Leiser rechnen

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Der nervige Rechnerlärm ist ein wichtiges Thema geworden. Viele Hersteller werben mittlerweile mit leisen und dennoch leistungsstarken Rechnern. Doch die Physik lässt sich nicht überlisten, und bei der Spezifikation des heute gängigen ATX-Formfaktors für PC-Gehäuse und -Komponenten hatten die Ingenieure nur wenig über Schallschutz nachgedacht: Im Vordergrund standen die gute Kühlung aller Komponenten und die Tauglichkeit für preiswerte Massenfertigung.

So kommt es, dass die Zusammenstellung eines möglichst leisen PC etwas Geschick und sorgfältige Planung erfordert. An den nötigen Komponenten scheitert es nicht: Zahlreiche PC-Händler und Hardware-Versender haben die Marktlücke erkannt und bieten vom leisen Lüfter bis zur kompletten Schallschutzhaube eine riesige Produktpalette für Flüsterrechner an.

Leider sind solche Silent-Bauteile meist deutlich teurer als die lärmende Massenware. Bei Kühlern etwa sind polierte Kupferoberflächen, präzise gelagerte Lüfter oder gar Heatpipes eben teurer als ungeschliffene Alu-Strangguss-Kühlkörper mit Billig-Ventilatoren.

Besonders schwierig und daher meist auch recht kostspielig ist es, einem schnellen Multimedia- und Spiele-PC mit ‘über-2-GHz’-Hauptprozessor und leistungsfähiger Grafikkarte Flüstermanieren beizubiegen. Einfacher ist die Aufgabe lösbar, wenn der Einsatzbereich des Rechners hauptsächlich im (Heim-) Büro liegt und daher die Ansprüche an CPU- und Grafikleistung geringer sind.

Ganz allgemein ist es komplizierter und teurer, einen vorhandenen Rechner leiser zu machen, als gleich beim Kauf auf die richtigen Bauteile zu achten. Manche Lösungen setzen auf die komplette Abkehr von ATX-Gehäuse und -Netzteil und kommen so ohne Lüfter aus. Diese Sondermodelle lassen sich aber kaum im Do-it-Yourself-Verfahren an der heimischen Werkbank nachbauen. Außerdem haben sie außer ihrem manchmal exorbitanten Preis den Nachteil, ähnlich wie Notebooks kaum aufrüstbar zu sein - Kühlvermögen, Platzangebot und Netzteil sind genau auf die werksseitig vorgesehenen Bauteile abgestimmt.

Weil in jedem Flüster-PC einige Kompromisse stecken, sollte man vor einer Kaufentscheidung die eigenen Ansprüche genau klären.

Das Geräuschempfinden ist bei Menschen individuell verschieden und hängt außerdem von weiteren Faktoren wie dem Umgebungslärm und der psychischen Verfassung ab. Für den Rechner im Großraum-Büro, wo ständig Kollegen kommen und gehen und Telefone läuten, gelten daher andere Maßstäbe als für die Multimedia-Zentrale im Landhaus-Wohnzimmer, die beim Dekodieren der Musikkonserven auch in leisen Passagen der Klaviersonate nicht stören darf.

Ein System mit geringerem Schalldruckpegel als 35 dBA, also weniger als einem Sone Lautheit (gemessen in 25 cm Abstand), kann man getrost in die Stereo-Anlage integrieren und wird es aus dem üblichen Hörabstand nicht mehr wahrnehmen.

Natürlich gehen in solche Abschätzungen immer auch die örtlichen Begebenheiten ein. Harte Fußböden (Parkett) reflektieren Schall besser als Teppiche, für kahle Wände gilt Entsprechendes. Selbst ein ausführlicher Hörtest im Computer-Fachgeschäft bewahrt also nicht davor, den Flüsterrechner dennoch im heimischen Arbeitszimmer als störend zu empfinden.

Menschen nehmen außerdem Geräuschveränderungen besser wahr als kontinuierlichen Schall; daher nervt das leisere, aber sich durch eine Regelung ständig ändernde Lüftergeräusch unter Umständen mehr als ein etwas lauteres, aber gleichmäßiges Rauschen.

Problem: Wärme

Die Wurzel allen Lärm-Übels ist Wärme: Weil Luft nur eine bescheidene Wärmekapazität hat und Wärme auch schlecht aufnimmt, benötigt man für ordentliche Kühlung eine ganze Menge davon. Je mehr elektrische Leistung die PC-Komponenten in Wärme umwandeln, umso mehr Luft müssen die Ventilatoren durch das ATX-Gehäuse schaufeln.

Als maximal zulässige Lufttemperatur in PC-Gehäusen haben Intel und AMD 40 °C festgelegt. Bis zu diesem Grenzwert müssen Prozessorkühler und Netzteile tadellos arbeiten; steigt die Innentemperatur weiter an, sollte das System entweder durch Drosselung der Prozessorleistung oder durch eine Notabschaltung reagieren.

