Mit wachsender Rechenleistung steigen auch die thermischen Anforderungen elektronischer Systeme. Für Entwicklungsingenieure verschiebt sich damit das Ziel des Thermal Managements. Kühlung darf nicht ausschließlich darauf ausgelegt sein, kritische Grenztemperaturen einzuhalten. Gefragt ist vielmehr eine möglichst stabile und vorhersagbare thermische Umgebung über unterschiedliche Lastzustände hinweg.
Thermische Drift beachten und kontrollieren
Ein entscheidender Faktor ist dabei der thermische Drift. Verändert sich die Temperatur elektronischer Komponenten im Betrieb, können sich auch deren Eigenschaften verschieben. Bereits vergleichsweise geringe Temperaturschwankungen können Genauigkeit, Kalibrierung und Wiederholbarkeit beeinflussen und damit zu unterschiedlichen Betriebszuständen führen. Gerade bei leistungsfähigen oder besonders zuverlässigkeitskritischen Elektroniksystemen wird deshalb die Temperaturstabilität zu einem relevanten Entwicklungsparameter. Größere thermische Schwankungen können die Performance beeinträchtigen, die Alterung von Komponenten beschleunigen und das Risiko unerwarteter Ausfälle erhöhen. Die Aufgabe besteht daher nicht allein darin, möglichst viel Wärme aus einem System abzutransportieren. Entscheidend ist, Wärme gezielt dort abzuführen, wo sie entsteht, lokale Temperaturspitzen zu reduzieren und gleichzeitig starke Temperaturänderungen innerhalb des Systems zu vermeiden.
Vom Chip bis zum Schaltschrank
Entsprechend muss das Kühlkonzept auf mehreren Ebenen betrachtet werden. Die thermische Kette reicht vom Halbleiter beziehungsweise von der Leiterplatte über Baugruppen und Subracks bis hin zum kompletten 19-Zoll-Schrank. Mit steigender Verlustleistung stoßen rein luftbasierte Konzepte dabei zunehmend an praktische Grenzen. Zusätzliche Luftführung, Wärmetauscher und flüssigkeitsunterstützte Verfahren können deshalb miteinander kombiniert werden. Besonders interessant sind hybride Konzepte, bei denen gezielt nur diejenigen Baugruppen mit Flüssigkeit gekühlt werden, an denen hohe Verlustleistungen entstehen. Baugruppen mit geringerer thermischer Belastung können weiterhin konventionell luftgekühlt werden.
Mit Easy Swap LFT zu höherer Kühlleistung
Ein Beispiel dafür ist das Easy-Swap-LFT-Konzept von nVent SCHROFF. LFT steht für „Liquid Flow Through“. Die Lösung ist für Standard-3HE-Eurocard-Umgebungen ausgelegt und soll bestehende Subracks um eine Flüssigkeitskühlung ergänzen, ohne Leiterplattenarchitektur oder Backplane grundsätzlich neu auszulegen. Der Kühlkreislauf kann ein bis drei Cold Plates versorgen. Nach Herstellerangaben lassen sich dabei mehr als 200 W Verlustleistung pro Cold Plate und mehr als 600 W pro System abführen – auch bei Umgebungstemperaturen bis 50 °C. Die Temperatur von Hotspots kann dabei um mehr als 30 K reduziert werden. Gerade für bestehende Elektronikplattformen ist dieser Ansatz relevant: Entwicklungsingenieure müssen nicht zwangsläufig ein komplett neues Kühlkonzept aufbauen, sondern können besonders thermisch belastete Steckplätze gezielt mit Flüssigkeitskühlung ausstatten.
Luft und Flüssigkeit kombinieren
Damit entsteht eine hybride Kühlarchitektur. Hochleistungsbaugruppen werden über Cold Plates thermisch angebunden, während weniger belastete Module weiterhin über Luft gekühlt werden. Der Vorteil liegt vor allem in der Skalierbarkeit: Die Kühlleistung kann dort erhöht werden, wo die Verlustleistungsdichte dies tatsächlich erfordert. Aus Sicht des Systemdesigns lässt sich damit die thermische Architektur schrittweise an steigende Leistungsanforderungen anpassen. Das ist insbesondere dann interessant, wenn Backplanes, Leiterplattenformate oder vorhandene Schrankinfrastrukturen weiter genutzt werden sollen. Eine solche Architektur verlangt allerdings eine systemische Betrachtung. Flüssigkeitskreislauf, Luftführung und Wärmeübergänge dürfen nicht unabhängig voneinander ausgelegt werden. Entscheidend bleibt letztlich die Temperaturverteilung an den elektronischen Komponenten.
4U LHX für hohe Leistungsdichten
Bei noch höheren thermischen Lasten lässt sich die Flüssigkeitskühlung eine Ebene höher in die Schrankarchitektur integrieren. Dafür sind kompakte Liquid-to-Air-Wärmetauscher vorgesehen, die innerhalb eines 19-Zoll-Racks Flüssigkeit als Wärmetransportmedium nutzen und die Wärme anschließend an die Luft übertragen. Der 4U LHX von nVent SCHROFF beansprucht dafür vier Höheneinheiten und kann laut Hersteller in 19-Zoll-Schränken mit mindestens 800 mm Tiefe eingesetzt beziehungsweise nachgerüstet werden. Ziel ist es, die innerhalb des Racks verfügbare Kühlleistung zu erhöhen, ohne unmittelbar auf eine vollständig flüssigkeitsgekühlte Rack-Architektur wechseln zu müssen. Solche Konzepte richten sich insbesondere an Anwendungen mit hohen Rechen- und Verlustleistungen, beispielsweise KI-Systeme, HPC-Plattformen oder andere rechenintensive Elektronik. Für Einsatzbereiche mit erhöhten mechanischen und Umgebungsanforderungen kann der Wärmetauscher zudem in einer robusteren Ausführung realisiert werden, beispielsweise für land- oder seegestützte Defense-Anwendungen.
Thermische Stabilität als Designparameter
Mit weiter steigenden Leistungsdichten verändert sich damit auch die Rolle der Kühlung innerhalb der Elektronikentwicklung. Die Frage lautet nicht mehr nur: Wie lässt sich eine maximal zulässige Temperatur einhalten? Ebenso wichtig wird die Frage, wie gleichmäßig und stabil sich die Temperaturen während unterschiedlicher Betriebszustände verhalten.
Airflow-Optimierung, Cold Plates, Flüssigkeitskreisläufe und Liquid-to-Air-Wärmetauscher sind deshalb keine voneinander isolierten Lösungen. Sie bilden unterschiedliche Ebenen eines Thermal-Management-Konzepts, das vom einzelnen Hotspot bis zum kompletten Elektronikschrank reichen kann. Für Entwickler wird thermische Stabilität damit zunehmend zu einer Systemeigenschaft. Denn hohe Rechenleistung lässt sich dauerhaft nur dann nutzen, wenn auch die entstehende Wärme kontrolliert und möglichst reproduzierbar abgeführt wird.
