Die Balanced-Technology-Extended-Spezifikation, Codename "Big Water", basiert auf Standards, die es ermöglichen sollen, zukünftig PC-Systeme effizienter zu entwickeln. In den neuen BTX-Vorgaben werden besonders die thermische Belastung, der Stromverbrauch, die Geräuschentwicklung, die elektromagnetische Verträglichkeit und die Anordnung der Komponenten berücksichtigt.
Der im September 2003 verabschiedete BTX-Standard Version 1.0 deckt in erster Linie Desktop- und kompakte Systeme ab - eignet sich aber auch als Vorlage für große erweiterbare Tower-Systeme. Bei der Definition der Standards legten die Entwickler besonderen Fokus auf Technologien wie PCI Express und Serial-ATA.
Ein neuer Standard bedeutet in der Regel auch Komponentenwechsel und somit Kosten. Bei einem Umstieg auf BTX müssen mehrere Komponenten ausgetauscht werden. Neben dem Mainboard benötigt der Anwender ein entsprechendes Gehäuse und Netzteil sowie ein geeignetes Prozessor-Kühlungssystem. Welche Änderungen und Innovationen der neue BTX-Standard für die zukünftigen Rechnersysteme bringt, erläutern wir ausführlich in diesem Artikel. Erste Designstudien stellte Intel bereits auf dem Intel Developer Forum im September 2003 und Februar 2004 vor.
ATX-Formfaktoren
Zu den heute bekanntesten Formfaktoren zählt der ATX-Standard (Advanced Technology Extended). Er wurde 1995 von Intel vorgestellt und speziell entwickelt, um eine gute Erweiterbarkeit mit Steckkarten zu gewährleisten und die Kabelführungen zu den Laufwerken sowie zum Netzteil sehr kurz zu halten. Zusätzlich übernehmen die Lüftung des Netzteils und dessen Anordnung im Gehäuse wesentliche Kühlfunktionen für das Mainboard.
Ein weiterer Vorteil war die Zusammenführung aller wichtigen externen Schnittstellen in den hinteren Bereich des Mainboards und die Einführung eines 20-poligen, verpolungssicheren Stromanschlusses. Die ATX-Spezifikationen wurden erst 1999 als Standard eingeführt und liegen aktuell in Revision 2.2 vor. Diese legt alle wichtigen Kenngrößen wie die Abmessungen des Mainboards, die Anordnung der Stecker, der Sockel, der Chipsatz-Bausteine und der Bohrlöcher genormt fest. Auch entsprechende Gehäuse und Netzteile unterliegen diesem Standard und werden deshalb gleichnamig bezeichnet.
Neben dem Standard- beziehungsweise Fullsize-ATX-Format haben sich auch noch kleinere Formate etabliert. Die folgende Tabelle gibt eine Übersicht über die aktuellen ATX-Formfaktoren:
Formfaktor | Abmessungen [mm] |
|---|---|
| |
Standard ATX | 305 x 244 |
Micro ATX | 244 x 244 |
Mini ATX | 284 x 208 |
Flex ATX | 229 x 191 |
LPX-, NLX- und ITX-Standard
Eine Abwandlung des ATX-Standards stellen der LPX- und der Mini-LPX-Formfaktor dar, wobei der Name Low Profile Extended bereits den Einsatzort dieser spezifizierten Mainboards verrät. Das LPX-Format ist besonders für Rechner mit flachen Gehäuseabmessungen vorgesehen. Die Steckkarten werden waagerecht per Raiser-Karte in einem entsprechenden Onboard-Slot installiert. Die Folgen sind schlechte Wärmabführung und unzureichende Erweiterbarkeit eines solchen Systems.
Mit NLX und Mini-NLX stehen dem Anwender zwei weitere veränderte Varianten des LPX-Formats zur Verfügung. Sie sind noch kompakter und besitzen anders als LPX einen AGP-Slot.
