Metallgekühlte Computer

In vielerlei Hinsicht gilt das Mooresche Gesetz – die berühmte Vorhersage von Gordon Moore, Mitbegründer des Chipherstellers Intel, dass die Komplexität von Mikroprozessoren ohne Preiserhöhung exponentiell zunehmen wird – seit vier Jahrzehnten Bestand. Aber diese Komplexität hat einen versteckten Preis: Wärme.

Das Packen von immer mehr Komponenten und Schaltungen auf einen Chip erfordert mehr elektrische Leistung, um ihn zu betreiben. Und der größte Teil dieser Energie wird in Wärme umgewandelt, sodass die neuesten Chips schnell 100 Grad Celsius überschreiten können, wenn sie nicht richtig gekühlt werden.

Das Problem wird so gravierend, dass Intel im vergangenen Jahr ein Hochgeschwindigkeits-CPU-Projekt abgesagt hat, auch weil es keine praktikable Möglichkeit fand, die stromfressenden Chips zu kühlen (siehe beiliegendes Notebook). Überhitzte Chips funktionieren nicht zuverlässig, was möglicherweise zu Computerabstürzen, verstümmelten Dateien, Grafikfehlern und sogar dauerhaften Schäden führt.



Es besteht eine große Nachfrage nach kompakten, kostengünstigen Kühllösungen, sagt Suresh V. Garimella, Direktor des Cooling Technologies Research Center an der Purdue University in Indiana. Ihm zufolge stoßen die traditionell zur Kühlung von PCs verwendeten Lüfter an ihre Grenzen.

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Eine mögliche Lösung für dieses wachsende Problem wird häufiger mit Kernreaktoren in Verbindung gebracht: Flüssigmetallkühlung. Angeführt von NanoCoolers, einem Startup in Austin, TX, nutzt die Technologie eine ungewöhnliche Metallverbindung, die bei Raumtemperatur flüssig bleibt. Derzeit fliesst ihre Mischung aus Gallium und Indium (und einer Prise Zinn) bei Temperaturen über 7 Grad C frei. Und eine neue Formel könnte laut Produktmanager Mick Wilcox bis zu minus 10 Grad C gehen.

Diese Technologie ist eine von vielen neuen und vielversprechenden Kühllösungen, die in letzter Zeit vorgeschlagen und verfolgt werden, sagt Garimella.

Das flüssige Metall fließt in einer Schleife um einen PC oder eine Grafikkarte. Erstens nimmt es Wärme von der Oberseite des erhitzten Chips auf. Dann wird die Flüssigkeit durch Rohre zu einem Heizkörper gepumpt (normalerweise mit einem darauf geblasenen Ventilator), wo die Wärme an die Luft abgegeben wird. Schließlich zirkuliert die abgekühlte Flüssigkeit zurück zum Chip.

Die Pumpe, die das flüssige Metall im System bewegt, ist einer der Hauptvorteile der Erfindung gegenüber einer konkurrierenden Technologie, der Wasserkühlung. Die Pumpe nutzt die metallische Beschaffenheit des Kühlmittels und drückt die Flüssigkeit elektromagnetisch umher. Im Gegensatz zur Wasserkühlung benötigt der Prozess keine beweglichen Teile, verbraucht wenig Strom und ist geräuschlos. In einer Patentanmeldung schlägt NanoCoolers sogar vor, die Pumpe allein aus der Abwärme des Computers zu betreiben. Während die flüssige Metallverbindung laut Wilcox ungiftig ist, ist sie gegenüber einigen Metallen, insbesondere Aluminium, korrosiv.

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Die Anziehungskraft von Flüssigmetall selbst ist seine ausgezeichnete Wärmeleitung. Laut Sapphire Technology, die die NanoCoolers-Erfindung für eine PC-Grafikkarte übernommen hat, ist sie 65-mal wärmeleitfähiger als Wasser – und 1.600-mal besser als Luftkühlung.

