dieser nunmehr nach Kühlung. Aus Kostengründen verbauten viele Hersteller wieder einmal laute Miniventilatoren. Das Quartett aus Prozessor-, Grafik-, Chipsatz- und Gehäuselüftung bescherte teils unerträgliche Geräuschkulissen.

Im Innern aufgenommen - So laut kann ein Rechner klingen

 

TDP-Stagnation

Weitere Fortschritte im Fertigungsverfahren ließen die Verlustleistung ab 2002 relativ gemächlich ansteigen. Erst 2004 sollte sie mit 105 Watt erstmalig in dreistellige Sphären vordringen. Mit den hochgezüchteten Dualcore-Prozessoren stieg der Wert 2006 beim Spitzenmodell Pentium EE 965 noch einmal um 25 Watt an, dann zogen AMD wie Intel die Notbremse und arbeiteten intensiv an der Effizienz. Fünf Jahre später beträgt die Leistungsaufnahme beim 850 Euro teuren Intel Prozessor Core i7-980X ebenfalls 130 Watt. AMDs Topmodell, der in Anwendungen etwa 30 Prozent langsamere aber deutlich preisgünstigere Phenom II X6 1090T, gibt 125 Watt an den Kühler weiter. Erschwingliche Prozessoren kommen mit rund 95 Watt aus, während spezielle Energiespar-CPUs für genügsame Arbeitsrechner bei etwa 50 Watt liegen.

 

Auch High-End CPU-Kühler wie der Scythe Mugen 2 (hier auf AMDs Phenom II X6 1090T) lassen sich mit ein bisschen Fingerspitzengefühl relativ leicht montieren. (Bilder: B.Gründken)

Lautlos wird en vogue

Ausgerechnet die Stagnation der Abwärme ging mit einem regelrechten Lüfterboom einher. Was vormals in erster Linie kaltstellen sollte, trimmte die Industrie nun auf Lautlosigkeit und Optik. Chipsatzkühler wurden passiv, die Grafikkarte aufwendig verkleidet und CPU-Kühler optimiert. Für Bastler bot der Markt plötzlich Gimmicks wie LED-Lüfter, die das Innenleben des Computers in die unterschiedlichsten Farben tauchen. Sogenannte "Case Modder" verwandelten ihre Rechner damit in wahre Kunstwerke. Enthusiasten indes nutzten überdimensionale Kühler, um ihre Komponenten außerhalb der Spezifikationen zu betreiben. Andere wiederum gebrauchten die gleiche Technik zur Minimierung des Geräuschpegels. Wer beides haben wollte, investierte sein Geld in aufwändige Wasserkühlung. Mittlerweile lässt sich das auch mit entsprechend hochwertiger Luftkühlung bewerkstelligen. Im Low-End-Sektor tat sich dagegen wenig. Insbesondere kostengünstige Komplettrechner neigen nach wie vor zur Lautheit.

Sorgenkind Grafikkarte

Was bei Prozessoren längst eingedämmt wurde, will bei Grafikkarten einstweilen kein Ende nehmen. Grafikchips mit einer Verlustleistung von bis zu 250 Watt buhlen aktuell um die Gunst der Computerspieler. Mit 150 Watt nehmen sich dabei selbst Mittelklassekarten aus wie kleine Elektroöfen. Kein Wunder, dass Kühlkörper zeitgemäßer Karten bis zu drei Slots belegen und dabei immer öfter die komplette Platine bedecken. Um den enormen Energiehunger zu bewältigen, müssen die Karten über zusätzliche Stromleitungen mit dem Netzteil verbunden werden. Immerhin bieten moderne Grafikkarten umfassende Energiesparfunktionen. Wird der Rechner nicht zum Spielen oder für andere grafiklastige Anwendungen benutzt, taktet die Grafikeinheit automatisch runter. Bei einer GTX 460 zum Beispiel, die bei voller Auslastung rund 160 Watt Verlust abwirft, sinkt die TDP um etwa 90 Prozent. Was im ersten Moment wie ein Energiewunder erscheint, entzaubert ein Rückblick ins Jahr 2006: Die damals an dieselbe Zielgruppe gerichtete Geforce 7600 GT bot zwar noch keine ausgeklügelten Sparfunktionen, dafür sollte ihre Verlustleistung selbst bei Volllast 35 Watt nicht übersteigen.

Benjamin Gründken

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