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Wie die Kühlung der Macs funktioniert

16.05.2016 | 11:11 Uhr |

Enge Gehäuse und Hochleistungskomponenten sind eigentlich keine gute Kombination. Apples Rechner gehen damit gut um. Trotzdem gibt es immer wieder Probleme. Dabei gibt es einige einfache Tricks, dem Kühlsystem zu helfen.

Egal ob Macbook Air, Mac Mini, iMac oder der neue Mac Pro: Apple leidet am Schlankheitswahn, die Desktop- und Notebook-Systeme werden von Modellwechsel zu Modellwechsel kleiner, integrierter und enger. Steve Jobs‘ Ziel war es, hochintegrierte Systeme mit möglichst geringem Volumen zu schaffen, eine Designidee, die heute von Jony Ive und Tim Cook am Leben erhalten wird. Doch je schlanker, desto riskanter: Apple zwängt seit Jahren Hochleistungskomponenten in kleine, enge Gehäuse, Hitzeprobleme werden nur durch das leistungsfähige Kühlsystem verhindert. Und das hat es in sich.

Aluminiumgehäuse und ­leistungsstarke Lüfter

Apples Temperaturregelung ist von immer ähnlichen Merkmalen geprägt: hohe Maximaltemperatur und eine sehr progressive Lüfterkurve. Das bedeutet, dass der Lüfter erst bei hoher Temperatur hochdreht und die CPUs allgemein sehr heiß werden dürfen, oft bis fast an die Grenze ihrer Höchsttemperatur. Das ist grundsätzlich kein Problem, hat lediglich den Nachteil, dass für die automatische Übertaktung "Turbo-Boost" der Intel-CPUs kein Spielraum mehr vorhanden ist. Zugleich ist Apples Entscheidung, bei nahezu allen Systemen auf Aluminium zu setzen, nicht nur ein Designkonzept, sondern sorgt auch dafür, dass alle Macs einen riesigen passiven Kühlkörper besitzen, der die Hitze wunderbar an die Umgebung abgeben kann.

Der Mac Mini wird von einem einzigen Radiallüfter gekühlt. Dennoch bleiben die restlichen Komponenten abseits der CPU kühl.
Vergrößern Der Mac Mini wird von einem einzigen Radiallüfter gekühlt. Dennoch bleiben die restlichen Komponenten abseits der CPU kühl.

Während Gehäuse aus wenig wärmeleitfähigem Plastik, wie sie bei Apples Mitbewerbern eingesetzt werden, viele Lüftungsschlitze, große Lüfter und ein deutlich raumgreifenderes Thermaldesign benötigen, kommen Macs mit vergleichsweise geringer Kühlung aus. Auch, weil die in den Geräten verbauten Lüfter wie kleine Laubbläser jede Hitze aus dem Gehäuse pusten, wenn die Temperaturen steigen. Die Folge sind kurze, aber heftige Lüfterattacken, sobald iMac, Macbook und Co. stärker beansprucht werden. Immerhin: Die wenigsten Nutzer werden das – wenn sie nicht gerade Videos bearbeiten, aufwendige Spiele spielen oder andere leistungsfressende Anwendungen laufen lassen – nie oder nur höchst selten zu Gehör bekommen. Zu gut arbeitet – meistens – das Mac-Kühlsystem.

Die Kühlung im Detail

Doch wie genau funktioniert es? Stephan Witzigmann, Leiter des Gravis-Technikcenters, erklärt es im Detail: „Prozessoren und auch Grafikkarten erzeugen Wärme. Insbesondere bei Laptops wie den Macbooks muss diese Wärme nach außen abgeführt werden. Hierzu werden sogenannte Heatpipes verwendet: Das sind Rohrleitungssysteme aus Aluminium oder Kupfer, die geschlossen sind und unter Unterdruck stehen. Sie sind entweder mit destilliertem Wasser oder Alkohol gefüllt und enthalten noch einige andere Materialien.“ Diese Heatpipes sind für die Kühlung unerlässlich und arbeiten nach dem gleichen Prinzip wie die Kühlung des menschlichen Körpers nach dem Sport oder Kühltürme eines Kraftwerks. Das Stichwort lautet "Verdunstung": "Über direkten Kontakt mit dem Prozessor und oder Grafikkarte wird die im Innern der Heatpipe befindliche Flüssigkeit erwärmt", weiß Witzigmann, "sie verdampft und wird zu den am Ende des System verbauten Kühlrippen befördert.

Grundlagen

So funktioniert die Temperaturregelung bei den meisten Macmodellen:

- Hohe erlaubte Maximaltemperaturen der CPU und GPU

- Progressive Lüfterkurve: die Lüfter regeln erst bei hoher Temperatur, aber dann stark hoch

- Heatpipe und ein Hauptlüfter bewegen die Hitze weg von der CPU/GPU und Richtung Luftauslass

- Alugehäuse helfen dabei, die Wärme an die Umgebung abzugeben

Hier kondensiert die Flüssigkeit und gibt die Wärme an die Umwelt ab. Die gekühlte, kondensierte Flüssigkeit wird auf Grund der inneren Kapillar­wirkung zurück zur Wärmequel­le gefördert.“ Dadurch entsteht ein regelrechter Kühlkreislauf, dessen einzige Aufgabe es ist, die Wärme von Prozessor, Chipsatz und Grafikkarte an die Außenseite des Gehäuses zu transportieren. Dieser geschlossene und wartungsfreie Kreislauf funktioniert zunächst ohne das Zutun weiterer Komponenten, allerdings gibt es dabei ein Problem: "Natürlich muss die Wärme auch von den Kühlrippen abgefördert werden", so Witzigmann. "Das übernehmen die im Gerät verbauten Lüfter, die durch den Luftstrom entlang der Kühlrippen die Wärme ‘hinausblasen‘. Die dafür benötigte Luft wird über die Tastatur oder an der Geräteseite angesogen."