Schon 40 °C Innen-Lufttemperatur können zu viel sein, wenn beispielsweise zwischen zwei eng übereinander montierten Festplatten ein Hitzestau auftritt. Auf Dauer hohe Betriebstemperaturen vermindern auch generell die Lebenserwartung vieler elektronischer Bauelemente. Das gilt besonders für Elektrolytkondensatoren, die etwa zur Glättung und Siebung der Versorgungsspannungen dienen. Bei ständig erhöhter Betriebstemperatur kann es schon nach wenigen tausend Stunden zu dauerhaften Schäden kommen, die beispielsweise zu instabilem Betrieb des PC führen können.

Für Übertakter ist es entscheidend, die PC-Innereien möglichst kühl zu halten: So lassen diese sich leichter mit überhöhten Frequenzen betreiben. Da dazu bei Luftkühlung ein noch höherer Durchsatz als für den Normalbetrieb nötig ist, scheinen der Wunsch nach Ruhe und das Interesse am Übertakten unvereinbar.

Einen Ausweg bietet die Verwendung anderer Kühlmethoden, die Abwärme schneller von der Quelle ableiten und nicht direkt an die Innenluft abgeben. Sehr beliebt ist bei Overclockern die Wasserkühlung, auch Heatpipes transportieren größere Mengen an Wärme. Der Vorteil liegt darin, dass man einen größeren Kühler verwenden kann, der mit langsam drehenden Ventilatoren auskommt und sich optimal platzieren lässt.

Die Montage der meisten Wasser- oder Heatpipe-Prozessorkühler ist aufwendiger als die eines normalen Luftkühlers; Heatpipes sind nur vorsichtig und nicht beliebig oft verbiegbar. Wasserkühlungen bringen das zwar geringe, aber bedrohliche Risiko eines Wasserlecks mit.

Unter dem Aspekt der Lärmdämmung bieten die teuren Heatpipes und die ebenfalls nicht billigen Wasserkühlungen [1] nur in wenigen Fällen (Overclocking) deutliche Vorteile. Selbst wenn die CPU-Kühlung ohne Lüfter gelingt, rauscht der Netzteillüfter ungebremst weiter. Und in jedem Falle muss man dafür sorgen, dass die Luft im PC-Gehäuse kühl genug bleibt, um die restlichen Komponenten vor Überhitzung zu schützen.

Luft-Zwang

Weil der ATX-Formfaktor nun einmal für Luftkühlung ausgelegt ist, bleibt eine möglichst leise Belüftung des Gehäuses und der diversen Kühlkörper der Königsweg zum Flüsterrechner. Es ist bei geschickter Auswahl aller Komponenten durchaus möglich, einen fast unhörbar leisen PC zusammenzustellen.

Dabei ist die Auswahl des Prozessors nicht von entscheidender Bedeutung. Auch wenn aktuelle Pentium-4-Modelle bei einer Taktfrequenz von 2,53 GHz über 60 Watt elektrische Leistung in Abwärme verwandeln können (AMD Athlon XP 2200+: maximal 68 Watt), benötigen sie diese Leistung nicht kontinuierlich. Im alltäglichen Desktop-Betrieb ergibt sich ein dynamisches Leistungsprofil, weshalb die mittlere Leistungsaufnahme deutlich unter den Maximalangaben der Hersteller liegt. Wenn also der Flüster-PC nicht gerade als Server unter Dauerlast rennt und die Innentemperaturen im Rahmen bleiben, lässt sich die Wärmequelle CPU recht leise kühlen.

Dafür ist es allerdings wichtig, dass das Mainboard-BIOS im Zusammenspiel mit dem Betriebssystem den Prozessor in Arbeitspausen (Idle Mode) in einen Strom sparenden und damit abwärmearmen Ruhezustand versetzt. Bei Pentium-III- und Pentium-4-Systemen ist dies in Verbindung mit aktuellen, ACPI-tauglichen Windows-Versionen oder Linux kein Problem. Bei Athlon-Mainboards geschieht dies aber nur selten, was indirekt auf einen Bug der Athlons zurückzuführen ist [2]. Mainboards wie das Fujitsu-Siemens D1289 bieten eine diesbezügliche BIOS-Option, die den Stromsparmodus einschaltet; Besitzer anderer Platinen finden unter dem Soft-Link entsprechende Software-Tools für Windows. Es kann bei deren Einsatz aber in seltenen Fällen zu Datenfehlern kommen, wenn man einen Athlon mit dem erwähnten Bug erwischt oder Chipsatz oder BIOS nicht mitspielen.