Neben Intel stellt auch die taiwanische Chipsatzschmiede VIA eigene Spezifikationen für PC-Mainboards vor. Bereits 2001 veröffentlichte VIA die ITX-Spezifikation (215 x 191 mm) für hoch integrierte und kompakte Mainboards. Es folgten Mini-ITX (170 x 170 mm) und Ende 2004 Nano-ITX (120 x 120 mm). Bei den letzten beiden Varianten ist der Prozessor aus Platzmangel für einen Sockel fest auf der Platine verlötet.
Update: Grundlagen des BTX-Standard
Der elektrische Leistungsbedarf von PC-Systemen steigt mehr und mehr an. Problematisch ist diese Entwicklung in Bezug auf die entstehende Wärme im Gehäuse durch so genannte Hotspots wie CPU, Chipsatz oder Grafikkarte. Der BTX-Formfaktor soll in erster Linie die entstehende Wärme im Gehäuse schnell und effektiv abführen. Dies erfordert gegenüber dem ATX-Formfaktor grundlegende Veränderungen im Board-Design beziehungsweise -Layout.
Auf der Grundlage der folgenden Leistungsaufnahmen der Komponenten eines PC-Systems entwarfen die Entwickler die unterschiedlichen BTX-Formfaktoren. Zu den wichtigsten BTX-Design-Zielen gehören eine niedrige Systemtemperatur sowie eine geringe Lärmbelästigung bei festgelegten Gehäusevolumen beziehungsweise Abmessungen.
Komponente | Max. Leistung [W] | Min. Leistung [W] |
|---|---|---|
Daten ermittelt von Intel. | ||
Prozessor TTV | 115 | 58 |
Spannungsregler | 38,3 | 19,2 |
MCH | 17,7 | 6,9 |
ICH | 4,0 | 1,2 |
Speicher-Module | 13,9 | 6,4 |
Festplatte | 10 | 8 |
Optisches Laufwerk | 10 | 5 |
Floppy-Laufwerk | 0,3 | 0,3 |
PCI-Express x16-Grafikkarte | 40-75 | 20-38 |
PCI-Express x1 | 5 | 3 |
PCI-Express x1 LP | 5 x2 | 3 x2 |
Mainboard/Lüfter | 22 | 11 |
Summe | 285-320 | 145-163 |
Auf Basis dieser Vorgaben konzipierte das Form-Factors-Konsortium die unterschiedlichen BTX-Formfaktoren wie Standard-, Micro- und Pico-BTX. Um den gestellten Anforderungen insgesamt gerecht zu werden, entwickelten die Ingenieure für BTX ein neues Kühlkonzept in Form eines Thermal-Moduls. Zusätzlich sorgen ein intelligentes Lüftermanagement sowie eine ausgeklügelte Verteilung der Komponenten im Gehäuse für eine moderate Temperatur und einen niedrigen Lärmpegel.
Update: BTX-Thermal-Modul
Das zentrale Element des neuen BTX-Standards bildet das so genannte Thermal-Modul. Es wurde so konzipiert, dass alle temperaturkritischen Bauelemente von dem Modul gekühlt werden. Der BTX-Standard minimiert die Anzahl der Lüfter auf zwei, einen für das Thermal-Modul und einen für das Netzteil.
Die BTX-Spezifikation ordnet die wärmerelevanten Komponenten auf einem Mainboard so an, dass ein Luftstrom auf wenig Luftwiderstand trifft. Als aktives Kühlelement setzt BTX ein Thermal-Modul ein. Es besteht aus einem Kühlkörper mit aufgefächerten Radiallamellen für den Prozessor und einem Axial-Lüfter sowie einem Schacht, welcher die Luft gezielt durch das Gehäuse führt. Diese Konstruktion ermöglicht eine direktere Kühlung der innen liegenden Komponenten.
Anders als die ATX-Spezifikationen schreibt der BTX-Standard vor, dass die Bestückungsseite der PCI-Express-Grafikkarte direkt im Luftstrom des Thermal-Moduls liegt. Eine zusätzliche aktive Kühlung des Grafikchips wäre somit überflüssig. Auch die Chipsatzbausteine müssen im Kühlbereich des Thermal-Moduls liegen.
