Notebook 1x1: Wie konzipiert man eine effiziente Kühlung für Laptops?

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Immer schön cool bleiben. Die Konstruktion und Implementierung einer effizienten Kühlung erfordern viel Forschungsarbeit und eine angemessene Auswahl der Komponenten, ansonsten kann man nicht die volle Leistung der Bauteile ausnutzen. In diesem Grundlagenartikel sehen wir uns an, was bei der Konzipierung einer Kühlung beachtet werden muss und wie die Hersteller die Effizienz ihrer Lösungen testen. Als Beispiel dient uns dabei das Flagship-Gaming-Notebook von MSI, das GT76, dessen Prozessorkerne problemlos mit 5 GHz betrieben werden.
 
GT76
Die Kühlung sollte es dem Laptop erlauben, die maximale Leistung auch über einen längeren Zeitraum auszunutzen.
 

Einleitung

Das Problem dürfte einigen Usern bekannt sein: Man kauft sich einen dünnen, aber leistungsstarken Gaming-Laptop, der eigentlich problemlos mit allen Games zurechtkommen sollte. Nachdem man jedoch einige Zeit gespielt hat, bemerkt man einen Einbruch der Leistung und der Laptop wird extrem warm. Es sieht also so aus, als ob die technischen Daten in der echten Welt nicht standhalten, da die Kühlung mit den schnellen Komponenten überfordert ist.
 
Die Bedeutung von einer vernünftigen Kühlung kann nicht hoch genug eingeschätzt werden. Regelmäßige Leser von Notebookcheck-Artikeln wissen bereits, dass wir die Kühlung immer besonders unter die Lupe nehmen, gerade bei Geräten mit High-End-Komponenten, denn vor allem dort kommt es gerne zu Leistungsreduzierungen. Eine unzureichende Kühlung kann zu einem drastischen Leistungsverlust führen, also bezahlt man im Endeffekt Geld für Mehrleistung, die man in der Praxis allerdings nicht bekommt.
 
Doch wie kann man sich als potentieller Käufer am besten verhalten? Zunächst kann man sich ansehen, wie die Hersteller ihre Kühlungen verbauen. Im Vergleich zu Desktops ist der Spielraum bei mobilen Systemen deutlich eingeschränkter, die Hersteller müssen sich also oft innovative Lösungen ausdenken, um Komponenten wie einen Intel Core i9-9980HK und eine Nvidia GeForce RTX 2080 im Zaum zu halten.
 
In diesem Artikel sehen wir uns an, wie man eine effektive Kühlung konzipiert, inklusive der Auswahl der Materialien, den Testversuchen mit Prototypen und einigen der Verbesserungen, die die Hersteller in den letzten Jahren erzielt haben. Dazu sehen wir uns die Kühlung des MSI GT76 an, denn dort können alle acht Prozessorkerne mit 5 GHz betrieben werden.
 

Eine angemessene Kühlung konzipieren

Es ist sicherlich keine einfache Aufgabe, eine Kühlung zu entwerfen, mit der man die Wärmeentwicklung der wichtigsten Komponenten wie der CPU, GPU oder den Spannungsreglern (VRM) in den Griff bekommen will. Hier muss man viel testen und mehrere Faktoren berücksichtigen, um wirklich zu wissen, wie viel Hitze die Komponenten erzeugen und wie man diese in einem gewissen Laptop-Modell unterbringen kann.
 
Der Entwicklungsprozess für die Kühlung ist damit ein sehr wichtiger Teil der Forschungsabteilung. Hier hat jeder Hersteller natürlich seine eigenen Prozesse und Methoden, um die Leistungsfähigkeit der Kühlung zu verbessern, doch die grundlegenden Konzepte mit Kühlkörpern, Heat Pipes und Lüftern kommen bei allen Herstellern zum Zug.
 

Die Kühlung des MSI GP75 Leopard 9SD.

 

Die Kühlkette

Wir starten mit dem Beispiel des MSI GP75 Leopard, der sich mit seinem Intel Core i7-9750H und der NVIDIA GeForce GTX 1660 Ti sehr gut für das Gaming in 1080p (Full-HD) eignet. Auf dem Bild sieht man sehr schön, wie sich mehrere Heat Pipes aus Kupfer von den beiden Prozessoren in Richtung der Lüfter bewegen. Die Heat Pipes haben direkten Kontakt mit dem Kühlkörper (Thermal Block), der über die Wärmeleitpaste direkten Kontakt mit dem Prozessor bzw. der Grafikkarte hat. Der Wärmetransfer erfolgt also in dieser Reihenfolge: CPU/GPU > Wärmeleitpaste > Kühlkörper > Heat Pipes. Es geht darum, die Wärme der Chips so schnell und effizient wie möglich auf den Kühlkörper zu übertragen. Doch warum ist das so wichtig?
 

