Hardware 11.03.2005, 18:37 Uhr

„Wasser marsch!“ für heiße Prozessoren  

VDI nachrichten, Hannover, 11. 3. 05 – Die weiterhin steigende Packungsdichte bei Computersystemen sowie die ständig steigende Prozessorleistung führen inzwischen zu thermischen Problemen. Auch ausgeklügelte Luftkühlung reicht oft nicht mehr aus, fallweise muss Wasser die überschüssige Hitze abtransportieren. Auf der anderen Seite versuchen Intel und AMD, ihre Prozessoren energieeffizienter zu machen, z. B. durch teilweise Abschaltung oder mehrere Prozessorkerne auf einem Chip.

Nach dem immer noch gültigen Gesetz von Intels Mitbegründer Gordon Moore (Moore“s Law) aus dem Jahr 1975 soll sich die Integrationsdichte auf dem Chip alle 18 Monate etwa verdoppeln – und damit auch die elektrische Verlustleistung, sofern keine präventiven Maßnahmen vorgesehen werden. Setzte vor zehn Jahren ein mit 200 MHz getakteter Pentium um die 10 W in Wärme um, so erreichen die heutigen Pentium4-Chips knapp 100 W bei Taktfrequenzen bis 3,7 GHz und 125 Mio. Transistoren auf dem Chip. Die Produktion eines 4-GHz-Pentiums hat Intel auch wegen der überproportional steigenden Verlustleistung von etwa 120 W Ende letzten Jahres abgekündigt.

„Um die in Hitze umgesetzte Leistung in Grenzen zu halten, setzen wir bei den neuen Pentium4 unsere für Mobilprozessoren entwickelte Strom- spartechnik ein“, erläutert General Manager Rob Crooke. Abhängig von der Last schaltet der Prozessor dabei automatisch auf niedrigere Taktfrequenzen und geringere Versorgungsspannung um. Dennoch, die Leistung einer Glühlampe muss von der fingernagelkleinen Chipfläche effektiv abgeführt werden, um die Lebensdauer des Prozessors nicht zu verkürzen. Und die zur Jahresmitte geplante Pentium Extreme Edition wird zwei Prozessorkerne enthalten. „Diese Prozessoren sind für hohe Rechenleistung einschließlich Computerspielen gedacht, wir arbeiten derzeit an mehr als zehn Multi-Core-Projekten auch für Server“, unterstreicht Crooke.

Ist dieses Problem schon bei PCs vorhanden, so potenziert es sich bei einer neuen Architektur für Server, den Blades. Blades (englisch für Klinge) sind erst seit einigen Jahren in der Diskussion als Alternative zu einzelnen stapelbaren Gehäusen. Blades integrieren heute auf einer Platine meist mehrere Prozessoren, Arbeitsspeicher sowie Festplatte, in einem Gehäuse lassen sich dann mehrere Blades einbauen, die dann wiederum in einem 19-Zoll-Schrank (Rack) mehrfach Platz finden. Sechs solcher Einheiten können z. B. in einem Rack eingebaut werden, entsprechend 84 individuellen Blade-Servern. „Eine solche Konfiguration kann z. B. als Linux-Cluster im High-Performance Computing eingesetzt werden und bietet eine sehr kostengünstige Alternative zu herkömmlichen Supercomputern“, meint Rudolf Land, Technologieexperte bei IBM in Böblingen. „Da die Blades im Gehäuserahmen nebeneinander angeordnet sind, ähnlich wie Bücher in einem Bücherregal, können insgesamt mehr Prozessoren im Rack untergebracht und Rechenumgebungen mit maximaler Packungsdichte realisiert werden. Blades verbrauchen weniger Strom und geben weniger Wärme ab als herkömmliche Einprozessor-Server. Gemeinsam genutzte Kühl- und Stromversorgungssysteme sorgen gerade in kleinen Infrastrukturen für mehr Effizienz.“

Doch trotz effizienterer Luftkühlung in solchen Blades sitzen auf jeder Karte mindestens zwei Prozessoren, und auch die kommende Generation von AMD und IBM wird über zwei Kerne verfügen. Damit dürfte trotz stromsparender Fertigungstechnologien die Verlustleistung im Bereich der 100 W verbleiben, mithin mindestens 200 W pro Blade. Als Alternative zu lauten und weniger effizienten Luftkühlern bietet sich daher die Wasserkühlung an, die auch für professionelle Anwendungen inzwischen verfügbar ist. Rittal z. B. bietet mit dem „Module Cooling“ Flüssigkeitskühlung für Prozessoren bis zu 25 kW Verlustleistung pro Schrank einschließlich der Wärmetauscher und Rückkühlanlagen. Alternativ blasen Klimaschränke an der Seitenwand von Servern kalte Luft über die Leiterkarten und sorgen so für gleichmäßige thermische Bedingungen.

Für PCs gibt es bereits seit dem Jahr 2002 Nachrüstsätze für Wasserkühlung, bestehend aus Adaptern für Prozessoren, Grafikchips und Northbridge sowie Pumpe und Wärmetauscher. Vorreiter war hier die deutsche Firma Aqua Computer. Mittlerweile hat sich das Angebot vergrößert und wassergekühlte Komplettgehäuse sind auf dem Markt. Die Pumpe, üblicherweise eine Umwälzpumpe aus der Aquarientechnik, hat sich sich seit Jahren als zuverlässig erwiesen, doch mit einem neuen Konzept wird sie vielleicht überflüssig. „Prinzip unserer Konvektionskühlung ist, dass warmes Wasser frei aufsteigen und kaltes Wasser frei fallen kann. Genau diese Bedingungen erfüllt unser Computer Neptun II, der ohne Pumpe auskommt“, erläutert Wassercomputer-Gründer Georg Kinder. Das Patent wurde bereits 2003 angemeldet und im vergangenen Jahr entstanden erste Desktop-Computer und Server mit diesem Kühlprinzip.

Eine Membran dient als Trennschicht zwischen Wasser und Elektronik. Ziel ist es, alle Bauteile, jedes nach seiner Wärmeleistung, zu kühlen. „Die Konvektionskühlung kühlt gerade heiße Bauteile effektiv, wie das Beispiel des Volks-PC von Plus mit dem AMD 2400XP Prozessor zeigt. Dieser Computer erreicht bei Luftkühlung CPU-Temperaturen von fast 90 °C. Dieser Wert wird mit der Wasser-Konvektionskühlung bei weitem nicht erreicht. Die aggressive Wärmeabgabe der CPU bei Volllast kommt der Energieaufnahme der Wassermoleküle entgegen und fördert damit die Konvektion. Gleich nach dem Start steigt die Temperatur schnell an. Der Anstieg verlangsamt sich erst bei 40 °C, je nach Wasser- und Umgebungstemperatur. Wasser nimmt die Wärmeenergie 36-mal besser auf als Luft, gibt sie aber auch viel schlechter wieder ab. Die Wasser-Moleküle kleben am Wärmetauscher, bis sie genug Energie aufgenommen haben, um aufzusteigen“, stellt Kinder fest.

So viel Aufwand ist für Notebooks nicht nötig, denn die modernen Mobilprozessoren mit aufwändiger Energiespartechnologie kommen mit maximal 30 W aus. Lüfter und Heatpipes, das sind Röhren mit Konvektionskühlung, können die entstehende Verlustwärme effektiv genug abführen. ACHIM SCHARF

Von Achim Scharf
Von Achim Scharf

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