Es gibt eine reichhaltige Auswahl an zwar oft teuren, aber leisen und dennoch zuverlässigen CPU-Kühlern, die wir ab Seite 122 in c't 18/02vorstellen. Bei den anderen Computerbauteilen sollte man nur solche nehmen, die ohne Lüfter auskommen. Die auf Mainboards verbauten Chipsatzlüfter sind eigentlich völlig unnötig. Doch wenn der Hersteller statt eines ordentlich dimensionierten passiven Kühlkörpers einen kleineren mit Lüfter einsetzt, lässt sich dieser nicht so ohne weiteres tauschen. Wer auf Nummer sicher gehen will, wählt daher ein lüfterfreies Board.

Schwieriger fällt der Lüfterverzicht bei Grafikkarten, denn von den aktuellen Modellen kommen nur wenige ohne aus (siehe Tabelle in c't 18/02). Die winzigen Lüfter vieler 3D-Boliden drehen sehr hochtourig und sind entsprechend laut. Ihre kleinen Lager leiden unter der hohen Drehzahl und wegen der in Tower-Gehäusen ungünstigen Zugbelastung; daher steigert sich der Krach auch noch im Laufe der Zeit.

Die nachträgliche Umrüstung des Kühlers auf ein leiseres Modell gelingt nur in wenigen Ausnahmefällen, etwa mit einem explizit für eine bestimmte Karte empfohlenen Typen [3]. Ansonsten ist die Umrüstung in Eigenarbeit nicht zu empfehlen. Bei einigen Grafikkarten sind die Kühler mit den Grafikchips verklebt. Bei anderen Modellen mag es gelingen, den Kühler abzunehmen, doch die Beschaffung eines neuen scheitert oft daran, dass keiner mit dem passenden Bohrlochabstand zu bekommen ist. Jede Firma kocht hier ihr eigenes Süppchen.

Auch wenn ein mechanisch passender Ersatz zu beschaffen ist, lässt sich dessen Qualität nicht bewerten, weil Grafikchips keine zuverlässige integrierte Temperaturmessung bieten. Und selbst wenn diese vorhanden wäre, fehlen konkrete Spezifikationen für die maximale Betriebstemperatur der Grafikchips - zumindest rücken deren Hersteller sie nicht heraus. So bleiben alle Bastelarbeiten an Grafikkarten-Kühlern Flickwerk und führen außerdem zum Verlust der Hersteller-Gewährleistung.

Wenn die 3D-Grafikleistung des Flüster-Rechners nicht im Vordergrund steht und auch keine besonderen Grafik-Anschlussmöglichkeiten nötig sind, bieten sich Chipsätze mit eingebautem Grafikchip als Alternative an. Aktuelle Typen wie der Nvidia Nforce erreichen in etwa die Leistung eines GeForce2 MX200, Intels i845G liegt etwas dahinter. Ein PC mit einem hoch integrierten Mainboard mit Onboard-Grafik-, -Sound und -LAN-Adapter kommt im Idealfall ohne eine AGP- oder PCI-Steckkarte aus, lediglich Hauptprozessor samt Kühler, Speicher und die diversen Kabel stecken auf der Platine. So bleibt viel Raum für Kühlluft, die deshalb leichter durch das Gehäuse strömt.

Auch die von zahlreichen Anbietern verkauften Rundkabel für Disketten- und IDE-Laufwerke sollen den Luftstrom im Gehäuse weniger bremsen als die breiten Flachbandkabel. Ob sich die Ausgabe lohnt, hängt vom konkreten Einzelfall ab - bei nur wenigen Laufwerken in einem großen Gehäuse dürften sich die billigen Flachbandkabel sauber verlegen lassen. Die Rundkabel gibt es übrigens auch in Längen von mehr als 45 Zentimetern, was laut ATA-Spezifikation nicht zulässig ist. Unter Umständen handelt man sich damit Datenfehler oder Probleme mit dem DMA-Übertragungsmodus ein.

Stromquelle

Das ärgerlichste Hindernis auf dem Weg zum leisen Rechner ist der schlechte Wirkungsgrad der meisten Spannungswandler. Von diesen gibt es im gewöhnlichen Desktop-PC erstaunlich viele: Zunächst einmal stellt das ATX-Netzteil die sechs vorgeschriebenen Niederspannungen für Mainboard und Laufwerke bereit, wovon gewöhnlich +12, +5 und +3,3 Volt am stärksten belastet sind. Der Wirkungsgrad der unter hohem Kostendruck entwickelten PC-Netzteile bleibt bei der üblichen Belastung deutlich unter 70 Prozent [4].

Ähnliches gilt für die Spannungsregler des Mainboards, die die vom Netzteil erzeugten Kleinspannungen in die passende Versorgung für Hauptprozessor, Hauptspeicher und Grafikkarte umformen - hier treten nochmals hohe Verluste auf.

