Neue Trends bei der Chipkühlung

Wärmeerzeuger

Bewegte Elektronen erzeugen mit jeder Signalflanke Wärme durch innere Reibung und Zusammenstöße. Je mehr Gatter im Chip schalten und je höher der Takt, desto höher ist auch die Verlustleistung. Gleichzeitig müssen die Halbleiterhersteller aber die Transistoren in den Chips immer enger packen, um die Signallaufzeiten auf den Interconnects niedrig zu halten. Dies führt zu immer höherer Wärmeabgabe auf einer immer kleineren Fläche.

Aber nicht nur dynamische Vorgänge erzeugen Wärme im Chip. Inzwischen überwinden die Elektronen die extrem dünnen Halbleiter-Isolierschichten. Das erzeugt Leckströme, die bis zu zehn Prozent der Chipleistung verbrauchen. Ungenutzte Einheiten in den Chips lassen sich dadurch auch nicht mehr effektiv abschalten. Bei einem Prozessor der Itanium-Klasse entstehen beispielsweise mehr als zehn Watt Verlustleistung durch Leckströme.

Die leistungsfähigsten Chips erzeugen auch die höchsten Wärme-Verlustleistungen. Aktuelle Itanium-Chips produzieren etwa 130 Watt Verlustleistung aus etwa 410 Millionen Transistoren (Pentium 4 etwa 82 Watt aus 60 Millionen Transistoren - beim Northwood-Core mit 3,0 GHz) auf der Fläche einer Briefmarke. IBMs PowerPC-Prozessoren erzeugen aufgrund einer anderen internen Architektur mit weniger Gattern eine vergleichbare Prozessorleistung - und das bei erheblich niedrigeren Taktraten. Damit ist aber das Problem nur zeitlich verschoben, denn bei der stetigen Zunahme der Leistungsanforderungen werden auch PowerPC-Prozessoren in Zukunft höher takten müssen.

Als weiter Wärmequelle sind bei PCs in den letzten Jahren Grafikkarten hinzugekommen. Neueste Grafikchips im PC erzeugen über 50 Watt Verlustleistung. Somit benötigen sie extrem große Kühlkörper aus Kupfer oder Aluminium, ein mehr oder weniger lautstarkes Kühlgebläse und eigene Kühlluftkanäle von beachtlichen Ausmaßen.

Heizkraftwerke: Der zunehmende Energiebedarf von Intel-Prozessoren bis hin zum aktuellen Itanium.
Heizkraftwerke: Der zunehmende Energiebedarf von Intel-Prozessoren bis hin zum aktuellen Itanium.

Aber nicht nur Desktop-PCs stecken in der Kühlungsklemme, auch in IBM-Mainframes erzeugt die CPU mit etwa 3,2 Milliarden Transistoren (auf einem Multilayer-Chip mit 101 Ebenen) eine entsprechend hohe Verlustleistung, die abgeführt werden will.