Das 2018er Apple MacBook Pro mit dem Core i9-8950HK bekam viel Aufmerksamkeit für die Leistungsreduzierung aufgrund von unzureichender Kühlung. (Quelle: Dave Lee auf YouTube)
 
Wir gehen jetzt nicht in die Details, aber jeder Prozessor (sei es CPU oder GPU) besitzt eine gewisse TDP-Einstufung (Thermal Design Power), die angibt, wie viel Wärme die Komponente typischerweise produziert. Die Chip-Lieferanten sind sich jedoch nicht ganz einig, wie man diesen Wert berechnet, also müssen die Laptop-Hersteller testen, ob die Komponenten in der gewünschten Gehäusegröße auch wirklich funktionieren. Wenn die Abwärme nicht schnell genug vom Chip wegtransportiert werden kann, muss der Prozessor seine Leistung zwangsweise drosseln, um Schäden durch zu hohe Temperaturen zu vermeiden. Ein gutes Beispiel für dieses Problem ist das 2018er Apple MacBook Pro 15, dessen Core-i9-Prozessor aufgrund der schwachen Kühlung anfangs noch nicht einmal seinen Basistakt aufrechterhalten konnte.

Zu viel Wärme bedeutet außerdem weniger Effizienz beim Taktzyklus und auch wenn der Prozessor die erforderliche Frequenz scheinbar erreicht, ist die Leistung insgesamt dennoch beeinträchtigt. Außerdem ist die Ausnutzung des Turbo-Potenzials deutlich eingeschränkt.

Ein typischer vs. CNC-polierter Kupferblock, der im MSI GT76 zum Einsatz kommt. (Bildquelle: MSI)
 
Es ist also wichtig, dass die entstehende Wärme des Chips so schnell und so effizient wie möglich abgeführt wird. Kupfer ist dank der guten Leitfähigkeit das beliebteste Material für den Kühlkörper. In den meisten Laptops hat dieser Körper allerdings eine raue Oberfläche, auf einem mikroskopischen Level gibt es also keinen vollständigen Kontakt mit der Wärmeleitpaste. Um dieses Problem zu umgehen und die Leitfähigkeit noch weiter zu steigern, verwenden leistungsstarke Gaming-Laptops wie das MSI GT76 eine CNC-polierte Kupferoberfläche, um die Kontaktfläche zu vergrößern und die Hitze des Prozessors damit effektiver abzuführen.

 

Wie funktionieren Heat Pipes?


Funktionsprinzip einer Heat Pipe/Wärmerohr (Quelle: Wikipedia)
 
Nachdem wir die Hitze nun vom Chip auf den Kühlkörper übertragen haben, müssen wir uns darum kümmern, die Wärme von der CPU/GPU weg zu transportieren. Das bringt un zu den Heat Pipes. Diese bestehen aus einer Sektion für die Verdampfung und einer Sektion für das Kondensieren (man spricht hier von einem zwei Phasen Wärmetauscher). In einer Heat Pipe absorbiert eine Flüssigkeit (normalerweise Wasser) die Wärme vom Kühlkörper und verdampft dann. Dieser Dampf wandert dann entlang des Hohlraums in einen Bereich mit niedrigerer Temperatur. Hier wird der Dampf wieder flüssig und dann durch die Kapillare (feiner, langgestreckter Hohlraum) wieder absorbiert und dank der Kapillarwirkung wieder an die ursprüngliche Position transportiert.
 

Schematische Darstellung Wärmetransfer. (Quelle: Calyos)

Als Beispiel haben wir noch ein zusätzliches Diagramm eingefügt. Wir sehen, dass die Flüssigkeit in den Heat Pipes erhitzt und zu Dampf wird, dann zur Wärmetauscher-Region kommt und dort wieder kondensiert. Den Schritt "Vaporization" im Diagramm kann man auf den Kühlkörper übertragen, über den wir zuvor gesprochen haben, während der Schritt "Heat Transfer" den Finnen eines Heatspreaders ähnelt, über die wir gleich noch sprechen werden. So wird die Hitze von dem Kühlkörper über die Heat Pipes zu dem Heatspreader transportiert, wo die Wärme dann letztendlich von den Lüftern abgeführt wird.
 

