Computer mit Metall-Kühlung
Damit die immer schnelleren Prozessoren nicht den Hitzetod sterben, greifen Entwickler jetzt auf eine Technologie zurück, die man eigentlich bislang eher aus der Kühlung von Atomreaktoren kennt: Flüssiges Metall.
- Simon Burns
Das Moore'sche Gesetz, jene berühmte Regel des Intel-Mitbegründers Gordon Moore, nach der sich die Komplexität von Mikroprozessoren mit der Zeit exponentiell erhöht, ohne dass die Kosten steigen, trifft bereits seit 40 Jahren zu - mit wenigen Ausnahmen. Doch mit der Komplexität, der Anzahl an verwendeten Schaltkreise, ergibt sich auch ein Problem: Die Abwärme.
Je mehr Komponenten auf einem Chip sitzen, desto mehr Elektrizität wird benötigt. Der größte Teil davon wird in thermische Energie gewandelt, so dass sich die Prozessoren der neuesten Generation ohne weiteres auf mehr als 100 Grad Celsius erwärmen, wenn sie nicht korrekt gekühlt werden.
Das Problem ist derart ernst, dass Intel im vergangenen Jahr ein neues High-Speed-CPU-Projekt unter anderem deshalb einstampfte, weil die Forscher der Firma keinen praktikablen Weg fanden, die Chips vernünftig herunterzukühlen. Zu heiße Chips arbeiten unzuverlässig, was zu Abstürzen, Dateiverlusten und Grafikproblemen führen kann - im schlimmsten Fall ergeben sich bleibende Schäden.
"Es gibt eine hohe Nachfrage nach kompakten, kostengünstigen Kühlsystemen", sagt Suresh V. Garimella, Direktor des Cooling Technologies Research Center an der Purdue University in Indiana. Laut Garimella erreichen die Lüfter, mit denen PCs traditionell gekühlt werden, inzwischen ihre Grenzen.
Eine mögliche Lösung des Problems kennt man eigentlich bislang eher aus der Kühlung von Atomreaktoren: Flüssiges Metall. Die neue Technologie nutzt eine spezielle Mischung aus Metallen, die auch bei Raumtemperatur flüssig bleiben. Zu den führenden Firmen auf diesem Gebiet gehört NanoCoolers aus Austin, Texas. Derzeit setzt man dort eine Mixtur aus Gallium und Indium (plus etwas Zinn) ein, die bei Temperaturen über sieben Grad flüssig bleibt. Produktmanager Mick Wilcox verspricht sich von einer neuen Formel sogar ein Metall, dass noch bis minus zehn Grad fließt. "Diese Technik gehört zu einer ganzen Anzahl neuer und viel versprechender Kühlungslösungen, die in letzter Zeit vorgeschlagen werden", meint Uni-Experte Garimella.
Das flüssige Metall fließt in einer Schleife um den PC oder eine Grafikkarte. Dabei nimmt es die Hitze von der Oberseite eines Chips auf. Anschließend wird die Flüssigkeit durch Leitungen zu einem Radiator gepumpt, über den normalerweise ein Lüfter bläst. Dabei wird die Hitze dann an die Umgebungsluft abgegeben. Anschließend zirkuliert die heruntergekühlte Flüssigkeit zurück zum Chip.
Die Pumpe, die das flüssige Metall durch das System drückt, ist einer der Hauptvorteile des Systems: Sie nutzt reinen Elektromagnetismus, um das flüssige Metall durch das System zu bewegen. Dabei werden keine beweglichen Teile benötigt - im Gegensatz zur Konkurrenztechnik Wasserkühlung. Außerdem bleibt ein solches System sehr leise und benötigt wenig Energie. In einem NanoCoolers-Patentantrag schlägt die Firma sogar vor, die Pumpe allein mit der Abwärme des Computers zu betreiben. Das flüssige Metall ist dabei nicht giftig - allerdings führt es bei manchen anderen Metallen zu Korrosion. Das gilt laut Produktmanager Wilcox vor allem für Aluminium.
