"Plötzlicher Pentium-4-Tod" durch Übertakten

Mehrere Hardware-Webseiten berichten, dass Intel-Pentium-4-Prozessoren durch dauerhaften Betrieb mit überhöhter Versorgungsspannung ausfallen.

Seit Intel den Pentium 4 mit Northwood-Kern herausgebracht hat, erfreut sich dieser Prozessor großer Beliebtheit bei Übertaktern. Zwar ist der interne Multiplikator bei Intel-Prozessoren schon seit Jahren unveränderlich. Doch durch eine Steigerung der Front-Side-Bus-Taktfrequenz lässt sich der Pentium 4 leicht auf höhere Frequenzen bringen. Vor allem der Betrieb bestimmter Versionen mit FSB400-Schnittstelle mit FSB533 funktioniert häufig vergleichsweise problemlos. So lässt sich die Taktfrequenz um ein Drittel steigern.

Damit die eigentlich nicht für diese Betriebsfrequenz vorgesehenen Pentium-4-Modelle stabil laufen, sind eine leistungsfähigere (Wasser-)Kühlung und eine Steigerung der Versorgungsspannung (Core Voltage, Kernspannung) hilfreich.

Doch es scheint eine Häufung von CPU-Ausfällen durch dauerhaft überhöhte Kernspannungen zu geben. Weil der Pentium 4 eine eingebaute Taktdrosselung bei Überwärmung besitzt, sind spontane Ausfälle durch Überhitzung unwahrscheinlich. Unter Umständen ist für den "Plötzlichen Prozessortod" (Sudden Northwood Death Syndrome, SNDS) das Phänomen Elektromigration verantworlich, über das c't in der Vergangenheit bereits berichtete.

Als Elektromigration bezeichnen Forscher den Effekt, dass der Stromfluss in einem elektrischen Leiter zur Wanderung einiger Moleküle führt. Bei großen Kabeln fällt das nicht ins Gewicht, bei den winzigen Strukturen der Leiterbahnen in Halbleiterchips aber schon. Ausgewaschene Moleküle führen zu Fehlstellen, sodass sich an diesen Stellen der Leiterwiderstand und die Stromflussdichte erhöhen. Das wiederum verstärkt den Effekt der Elektromigration, bis zum Schluss der Leiter unterbrochen ist -- die Schaltung fällt aus.

Umgekehrt kann Elektromigration auch Kurzschlüsse zwischen eng benachbarten Leiterbahnen hervorrufen, wenn sich die anderswo abtransportierten Moleküle an einer Stelle anlagern. Sie bilden dort einen Vorsprung, an dem je nach Spannungsgefälle hohe elektrische Feldstärken auftreten. Das wiederum beschleunigt die Anlagerung weiterer Moleküle, bis irgendwann eine Brücke zu einem anderen Leiter entsteht; auch dann fällt der Schaltkreis aus.

Intel hat in der Vergangenheit Entwickler über Elektromigration informiert und erforscht gemeinsam mit Hochschulen diesen Effekt, der prinzipiell alle Halbleiterchips betrifft und in Zuverlässigkeitsberechnungen berücksichtigt wird.

Es ist bekannt, dass manche Metalle anfälliger sind für Elektromigration als andere; das ist einer der Gründe für den Einsatz von Kupfer (statt Aluminium) in modernen Chips. Wie schon erwähnt, steigern hohe Stromflussdichten die Wahrscheinlichkeit von Schäden -- je feiner eine Leiterstruktur aber ist, umso größer wird bei gleicher Stromstärke die Flussdichte. Möglichst "glatte" Leiterformen sollen ebenfalls der Elektromigration entgegenwirken.

Eine weitere Maßnahme ist die von Intel bereits mit den ersten 0,13-µm-Prozessoren eingeführte adaptive Spannungsregelung. Schon bei den Tualatins und eben auch bei den Northwoods senken die Kernspannungsregler auf dem Mainboard mit steigendem Strom die Versorgungsspannung. Das mindert nicht nur die maximale Leistungsaufnahme, sondern senkt auch die Stromflussdichte.

Genau diese Sicherheitsmaßnahme hebeln Übertakter aus, wenn sie zum Erreichen hoher Frequenzen die Kernspannung von nominell 1,475 bis 1,55 Volt auf 1,85 Volt oder darüber anheben.

Außerdem werden die Prozessoren dann wesentlich wärmer. Und das Ausmaß der Elektromigration hängt auch von der Betriebstemperatur des Prozessors ab. Deshalb empfehlen sich für extreme Übertaktungsversuche Prozessorkühler mit Kältemittelverdampfer, wie sie die dänische Firma Asetek (Vapochill) oder Chip-Con (Prometeia) liefern. Im Jahre 1999 hatte KryoTech mit vergleichbaren Mitteln den AMD Athlon auf damals sensationelle 1 GHz gebracht, und es sollte einstmals auch Macintoshs mit 1200 MHz geben. (ciw)