Der Vorteil des Thermal-Moduls ist nicht nur die effektive Kühlleistung, sondern auch die geringere Lärmbelästigung. Denn im Idealfall sorgen nur zwei für diese Anwendung speziell optimierte Lüfter für die Luftzirkulation im System. Weitere Lüfter-Lärmquellen entfallen.
Pico-Thermal-Modul im Detail
Anders als das Standard-BTX-Thermal-Modul besitzt die Pico- und Micro-Variante keine Radiallamellen, sondern besteht aus 40 rechteckigen und 0,4 mm dicken Kupferkühlblechen auf einem Kupferträger. Das Gewicht ist auf maximal 900 Gramm beschränkt.
Die Basisplatte und die Höhe der Kühllamellen stimmten die Entwickler aufeinander ab, um eine bestmögliche Wärmeabführung zu erzielen. Das Kühlkonzept ist zwar sehr effektiv. Durch das verwendete Material entstehen jedoch hohe Kosten und ein hohes Gewicht.
Neben dem Kühlkörper ist das zentrale Bauteil des Pico-BTX-Thermal-Moduls der speziell konstruierte Lüfter. Zusammen mit dem Lüftergehäuse erzeugt dieser einen optimalen Luftstrom zur Kühlung der Komponenten bei sehr geringen Luftwiderstandverlusten. Eine Abdichtung zur Gehäusefront vermeidet unerwünschtes Ansaugen der warmen Innenluft. Zusätzlich leitet ein Strömungspartitionierer den Luftstrom nicht nur über den Kühlkörper, sondern auch darunter zu den Spannungsreglern und auf die Mainboard-Unterseite.
Der Luftpartitionierer wurde speziell für die kleinere Typ-II-Variante des kritisch zu kühlenden Thermal-Moduls entwickelt und auch - obwohl nicht zwingend notwendig - von Typ I übernommen. Diese Konstruktion leitet bei reduzierter Frontfläche des Typs II weniger Luft auf die Spannungsregler und die Mainboard-Unterseite. Daraus folgt eine bessere Kühlleistung des Moduls, da der Luftstrom über den oberen Kühlkörper erhöht wird.
Temperaturverteilung
Pico-BTX stellt zukünftig den kleinsten Formfaktor für PCs dar. Es ist mit einem Volumen von sechs bis zehn Litern spezifiziert. Intel hat erstmals auf dem Intel Developer Forum 2004 anhand des Pico-BTX-Formfaktors verdeutlicht, wie sich die thermalen und akustischen Eigenschaften dieses neuen Systems verhalten. Ausgehend von einer maximalen Leistungsaufnahme eines Referenzsystems von insgesamt 226 Watt sieht die Temperaturverteilung in einem Pico-BTX-System wie folgt aus:
Den höchsten Leistungsverbrauch von bis zu 115 Watt beansprucht der Prozessor. Mit 38 Watt des Gesamtleistungsbudgets begnügen sich die Spannungsregler. Die integrierte Grafik und der Speicher verbrauchen 18 beziehungsweise 14 Watt. Wie die Thermoaufnahme eines Pico-BTX-Boards zeigt, spiegeln sich die hohen Leistungsaufnahmen in den Hotspots wider. Gleichzeitig verdeutlicht die Aufnahme, dass das Thermomodul über genügend Kühlleistung verfügt, um die Komponenten bei einer Umgebungstemperatur von 35 Grad Celsius wirksam vor zu hohen Temperaturen zu schützen.
Das Bild der Luftzirkulation in einem Pico-BTX-System untermauert, dass temperaturkritische Komponenten wie der CPU-Kühlkörper, der MCH oder eine installierte PCI-Express-Grafikkarte notwendigerweise mit der höchsten Luftgeschwindigkeit umströmt werden. In diesen Bereichen ist die Kühlung optimal. Auch die Aufgabe des Netzteillüfters als Zwangsabsaugventilator für die Luftmassen innerhalb des Systems wird deutlich. Zusätzlich zeigen die Luftbewegungen, dass der Speicher im Strömungsbereich der beiden Lüfter liegt und dadurch ebenfalls gekühlt wird.