Leider gibt es zu diesen Lowcost-Stromschleudern zurzeit keine preislich attraktiven Alternativen. Wollte man etwa ein 300-Watt-ATX-Netzteil aus hoch effizienten, passiv gekühlten Gleichspannungswandlern für Industriegeräte nachbilden, kämen leicht über 1000 Euro zusammen. Schon die mit leisen Lüftern oder passiven Kühlern modifizierten Standardnetzteile kosten ein Mehrfaches der in Komplettgehäusen verbauten Billig-Gurken.

Von der Modifikation des Netzteillüfters im Eigenbau ist abzuraten: Nicht selten kommen Speziallüfter mit ungewöhnlichen Bohrlochabständen oder für besondere Betriebsspannungen zum Einsatz, für die sich kaum Ersatz finden lässt. Ob die Belüftung der Elektronik durch den eventuell leistungsschwächeren Austauschlüfter ausreicht, lässt sich bei Netzteilen kaum feststellen - im Extremfall führt das zu ‘explosiven’ Problemen. Wer es dennoch probieren will, hüte sich vor gefährlichen Spannungen der Netzteil-Kondensatoren, die noch lange nach dem Ausschalten geladen sein können.

Recht effizient sind die Spannungswandler in Notebooks. So ist es möglich, sogar einen Pentium 4 mit seinen über 50 Watt Spitzenleistung in einem entsprechend ausgelegten Mobilgerät sicher zu kühlen. Außerdem lassen sich alle Prozessoren bei drohender Überhitzung im Takt drosseln (Throttling); beim Pentium 4 ist eine solche Taktbremse bereits eingebaut.

Bei Prozessoren mit ihren mehreren Millionen Transistoren ändert sich die aktuelle Temperatur des Dies (also des Siliziumchips) innerhalb weniger Millisekunden; bei zu schwacher Kühlung drohen Abstürze unter Volllast oder durch lokale Überhitzung einzelner Recheneinheiten. Für sicheren Betrieb muss man die CPU-Kühlung daher überdimensionieren, also einen großen Kühler oder einen schnell drehenden Lüfter einsetzen. Oder man vermeidet bedrohliche Temperaturüberhöhungen durch kurzzeitiges Throttling, indem die Mainboard-Elektronik den Prozessortakt über das so genannte STPCLK#-Signal moduliert. Diese Regelung gelingt aber nur dann sicher, wenn die Die-Temperatur ausreichend schnell und genau messbar ist.

Die Fujitsu-Siemens-Mainboards der Premium-Linie besitzen dazu einen speziellen Mikrocontroller, andere Hersteller verwenden einfachere Lösungen, die aber nicht so detaillierte Einstellmöglichkeiten bieten. Oft lässt sich im BIOS-Setup eine Schaltschwelle für die CPU-Temperatur festlegen, bei deren Überschreitung das BIOS die Lüfterdrehzahl steigert. Ab einer gewissen Maximaltemperatur des Prozessors steuert das BIOS dann mit Throttling und im Extremfall mit einer Notabschaltung gegen. Bei Asus heißt das etwa CPU Overheat Protection, kurz C.O.P.

Im Throttling-Modus arbeitet der Prozessor natürlich entsprechend langsamer, doch bei ausreichend leistungsfähiger Kühlung tritt Throttling nur selten und kurzzeitig auf. Es ist dann beispielsweise beim Abspielen von Videodaten als Ruckler wahrnehmbar.

Eine solche intelligente Regelung mit Throttling eignet sich prinzipiell nicht für Systeme, die auf hohe Dauerleistung ausgelegt sind, also insbesondere Server. Hier muss die Kühlung dauernd mit voller Leistung arbeiten. Für den Dauerleistungs-Flüsterrechner müssen deshalb Kühler her, die unter Volllast leise sind.

"Flüsterleise PCs"
Weitere Artikel zum Thema "Flüsterleise PCs" finden Sie in der c't 18/02:

• Geräuscharme Komplettsysteme im Test , S. 116
• 24 leise Prozessorkühler für AMD und Intel, S. 122
  

Literatur

[1] Christof Windeck, Fließend Warmwasser, Wasserkühlung für den PC, c't 25/01, S. 90

[2] Christof Windeck, Aufwachprobleme, Athlon-Bugs verhindern Stromsparmodus, c't 18/01, S. 36

[3] Georg Schnurer, Sei still!, Aldi-PC: Vom Radaubruder zum Flüsterer, c't 9/02, S. 20

[4] Eckhard Steffens, Ernst Ahlers, Kompakte Kraftpakete, 18 ATX-Netzteile der 300-Watt-Klasse im Test, c't 13/02, S. 190

www.ct.de/0218108 (ciw)