Abwärme bekämpft man am besten, indem man sie gar nicht erst entstehen lässt Weniger Abwärme mit Intels Atom

Die Steigerung der x86-Prozessorleistung in den letzten Jahren hatte einen entscheidenden Nachteil: Mit zunehmenden Taktfrequenzen stieg auch die abzuführende Verlustleistung, die in Form von Wärme irgendwo hin muss. Doch die neue Intel-Atom-Prozessorfamilie...

Abwärme bekämpft man am besten, indem man sie gar nicht erst entstehen lässt

Die Steigerung der x86-Prozessorleistung in den letzten Jahren hatte einen entscheidenden Nachteil: Mit zunehmenden Taktfrequenzen stieg auch die abzuführende Verlustleistung, die in Form von Wärme irgendwo hin muss. Doch die neue Intel-Atom-Prozessorfamilie eröffnet neue Möglichkeiten bei der Entwicklung portabler und trotzdem x86-kompatibler Geräte.

COM-Express-Module haben sich in vielen Anwendungen als sehr erfolgreich erwiesen, bei denen die Vorteile des modularen Konzepts zum Tragen kommen. Bisher waren x86-Prozessoren nicht gerade Musterschüler im Stromsparen – dies ist eher die Domäne anderer Architekturen wie PowerPC, ARM, Mips u.a. Doch mit dem Erscheinen neuer x86-Prozessoren und -Chipsätze lassen sich die neuesten Modulgenerationen auch in tragbaren und energiesparenden Geräten verwenden. Als Konsequenz können Anwender und Entwickler von der riesigen Menge existierender x86-Software profitieren, ohne in Bezug auf Tragbarkeit oder Akku-Laufzeit ihres Designs Abstriche machen zu müssen. Ein willkommener Nebeneffekt, auf den dieser Artikel genauer eingeht, besteht darin, dass die erreichten Energieeinsparungen sich auch in reduzierter Verlustleistung niederschlagen, wodurch das Wärmemanagement erleichtert wird.

Die Verlustleistung wird mit steigenden Leistungsanforderungen und den damit steigenden Taktfrequenzen zu einem immer wichtigeren Faktor. Mehrere Methoden wurden zur Überwindung dieses Problems ausprobiert, u.a. die Nutzung mehrerer Prozessorkerne in einem einzigen Gehäuse. Diese Ansätze sind in vielen Applikationen erfolgreich – dennoch bleibt die Herausforderung, eine recht große Menge Wärme von diesen Geräten abzuführen.

Es hat sich herausgestellt, dass der COM-Express-Standard in vielen Applikationen sehr erfolgreich ist. Er hat allerdings den Nachteil, für echte tragbare Geräte zu groß zu sein – und in manchen Fällen auch zu leistungsstark. Die Hersteller haben verschiedene Methoden zur Lösung dieses Problems vorgeschlagen, wobei der gemeinsame Nenner im Beibehalten aller wichtigen Bestandteile von COM Express besteht, wie Pinout, Anschlüsse, Position der Anschüsse und Befestigung. Einige Hersteller bieten außerdem einen Adapter, der ein kleineres Modul an eine Befestigung anpasst, die die COM-Express-Spezifikation erfüllt

Das Grundproblem: Wärme

Das Mooresche Gesetz sagt aus, dass die Transistordichte integrierter Schaltkreise sich seit ihrer Erfindung alle zwei Jahre verdoppelt. Dies hat enorme Fortschritte hinsichtlich Funktionalität und Mobilität ermöglicht, bedeutet aber zugleich, dass der Energieverbrauch auf einem Chip mit höheren Taktfrequenzen zur Erreichung noch größerer Leistungsgewinne steigt. Mit der Integration von mehr Transistoren auf einer kleineren Fläche steigt die Leistungsdichte ebenfalls. Infolgedessen muss mehr Hitze von einem kleineren Raum abgeführt werden, was Probleme aufwirft, deren Lösung Geräteentwicklern viel Mühe bereitet:

  • Wenn ein Elektrogerät permanent bei erhöhter Temperatur betrieben wird, reduziert sich dadurch die effektive Lebensdauer des Geräts.
  • Wenn die Temperatur über einen bestimmten Grenzwert steigt, kann dies eine Betriebsunterbrechung oder den Ausfall eine Komponente verursachen.
  • Noch schlimmer: Eine Überschreitung der Temperaturgrenzwerte kann zu unberechenbarem Verhalten des betroffenen Geräts führen, verursacht durch Probleme wie fehlerhafte Berechnungen oder Fehler in Speicher oder Display. Diese Effekte können zu unvorhersagbarem Verhalten der Applikation führen, was noch schwerwiegender als ein kompletter Ausfall sein kann.
  • Überhöhte Temperaturen können Komponenten dauerhaft beschädigen.

Der Atom-Prozessor und der US15W-Chip reduzieren die abzuführende Wärme beträchtlich und stellen dabei immer noch eine ausgezeichnete Leistung pro Watt bereit. Das RadiSys-Modul Procelerant CE Z500 (Bild 3), dessen Pinout mit COM-Express Typ 2 kompatibel ist, verbraucht weniger als 10 W. Dieses Modul kann als Basis für Embedded-Designs genutzt werden, da es die wesentlichen Funktionen zum Bau eines Computers enthält, so dass Entwickler von tragbaren Geräten die gesamten Anforderungen an die Wärmeableitung über das Gehäuse erfüllen können, ohne Temperaturgrenzwerte zu überschreiten. Viele andere Geräte – sowohl tragbare als auch stationäre – können jetzt ebenfalls von den Vorteilen des modularen Designs profitieren und den völlig lüfterlosen Betrieb nutzen, was eine Abschottung von äußeren Umgebungseinflüssen ermöglicht und damit eine Lösung für die Probleme darstellt, die vorhergehenden x86-Generationen Schwierigkeiten bereitet haben.

In Bezug auf Entwicklung und Einsatz bietet die x86-Architektur den Vorteil, dass Geräte mit bekannten Betriebssystemen und Applikationen laufen können. Der normale, auf einem Desktop- oder Laptop-PC laufende Client benötigt keine Portierung mehr, sondern läuft einfach auf dem tragbaren, über ein kabelgebundenes oder kabelloses Netzwerk angebundenen Gerät. Dies eröffnet völlig neue Möglichkeiten für Embedded-Geräte, die jetzt Vorteile wie auf hohe Haltbarkeit und lange Verfügbarkeit zielendes Design ohne Änderungen realisieren können und dadurch Entwicklern die Verwendung kommerzieller Komponenten ersparen, die nur wenige Monate einsatzfähig sind. Für den Kunden bedeuten langfristiger Support und lange Verfügbarkeit von Ersatzkomponenten letztlich eine Senkung der Gesamtkosten, wenn teure Redesigns durch die längere Lebensdauer einer Gerätegeneration entfallen können.