BTX-Akustik
Laut Arbeitsstättenverordnung Paragraph 15 darf bei überwiegend geistiger Tätigkeit der Lärmschallpegel 55 dB (A) nicht übersteigen. Bei einfachen oder überwiegend mechanisierten Bürotätigkeiten sind es 70 dB (A). Hier sollten alle Arbeitsmittel wie Computer oder Drucker entsprechend geräuscharm arbeiten.
Auch mit dem Kriterium Akustik haben sich die Entwickler des BTX-Formfaktors beschäftigt. Laut Intel erreicht ein BTX-Referenzdesign im Leerlaufmodus einen maximalen Schallpegel von etwa 34 dB (A). Die Hauptlärmquellen sind dabei die Lüfter des Thermal-Moduls und der Stromversorgung sowie die Festplatte.
Um die Temperatur in einem BTX-System zu regeln, besitzt der Thermal-Modul-Lüfter zwei Kontrolleingänge. Der erste Eingang erhält Daten von einem Temperatursensor auf dem Thermal-Modul. Der zweite ist an einem Power-Management-Controller angeschlossen. Dieser regelt die Spannung des Modul-Lüfters und somit die Drehzahl beziehungsweise die Kühlleistung. Die notwendigen Informationen übertragen ein Temperatursensor auf dem System-Mainboard und die Thermal-Diode im Prozessor zum Controller.
Zusätzlich verfügt der Netzteillüfter über eine autonome Drehzahlregelung. Sie ist abhängig von dem gelieferten Strom des Netzteils für die angeschlossenen Komponenten und von der internen Netzteiltemperatur. Die Drehzahl des Netzteillüfters wird so ausgesteuert, dass sie eine optimale Kühlung bei einem minimalen Lärmpegel gewährleistet.
Update: BTX-Formfaktoren
Der BTX-Standard wartet gleich mit drei Formfaktoren auf: Standard-BTX, Micro-BTX und Pico-BTX. Wichtige Aspekte bei der Entwicklung waren, dass die Board-Designs beziehungsweise Abmessungen skalierbar sind. Deshalb beträgt die Tiefe bei allen Formaten 266,7 mm und nur die Breite der Platinen variiert. Das spart bei der Assemblierung von Systemen mit unterschiedlichen Formfaktoren Kosten. Zusätzlich kann der System-Assemblierer die gleichen Komponenten wie Laufwerke, Netzteile und Kühlmodule in entsprechend unterschiedlichen BTX-Gehäusen verbauen.
Die folgenden Bilder zeigen die drei spezifizierten BTX-Mainboard-Formfaktoren und deren exemplarische System-Layouts.
Für den Pico-BTX-Formfaktor existieren bereits Referenzdesigns. Sie verdeutlichen, wie die Komponenten in so einem System angeordnet sind.
Auch die maximal zulässige Höhe legt der BTX-Standard exakt fest. Um weitgehend flexibel zu bleiben, legt die Spezifikation mit der Bezeichnung Typ 1 und Typ 2 zwei unterschiedliche Höhen fest. Sie beziehen sich auf das eingesetzte Thermal-Modul, das indirekt die maximale Höhe des Gehäuses bestimmt. Der Typ 1 verlangt eine Höhe von 86 mm, damit können problemlos Steckkarten mit normaler Bauhöhe eingesetzt werden. Beim Typ 2 mit einer maximal zulässigen Höhe von 60,6 mm haben in den entsprechenden Systemen nur noch Low-Profile-Karten genügend Platz. Allerdings ermöglicht in solchen Rechnern eine Raiser-Karte, mit um 90 Grad gekippten Slots, den Einbau normal hoher Steckkarten.