Querschnitt einer Heat Pipe aus Sintermetall (Quelle: Frosty Tech)

Heat Pipes werden normalerweise aus Kupfer oder Aluminium gefertigt und die Kapillarstruktur im Inneren ist entweder gefalzt, ein Drahtgeflecht, gesintert oder ein Faserstoff. Von diesen Möglichkeiten sind die gesinterten Rohre die teuerste Methode, dafür bieten sie aber auch einen exzellenten Wärmetransfer von den Kapillaren zu der Wand (und andersherum).
 
Die Kapillar-Struktur ist zwar ein wichtiges Kriterium für die Wahl der richtigen Heat Pipe, doch es gibt auch noch verschiedene andere Faktoren, die bei einer effizienten Heat-Pipe-Leistung eine Rolle spielen. Da hätten wir zunächst einmal die Anzahl, denn je mehr Heat Pipes vorhanden sind, desto besser funktioniert der Wärmeaustausch zwischen dem Kühlkörper und der Heat Pipe. Allerdings hängt die Anzahl der Heat Pipes von der Wärmeabgabe des Kühlkörpers und der vorhandenen Oberfläche ab.
 
Die Länge und der Durchmesser des Rohrs wirken sich direkt auf die Geschwindigkeit aus, mit der sich der Dampf innerhalb des Rohrs bewegen kann. Und je größer der Durchmesser ist, desto mehr Dampf kann transportiert werden. Die Heat Pipes dürfen jedoch auch nicht zu lang sein. Kürzere Heat Pipes können mehr Wärme transportieren als lange, und kürzere Rohre haben zudem höhere kapillare Limits – die Angabe, wie schnell die Flüssigkeit von der Kondensator-Sektion zur Verdampfungs-Sektion zurückkehren kann.
 

Das MSI GT76 besitzt eigene Heat Pipes für die CPU und GPU.
 
Bei vielen Laptops führen die Heat Pipes sowohl über die CPU als auch die GPU. Damit kann man die Kosten reduzieren, allerdings ist der Abschnitt zwischen der CPU und GPU im Vergleich kühler, was zu einer vorzeitigen Kondensierung führen und damit die Effizienz des Wärmetauschs beeinträchtigen kann. In High-End Gaming-Laptops wie dem MSI GT76 haben die beiden Komponenten daher jeweils ihre eigenen Heat Pipes und Lüfter.
 
Da es in Laptops nicht ausreichend Platz für zylindrische Heat Pipes gibt, müssen die Rohre zunächst flach gedrückt werden. Das macht die Sache nochmal komplexer, denn durch ein zu flaches Rohr kann der Fluss des Wassers eingeschränkt werden. Auch enge Kurven können ein Problem darstellen. Allerdings wissen wir, dass die Leistung nicht beeinträchtig wird, solange der Kurvenradius dem dreifachen des Rohrdurchmessers entspricht.

 

Je besser der Luftstrom, desto kühler ist der Laptop


Schematische Darstellung wie kühle Luft (Blau) in das Notebook eintritt und warme Luft (Rot) abgeführt wird. (Quelle: Inyes.org)
 
Die erfolgreiche Abfuhr der Wärme des Prozessors ist jedoch nur die halbe Miete. Die Wärme komplett aus dem Gehäuse abzuführen ist genauso anspruchsvoll. Hier kommen die Heatspreader und die Lüfter ins Spiel. Ganz einfach ausgedrückt erhöhen die Heatspreader die Oberfläche für die ankommende Wärme von den Heat Pipes, während die Lüfter diese Wärme dann mit angesaugter Frischluft aus dem Gehäuse befördern.
 

Ein typischer Laptop-Lüfter mit Kühlkörper, Heat Pipes und Heatspreader. (Quelle: Any PC Part (bearbeitet)
 
Die Auswahl der Lüfter und der Heat Pipes bedeutet jedoch nicht einfach nur die besten Komponenten aus dem Regal zu nehmen. Der Lüfter muss einen guten Kompromiss zwischen Anzahl der Flügel und dem Zwischenraum finden – zu viele Flügel in einem kleinen Raum bedeuten, dass nicht genügend Luft transportiert werden kann. Allerdings fällt die Effizienz auch mit wenigen Flügeln und viel Zwischenraum. Wie findet man also den besten Lüfter für die optimale Kühlung?
 

Der Heatspreader des MSI GT76 bietet mehr Oberfläche und zusätzliche Lüfter.
 