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Versagt das Kühlsystem, wird es eng

Damit ist auch schnell klar, wo die Schwachpunkte des Kühlsys­tems liegen: Ist die Verbindung zwischen Heatpipe und Chip nicht intakt, weil etwa zu viel Wärmeleitungspaste verwendet wurde oder wurde eine Komponente verbaut, die schlicht Probleme mit der eigenen Temperaturregulierung hat, wie es zum Beispiel bei den Macbook Pro mit 15"-Bildschirmdiagonale von 2011 häufig der Fall ist oder ein Lüfter versagt, kommt es schnell zum Hitzekollaps, der zum Teil weitreichende Folgen hat. Von gebrochenen Lötstellen oder versagenden Massenspeichern sind alle möglichen Elektronikfehler möglich. Hinzu kommen bauartbedingte Probleme, die ausschließlich Apples Schlankheitswahn anzulasten sind.

Witzigmann: "Die Kühlrippen an der Heatpipe haben nur einen Abstand von 0,5 bis 1 mm. Wird Schmutz oder mit Staub und Nikotin belas­tete Luft angesaugt, verstaubt diese die Kühlrippen, und die Wärmeabfuhr wird behindert oder unterbrochen." Zudem belaste der Schmutz auch das Lüftungssystem: "Hier verkleben die Schmutzpartikel die Lüfterlamellen. Dies führt zu einer Unwucht, was sich durch lautere Laufgeräusche bemerkbar macht und die Lebensdauer der Lüfter dramatisch verkürzt", weiß der Experte. Die Folgen können von lästigen Betriebsgeräuschen bis hin zu Hardware-Schäden reichen.

Auch CPU, Grafikeinheit und Chip-Satz helfen mit

Zum Glück gibt es noch ein weiteres "Sicherheitsnetz": Neben der aktiven Kühlung durch das Kühlsystem und die Lüftung und die passive Kühlung durch das Gehäuse sind es auch die Komponenten selbst, die im Idealfall ihre Hitze regulieren. Moderne CPUs, Chip-Sätze und Grafikkarten sind so konstruiert, dass sie sich im Bedarfsfall auch selbstständig zügeln (indem sie ihre Taktrate herunterfahren und damit die Leistung reduzieren) und weniger Hitze produzieren. "Thermales Drosseln" nennt man dies. Mac-Systeme verfügen – wie alle anderen modernen PCs – über ein ausgeklügeltes System der Temperaturmessung. Sind die Komponenten intakt, wird bei zu großer Hitze schlimms­tenfalls der Takt reduziert oder sogar der Rechner heruntergefahren, was jedoch nicht immer reibungslos funktioniert.

Ein verstaubter und von Nikotin verklebter Luftauslass wie bei diesem iMac kann eine effizente Kühlung behindern.
Vergrößern Ein verstaubter und von Nikotin verklebter Luftauslass wie bei diesem iMac kann eine effizente Kühlung behindern.

Gerade in den Sommermonaten oder in tropischen Gefilden zeigt sich, dass die Hitzeabfuhr der Macs auf Kante genäht ist: Die Lüfter, die sonst dezent mit niedrigen Drehzahlen kaum hörbar im Hintergrund arbeiten, drehen schon bei kleinsten Rechenarbeiten massiv hoch, was zu einer Dauerbelastung führt, die nicht nur dem Rechner schadet, sondern sich natürlich auch negativ auf die Akkulaufzeit auswirken kann, insbesondere dann, wenn das Kühlsystem durch Verschmutzungen nicht mehr ordnungsgemäß arbeitet.

Energieeffiziente Prozessoren helfen

Genau deshalb arbeitet Intel seit Jahren daran, die Prozessoren energieeffizienter zu gestalten und für weniger Hitze im Betrieb zu sorgen, was auch die relativ niedrigen Taktraten von aktuellen Haswell- und kommenden Broadwell-Chip-Sätzen und CPUs erklärt: Ein aktuelles Macbook Air mit 1,4 Gigahertz leistet dank optimierten CPUs heute ähnliches wie noch vor kurzem ein Macbook Pro mit deutlich höherer Taktung und Abwärme. Hinzu kommt die "Turbo-Boost"-Technik, die die Prozessoren bei Bedarf massiv übertaktet, im Normalbetrieb aber für niedrige Wärmeentwicklung sorgt. So wird kaum Energie als Wärme und für den Lüfterbetrieb verschwendet, was sich positiv auf die Akkulaufzeit auswirkt, die heute – auch dank besserer Akkutechnik – bekanntlich deutlich höher liegt als noch vor wenigen Jahren, wodurch Macs, die nicht ständig unter maximaler Last laufen, heute weniger Probleme mit der Kühlung haben als jemals zuvor.

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