Das Interessante an flüssigem Metall ist seine exzellente Wärmeleitfähigkeit. Laut Sapphire Technology, einem Unternehmen, das die NanoCoolers-Technik für eine PC-Grafikkarte verwendet, leitet es Wärme bis zu 65 Mal besser als Wasser ab. Ein Lüfter soll sogar 1600 Mal ineffizienter sein.
Flüssiges Metall nimmt Hitze schneller auf und kühlt dadurch auch schneller. Aus diesem Grund wird es auch als das ultimative Kühlmittel in Atomreaktoren verwendet - dort kommt flüssiges Natrium oder Kalium zum Einsatz. Bei der Herstellung hochwertiger Maschinenteile, beispielsweise den Flügeln von Gasturbinen, kühlt man die Komponenten mit geschmolzenem Aluminium auf 660 Grad herunter, um Defekte zu vermeiden.
Computer mit Metall-Kühlung
"Flüssige Metalle besitzen sicher noch größere Kühlungsmöglichkeiten", sagt Garimella. Ihre praktische Anwendung sei aber schwierig: "Das hat viel damit zu tun, wie die Technik eingesetzt wird und welchen Temperaturwiderstand man kontrollieren will." Tatsächlich liegt das Hauptproblem auch im PC-Bereich bei der Implementierung: So meint etwa ein Konkurrent von Sapphire Technology, dass die Verwendung der Flüssigmetallkühlung mehr mit Marketing als mit Praktikabilität zu tun habe. Lester Lau, Sprecher des Wettbewerbers Abit Computer aus Taiwan, glaubt nicht daran, dass die Technologie bereits marktreif ist: "Wegen der höheren Kosten, der Größe und dem Gewicht der Kühlung." Der Marketingwert sei zwar groß, doch die Nachteile überwögen derzeit noch.
Der Industrieexperte Monem Alyaser, Direktor beim Consultingunternehmen Applied Thermal Technologies in Santa Clara, hält die Wasserkühlung für einen besseren nächsten Schritt für die PC-Industrie, weil sie sich in der Praxis bewährt habe: "Sie wird eingesetzt, seit es Motorkühler gibt." Alyasers Firma half bei der Gestaltung des Thermal-Designs von Microsofts Xbox 360 sowie Apples Titanium-PowerBook. Mick Wilcox von NanoCoolers widerspricht: Flüssiges Metall habe deutliche Vorteile gegenüber einer Wasserkühlung. Dazu gehöre die leisere und verlässlichere elektromagnetische Pumpe und die Tatsache, dass das Metall bessere Kühlungseigenschaften habe.
Derzeit nutzen die meisten PC-Produkte noch traditionelle Lüfter. Vor allem Bastler kaufen sich Wasserkühlungskits. In Tests mit einem Laptop sei die NanoCooler-Technologie ungefähr 30 Prozent effizienter als eine Heat Pipe-Luftkühlung und 5 Prozent besser als eine Wasserkühlung gewesen, so Wilcox. Solche Zahlen wirken enttäuschend - das Problem sei aber, so Wilcox, die Wärme aus dem flüssigen Metall abzuleiten, bevor es zurück zum Chip zirkuliert. Das bedeutet letztlich, dass man einen Radiator oder einen Lüfter braucht, um die Wärmeenergie in die Atmosphäre abzugeben. Und genau das wird bei Wasser- und Luftkühlung ebenfalls getan.
NanoCoolers testet deshalb auch andere Kühlungstechnologien: Etwa sehr dichte Dünnfilm-Variante traditioneller Thermo-Elektro-Komponenten, die in verschiedenen Endkundenprodukten zum Einsatz kommen können. Beim Grafikkartenhersteller Sapphire verspricht man unterdessen, dass die ersten mit Flüssigmetallkühlung ausgestatteten Blizzard-Grafikkarten noch diesen Sommer an Journalisten gehen, damit sie in der Praxis getestet werden können.
Von Simon Burns; Übersetzung: Ben Schwan (wst)
