Moderne elektronische Schaltungen haben einen unvermeidlichen Feind - die Abwärme. Ganz gleich, ob es sich um Computerchips oder künftige Quantencomputer handelt, Energieverluste durch elektrischen Widerstand sind ein grundlegendes Problem, das weitreichende Folgen haben kann. Was den meisten von uns im Alltag nicht bewusst ist, ist die Tatsache, dass die Wärme, die ein Computer abgibt, das Ergebnis physikalischer Beschränkungen ist, die unsere Effizienz begrenzen. Wie funktionieren diese Prozesse, was sind ihre Ursachen und welche Technologien können ihre Lösung revolutionieren? In diesem Artikel werden wir uns ansehen, wie die Physik uns Stolpersteine unter die Füße legt und wie wir dagegen ankämpfen.
Jedes Mal, wenn wir Energie für eine effiziente Arbeit einsetzen, wird ein Teil der Energie nutzlos in Wärme umgewandelt. Die grundlegende Quelle für die Umwandlung von elektrischer Energie in Wärme in der Elektronik ist der elektrische Widerstand der Leiter (R, resistance). Jeder Stromkreis hat die Fähigkeit, den Durchgang von elektrischem Strom durch die so genannte Impedanz zu verhindern, die aus einem imaginären Blindwiderstand und einem realen Widerstand besteht.
Wir messen den Widerstand - und nutzen ihn, um Materialien in Leiter und Isolatoren einzuteilen. Der Widerstand ist an sich eine recht komplexe Größe, die vom Material des Leiters, seinem Querschnitt, seiner Länge und seiner Temperatur abhängt. Im Allgemeinen nimmt der Widerstand von Leitern mit steigender Temperatur zu, während der von Halbleitern abnimmt. Dieses Phänomen wird z. B. bei klassischen Glühbirnen oder Heizungen gesucht, wo er bei dem der Widerstand mit steigender Temperatur ebenfalls zunimmt und besser in Wärme umgewandelt wird.
Während bei Wasserkochern oder einer elektrischen Heizung ist dies ein willkommenes Phänomen, in den meisten Fällen bereitet es uns aber Probleme. Der Widerstand in großen Stromleitungen führt zu Verlusten, da die übertragene Energie in Wärme umgewandelt wird und einfach die Umgebung erwärmt. Bei speziellen Computern, wie z. B. Quantencomputern, zerstört die von uns abgestrahlte Wärme buchstäblich die Quantenzustände und macht es unmöglich, dass die Computer funktionieren. In beiden Fällen würde die Lösung in Supraleitern bestehen, also Leitern mit einem elektrischen Widerstand von Null, die leider eine tiefe Kühlung erfordern, und wir haben noch keine Supraleiter, die bei normalen Temperaturen arbeiten können, was sowohl die Energieübertragung über große Entfernungen als auch die Konstruktion von Quantencomputern erheblich vereinfachen würde.
Die durch den elektrischen Widerstand erzeugte Wärme ist jedoch im Allgemeinen ein Problem bei der Datenverarbeitung. Der Wärmeverlust steigt mit dem Quadrat des durchfließenden Stroms, d. h. je leistungsfähiger der Computer, den wir bauen, desto mehr wird er sich "aufheizen". Abwärme wird von jedem Leiter und jedem Bauteil mit einem Widerstand ungleich Null erzeugt, innerhalb CPU-Prozessoren, die Halbleiter enthalten, variiert der Widerstand an den Transistoren, die die Schaltkreise schalten, ständig - insbesondere an ihren PN-Halbleiterübergängen. Diese Wärme ist besonders heimtückisch, denn wenn sie nicht schnell abgeleitet wird, beginnt sie den Widerstand an den Verbindungsstellen zu verändern - und zwar zu verringern, so dass der gesamte Prozessor für Strom leitfähiger wird. Wenn er nicht schnell genug abkühlt, überschreitet er eine kritische Schwelle, bei der sein Innenwiderstand zu sinken beginnt, der Prozessor erhitzt sich schnell und schließlich verbrennt.
Um dies zu verhindern, wird nicht nur eine fortschrittliche Kühlung eingesetzt, sondern auch Mechanismen, die eine Zerstörung der Prozessoren verhindern: moderne Prozessoren haben eine ganze Reihe von Thermometer, die die genaue Temperatur einzelner Teile des Prozessors erkennen und die Betriebsfrequenz und damit die Leistung verringern, wenn die Temperatur einen kritischen Grenzwert erreicht.