Hier kommt die Simulations-Software ins Spiel. Viele Hersteller setzen auf führende Software-Lösungen, die eine gute Prognose für den Luftstrom in einem vorhandenen Gehäuse geben können. Die Idee hierbei ist klar, denn anstatt einfach den schnellsten (und damit lautesten) Lüfter in das Notebook zu stecken, kann man überprüfen, welche Lösungen unter den jeweiligen Rahmenbedingungen am meisten Sinn machen. Die Simulation berücksichtigt dabei viele Faktoren wie den Weg des Luftstroms durch das Gehäuse, den vorhandenen Platz im Gehäuse, den durch die Lüfter produzierten Volumenstrom (CFM), die Oberfläche der Heatspreader, usw. Die Software kann dabei Aussagen über die Temperaturverteilung in verschiedenen Last-Szenarien geben. Dadurch können die Hersteller ihre Kühlungen besser verstehen und damit gezielt verbessern.
 
Das nachfolgende Video zeigt eine Simulation und hilft uns zu verstehen, wie solche Airflow-Simulationen die Effektivität einer geplanten Kühlung zu testen. In diesem Beispiel wird ein Teil der warmen Luft wieder zurück in das Gehäuse gesaugt, was wiederum für höhere Temperaturen sorgt.
 
 
Nachdem man die nötigen Änderungen auf der rechten Seite vorgenommen hat, wird nun die gesamte warme Luft aus dem Gehäuse geführt, was in einer deutlich gleichmäßigeren Temperaturverteilung resultiert. Mit diesen Simulationen kann man also Änderungen vornehmen, wenn man sich noch in der Prototypen-Phase befindet. Sie helfen zudem Probleme zu identifizieren, auf die man in einem echten Prototypen-Test vielleicht nicht gestoßen wäre.
 
 
Nach der ganzen Theorie wollen wir uns nun am Beispiel des MSI GT76 ansehen, wie es in der Praxis umgesetzt wird. Das Ziel des GT76 sind 5 GHz bei allen CPU-Kernen auch bei dauerhafter Belastung des Core i9-9900K. MSI verwendet für das GT76 insgesamt 11 Heat Pipes, zwei CNC-polierte Kühlkörper aus Kupfer, erweiterte Heatspreader und vier Lüfter. Die Heatspreaders verteilen sich auf die gesamte Breite des Laptops und die vier Lüfter können die warme Luft auf der gesamten hinteren Seite abführen und nicht nur an ein oder zwei Ecken.
 

Das GT76 kann die Wärme an der kompletten Rückseite abführen.
 
Laut MSI haben ihnen die umfangreichen Simulationen dabei geholfen, das neue Airflow-System zu konzipieren. Im Vergleich zur Konkurrenz ist der Airflow der Lüfter im GT76 2,25 Mal besser (96 CFM vs. 42,6 CFM). Die größere Fläche der Kühlfinnen der neuen Heatspreader hilft ebenfalls dabei, den 9900K vor dem Throttling zu bewahren. Auf der CPU-Seite des GT76 bieten die Finnen des Heatspreaders eine Oberfläche von 252.910 mm² gegenüber 110.045 mm² beim GT75 Titan.
 

Die Lüfter des GT76 können 125 % mehr Luft transportieren als die Konkkurenz.

Die Oberfläche der Kühlfinnen im GT76 ist 130 % größer als beim letztjährigen GT75.

 

In unserem eigenen Test des MSI GT76 konnten wir in dem einstündigen Stresstest mit FurMark und Prime95 keinerlei Probleme mit einer reduzierten Leistung (Throttling) feststellen, allerdings wurden die Komponenten dabei vergleichsweise warm. Zudem konnte der Laptop die Cinebench-R15-Schleife problemlos mit 4,7 GHz bearbeiten.
 

 

Fazit

Wie wir in diesem Artikel gezeigt haben ist die Konzipierung einer vernünftigen Kühlung beim Entwicklungsprozess einen Laptops extrem wichtig, denn sonst können die Komponenten ihre eigentliche Leistung nicht ausspielen. Hierbei spielen mehrere Faktoren eine Rolle, angefangen beim geplanten Luftstrom durch das Gehäuse über die richtigen Materialen bis zu der Simulationsarbeit. Nur so kann gewährleistet werden, dass man ohne Kompromisse arbeiten oder spielen kann.
 
Neben der Hardware, über die wir jetzt hinreichend gesprochen haben, muss aber auch die Software optimiert werden um die Kühlung auch effizient einzusetzen. Hoffentlich konnten wir Ihnen mit diesem Grundlagen-Artikel einen Einblick in einen extrem wichtigen, aber oftmals leider wenig beachteten Aspekt beim Kauf einen Laptops geben. Bei MSI werden die kommenden Laptops einen großen Fokus auf die Kühlung setzen.
 
Diese Grundlagen-Artikel werden wir in Zukunft fortführen, unter anderem mit Themen wie der Bestimmung der Display-Genauigkeit, dem Touchpad-Design, den Geräuschemissionen und noch viele mehr.
 
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