Kurz gesagt, flüssiges Metall ist in der Lage, Wärme schneller aufzunehmen und somit Späne schneller abzukühlen. Diese Eigenschaft hat dazu geführt, dass es in einigen Kernreaktoren, die mit flüssigem Natrium oder Kalium gekühlt werden, als Endkühlmittel verwendet wird, sowie bei der Herstellung hochwertiger Maschinenkomponenten wie Gasturbinenschaufeln, bei denen die Komponenten schnell abgekühlt werden bis 660 C mit geschmolzenem Aluminium, um die Bildung von Defekten zu verhindern.

[Flüssige Metalle] könnten sicherlich höhere Kühlkapazitäten bieten, sagt Garimella. Was ihre praktischen Anwendungen angeht, ist er jedoch vorsichtiger: [Es ist] sehr abhängig von ihrer Implementierung und dem kontrollierenden thermischen Widerstand im Gehäuse.

Tatsächlich bleibt die Frage, ob Schwierigkeiten bei der Implementierung diese neue Technologie daran hindern werden, eine praktikable Kühllösung für den PC zu werden. Ein Wettbewerber glaubt, dass der Einsatz der Flüssigmetalltechnologie durch Sapphire Technology mehr mit Marketing zu tun hat. Aufgrund der gestiegenen Kosten, Größe und des Gewichts des Kühlers glauben wir nicht, dass diese Technologie marktreif ist, sagt Lester Lau, Sprecher des konkurrierenden Grafikkartenherstellers Abit Computer aus Taiwan. Der Marketingwert ist faszinierend, aber die Nachteile scheinen derzeit die Vorteile zu überwiegen.

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Auch ein Branchenkenner ist skeptisch. Es ist ein großer Sprung, so viele neue Komponenten einzuführen, die sich nicht bewährt haben, sagt Monem Alyaser, Direktor von Applied Thermal Technologies, einem in Santa Clara ansässigen Ingenieurbüro, das beim thermischen Design für Microsofts Xbox 360 und das Apple Powerbook Titanium geholfen hat. Alyaser glaubt, dass die Wasserkühlung der bessere nächste Schritt für die PC-Industrie wäre, weil sie sich bewährt hat (sie gibt es schon so lange, wie es Kühler in Autos gibt).

Mick Wilcox von NanoCoolers kontert, dass Flüssigmetall gegenüber Wasserkühlung erhebliche Vorteile hat, darunter seine leisere und zuverlässigere elektromagnetische Pumpe sowie die Tatsache, dass es die gleiche oder eine bessere Kühlfähigkeit hat.

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Derzeit verwenden fast alle Produkte auf dem PC-Markt eine Luftkühlung. Im Gegensatz dazu ist die Wasserkühlung auf Kits für Enthusiasten beschränkt. In Tests mit einem Laptop sagt Wilcox, dass die Technologie von NanoCooler etwa dreißig Prozent effektiver ist als ein Heatpipe-Luftkühlsystem und fünf Prozent besser als eine Wasserkühlung.

Allerdings sind diese Werte aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit von Flüssigmetall deutlich niedriger als erwartet. Das Problem, sagt Wilcox, besteht darin, die Wärme aus dem flüssigen Metall herauszuholen, bevor es zurück zum Chip zirkuliert. Letztendlich bedeutet dies, dass die Wärmeenergie mithilfe eines Kühlers oder Lüfters an die umgebende Atmosphäre abgegeben wird, die gleiche Methode, die in Wasser- und Luftkühlsystemen verwendet wird.

Tatsächlich konzentriert NanoCoolers seine Ressourcen auch auf andere Kühltechnologien, insbesondere auf eine Dünnschichtversion mit hoher Dichte der traditionellen Thermoelektrik, die in einer Vielzahl von Verbraucherprodukten verwendet werden kann.

Der Grafikchiphersteller Sapphire sagt, dass er diesen Sommer seine metall-flüssigkeitsgekühlte Blizzard-Grafikkarte an die Rezensenten von Zeitschriften und Online-Publikationen senden wird – die erste öffentliche Demonstration der metallgekühlten Technologie in einem PC.

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