Update: BTX-Netzteil
Gleichzeitig mit dem neuen BTX-Formfaktor definierten die Formfaktor-Entwickler ein entsprechendes Netzteil. Unter dem Namen Compact Form Factor (CFX12V) verabschiedete die Formfactors-Organisation im November 2003 die Spezifikation 1.0. Diese beschreibt detailliert die Voraussetzungen für die einwandfreie Spannungsversorgung von Balanced-Technology-Extended-Systemen in den Größenformaten 10 bis 15 Liter.
Im Vergleich zum herkömmlichen ATX- unterscheidet sich das CFX12V-Netzteil in der Steckerausstattung. So besitzt der verpolungssichere Stromstecker statt bisher 20 jetzt 24 Anschlüsse. Um den hohen Leistungsbedarf von PCI-Express-Steckkarten von bis zu 75 Watt decken zu können, besitzt CFX12V je eine zusätzliche 12-V-, 5-V-, 3,3-V- und eine Masseleitung. Darüber hinaus verfügt das Netzteil bereits über Serial-ATA-Stromstecker.
Die maximal zulässige Leistungsaufnahme beträgt laut Spezifikation 275 Watt. Aber die CFX12V-Spezifikation überlässt es explizit den Entwicklern, auch Netzteile mit höherer Leistungsaufnahme für großvolumige Tower-Gehäuse zu entwickeln.
Update: BTX-Gehäuse
Der BTX-Formfaktor verlangt von den Gehäuseherstellern ein Umdenken. Hatten sie beim ATX-Gehäuse noch relativ viel Freiheit für eigenwillige Designs, müssen sie sich jetzt den vorgeschriebenen Restriktionen der BTX-Spezifikation unterwerfen. Denn die Anordnung der Kühlung und der Systemkomponenten ist für eine optimale Kühlleistung des Rechners entscheidend.
Mit der Einführung des BTX-Standards haben die ATX-Gehäuse ausgedient. Um eine optimale Kühlung der Systemkomponenten in einem BTX-System zu gewährleisten, muss das Gehäuse die BTX-Spezifikationen erfüllen. Aber nicht nur das Innere eines BTX-Gehäuses hat sich verändert, sondern auch die Gehäusefront und die hintere Anschlussleiste entsprechen nicht mehr dem herkömmlichen ATX-Standard.
Fazit
Der BTX-Formfaktor bietet gegenüber ATX entscheidende Vorteile. Mit dem neu entwickelten Thermal-Modul verfügt er über ein einheitliches Kühlsystem für CPU und Chipsatz, das genügend Entwicklungspotenzial für zukünftige Komponenten mit höherem Leistungsbedarf zur Verfügung stellt. Auch die Wärmeentwicklung leistungshungriger PCI-Express-Grafikkarten berücksichtigen die BTX-Spezifikationen.
Aber BTX versucht nicht nur die thermische Entwicklung in einem Rechnersystem zu regeln, sondern gleichzeitig die Lautstärke so weit wie möglich zu reduzieren. Ein Thermal-Modul, das einen gelenkten Luftstrom erzeugt und die Hotspots in einem PC-System kühlt, löst das Problem. Denn es ist nur ein zentraler lautstärkereduzierter Lüfter notwendig, um die Temperatur des Systems zu regulieren. Weitere störende Lüfter sind überflüssig.
Das skalierbare Design des BTX-Standards bringt besonders den Systemintegratoren weitere Vorteile. Sie können je nach Marktlage zeit- und kosteneffektiv reagieren, wenn Micro- statt Standard-BTX-Formfaktoren gefragt sind.
Mit der Einführung des BTX-Standards sind neue Systemkomponenten wie Mainboard, Netzteil, Gehäuse und ein entsprechendes Thermal-Modul notwendig. Die bisherigen ATX-Bauteile sind nicht mehr nutzbar. Zusätzlich verursachen die noch geringen Stückzahlen der BTX-Komponenten in der Einführungsphase hohe Kosten.
BTX soll bereits Mitte 2004 auf den Markt kommen, doch bis sich der neue Standard etabliert, werden sicherlich noch einige Monate vergehen. Die BTX- und CFX12V-Spezifikationen finden Sie auf der formfactors.org-Webseite. (hal)