Der Schlüssel liegt jedoch darin, die Wärme schnell und effizient genug abzuführen und ihr keine Hindernisse in den Weg zu legen - und hier stoßen wir auf ein Konzept, das verwirrend sein kann: den Wärmewiderstand. So wie der elektrische Widerstand den Durchgang von Elektrizität verhindert, verhindert der thermische Widerstand das Entweichen von Wärme - und das wollen wir in Computern ganz sicher nicht. Materialien mit hohem Wärmewiderstand dienen der Wärmedämmung, die in Wohnungen oder zum Beispiel in Kühlschrank, aber wir wollen definitiv kein Material zwischen der CPU und ihrem Kühlkörper haben. Um den Wärmewiderstand zu verringern, werden fortschrittliche Techniken wie Wärmeleitpasten eingesetzt, um den Wärmewiderstand zu minimieren und so viel Wärme wie möglich so schnell wie möglich in den Kühlkörper abzuleiten.
Computer erzeugen Abwärme durch einen anderen, viel seltsameren Mechanismus - durch die Zerstörung von Informationen während ihrer Arbeit. In der physikalischen Welt ist die Information an Energie gebunden, und ihre Umwandlung ist nicht frei, wie der Physiker Rolf Landauer, der für IBM arbeitete, 1961 herausfand. Das Löschen von Informationen führt immer zu einem Anstieg der Entropie und setzt immer eine bestimmte Wärmemenge frei, die von der Umgebungstemperatur abhängt. Das Landauer-Prinzip ist eine recht schöne Ungleichung E ≥ kb ⸱ T ⸱ ln 2, wobei kb die Boltzmann-Konstante ist, eine der wichtigsten physikalischen Konstanten, die den Zusammenhang zwischen der thermodynamischen Temperatur und der inneren Energie eines Gases angibt: 1,380 649 × 10-23 J-K-1, und T ist die absolute Umgebungstemperatur in Kelvin.
Das Landauer-Prinzip besagt, vereinfacht ausgedrückt, dass man Informationen nicht ohne einen minimalen Energieverlust verarbeiten kann, der zwar gering ist, aber eben vorhanden. Bei Raumtemperatur liegt der Grenzwert bei etwa 0,018 Elektronenvolt, eine Zahl, die eine Milliarde Mal kleiner ist als die der heutigen PCs. Es scheint, dass wir uns über diese Grenze keine Sorgen machen müssen, aber eines Tages, wenn wir wirklich riesige und wirklich effiziente Rechenmaschinen bauen, wird dieses Problem zurückkommen und uns beißen.
Sie besagt, dass in einem Kilogramm Materie nur eine endlich große Menge an Informationen gespeichert werden kann - und da das Universum endlich ist, leitet sich daraus die so genannte Brenemann-Grenze ab, also die Obergrenze dessen, was in einem endlichen Universum gezählt werden kann. Wenn Ihnen das wie eine völlige Ausrede vorkommt, dann sollten Sie wissen, dass dieser Grenzwert bei der Entwicklung von kryptografischen Algorithmen als obere Schätzung der "Kugelsicherheit" der Kryptografie verwendet wird: wenn die Berechnung, um die Chiffre zu knacken, anspruchsvoller ist, als die Maschine, die es uns ermöglicht, unser physisches Universum zu bauen, bewältigen kann, dann ist es eine sehr sichere Kryptographie!
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Im AlzaMagazin haben wir weitere Artikel aus der Reihe Computer und Thermodynamik:
Energieverluste in Form von Wärme sind ein unvermeidlicher Bestandteil der Funktionsweise elektronischer Systeme. Während die Umwandlung von Energie in Wärme in einigen Fällen wünschenswert ist, stellt sie in vielen Anwendungen, insbesondere in modernen Prozessoren, ein ernstes Problem dar, das eine effiziente Kühlung und Optimierung erfordert. Supraleiter könnten eine revolutionäre Lösung bieten, indem sie den elektrischen Widerstand beseitigen, aber ihr Einsatz ist bisher durch die Notwendigkeit einer extremen Kühlung begrenzt. Während Energieverluste in Form von Wärme heute unvermeidlich scheinen, könnten Fortschritte in der Materialwissenschaft und der Kühltechnik diese Verluste in Zukunft erheblich reduzieren.
