Bild 2. Temperatursimulation des Industrie-Rechners Arctis mit ausgeschaltetem Lüfter (links) und aktivem Lüfter: Wärme-Nester über der CPU werden eliminiert.

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Die Software visualisiert auf Basis eines bestehendem 3D-Entwurfs thermodynamische Vorgänge, ohne dass komplexe Navier-Stokes-Gleichungen gelöst oder Turbulenzmodelle berechnet werden müssen. Das Programm berücksichtigt dabei Wärmekapazitäten, Wärmeleitung, Wärmeübergangs-Koeffizienten, Wärmestrahlung sowie freie und erzwungene Konvektion und die Temperaturen innerhalb von Festkörpern und in der Luft sowie die Fluid-Geschwindigkeiten. Innerhalb kurzer Zeit lässt sich damit das spätere Temperaturverhalten mit einer so hohen Genauigkeit bestimmen, dass es sich als Grundlage für die Optimierung von Lüftung und passiver Kühlung nutzen lässt.

Die Ergebnisse der bei DSM durchgeführten Simulation der Temperaturverteilung mit ausgeschaltetem Innenlüfter und aktiviertem Innenlüfter zeigt Bild 2: Hotspots werden durch den Lüfter reduziert, der für die Umwälzung der Luft in Innern sorgt (Bild 3).

Die Firma DSM Computer hat ihr leistungsstärkeres Arctis-Modell A1-QM67 simuliert, das auf dem High-end-Prozessor „Intel Core i7-2710QE“ der zweiten Generation mit vier Cores und einem 6 MByte Cache basiert.

Bild 3. Auch hermetisch geschlossene Industrie-PCs werden mit Lüfter besser entwärmt als ohne. Mit aktiviertem Lüfter (rechts) ist die Luftgeschwindigkeit im System unmittelbar über dem CPU-Board um den Faktor 10 höher. Dadurch werden die Komponenten im Inneren wesentlich besser gekühlt als ohne Luftumwälzung.

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Die Intel-CPU integriert die Turbo-Boost-Technologie, durch die die CPU bei Bedarf automatisch mehr Leistung erhält. Die implementierte Virtualisierungstechnologie unterstützt den parallelen Ablauf unterschiedlicher Betriebssysteme und Applikationen in geschützten Speicherbereichen sowie die Virtualisierung von I/O-Schnittstellen und Laufwerken.

Daneben gibt es Standardversionen mit integriertem i5-2510E-Prozessor sowie Varianten mit zwei Prozessorkernen (Core i3-2330E) oder Celeron-G810-CPU. Seit September sind die IPCs auch mit i5- und i7-CPUs der dritten Generation lieferbar. Um die im Datenblatt definierte Spezifikation des Arctis-Rechners exakt zu überprüfen, wurde das Temperaturverhalten im Klimaschrank mit Hilfe von Wärmefühlern gemessen. Die PC-Anbieter verlassen sich oft auf einfache Softwaretools zur Auswertung der Core-Temperaturen und übersehen dabei, dass der Prozessor bereits he­runtertaktet. Zudem sind andere Komponenten oft kritischer als die CPU. Erfahrene Hersteller haben jedoch die entsprechenden Erfahrungswerte: Kennt man die Größe des Systems und den eingesetzten Prozessortyp, lässt sich meist ohne Messung abschätzen, ob der Rechner bereits bei einer Betriebstemperatur von +40 °C thermisch überlastet ist.

Bild 4. Wärmebild des Arctis-Rechners (links) und des Vergleichssystems bei einer Raumtemperatur von etwa +20 °C.

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DSM hat parallel zur eigenen Messung das vergleichbare System eines Mitbewerbers gemessen (Bild 4). Die Systeme integrieren einen i7-Prozessor mit vier beziehungsweise zwei CPU-Kernen. Die im DSM-System verwendete Quad-Core-CPU hat eine maximale TDP (Thermal Power Dissipation) von 45 W, während die Dual-Core-CPU des Vergleichssystems mit 35 W TDP weniger „heizt“. Als Chipsatz kommt in beiden Fällen Intels QM67 zum Einsatz; der Grafikcontroller HD3000 ist im Prozessor integriert. Beide Rechner verfügen über eine Reihe von Standardschnittstellen, wie USB 2.0 und 3.0, serielle Ports, Gigabit-Ethernet und SATA. Zum Anschluss von hochauflösenden Displays sind beim Arctis Display-Interfaces für HDMI, DVI-I und DVI-D vorhanden. Trotz der kompakten Abmessungen von 305 mm × 305 mm × 133 mm ist im A1-QM67 zusätzlich ein PCI-Express-x16-Steckplatz vorhanden. An der Vorderseite des Geräts befindet sich eine kleine, staubdichte Klappe, hinter der sich ein Wechsel-Einschub für zwei 2,5-Zoll-Laufwerke (SSD/Industrial HDD) verbirgt. Die Stromversorgung des Industriecomputers wird über ein Weitbereichsnetzteil mit 12 und 24 V(DC) sichergestellt. Darüber hinaus ist ein externes 120-W-AC-Netzteil einsetzbar.

Vergleichsmessung deckt Schwachstellen auf

Auch die genaue Temperaturmessung der wichtigsten PC-Komponenten im Klimaschrank bei Umgebungstemperaturen von +40 °C und +60 °C (bei dem Vergleichssystem) bei etwa 80 % Last belegen, dass trotz der leistungsfähigeren Quad-Core-CPU das DSM-System eine geringere Gehäusetemperatur aufweist als das Vergleichssystem. Ebenso deutlich fällt die geringere Belastung der Bauteile im Inneren auf.

Bild 5. Datenblatt und Wirklichkeit: Die Messungen zeigen beim Vergleichssystem teils eklatante Abweichungen zwischen den realen und den spezifizierten Temperaturen. Aufgrund der hohen Temperaturen drosselt das Vergleichssystem häufig den CPU-Takt.

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Obwohl das Vergleichssystem eine geringere CPU-Leistung hat, wird bereits bei +40 °C der Prozessortakt reduziert, um die CPU vor Überhitzung zu schützen. Das Vergleichssystem läuft zwar noch, aber in einem Temperaturbereich, der die Lebensdauer von empfindlichen Komponenten wie Harddisk oder der Elektrolytkondensatoren des Netzteils drastisch reduziert. Die Angaben des Datenblatts, die spezifizierten Temperaturen für die Komponenten und die Ergebnisse der Messungen zeigt Bild 5. Während das Arctis-System seine im Datenblatt angegebene Temperaturspezifikation erfüllt, lässt sich das Vergleichssystem trotz der niedrigeren Prozessorleistung nur bis etwa +30 °C zuverlässig betreiben.

Um eine thermische Überlastung auszuschließen, misst DSM bei neuen Systemen standardmäßig die Temperaturen der kritischen Systemkomponenten (RAM, Harddisk, CPU, Chipsatz, Netzteil, CMOS-Batterie, LAN-Con­troller und zum Teil auch Spannungsregler und Elektrolytkondensatoren). Die Messungen belegen, dass der leistungsfähige Industrie-PC mit Quad-Core-Prozessor (Intel Core i7-2710QE) selbst bei hohen Temperaturen sehr zuverlässig arbeitet. Zahlreiche vergleichbare Industrie-PCs werden dagegen in vielen Anwendungen überlastet und fangen teilweise schon bei üblichen Raumtemperaturen um die + 20 °C mit dem Heruntertakten (Trotteln) der CPU an. Deshalb empfiehlt es sich, darauf zu achten, ob die im Datenblatt spezi­fizierten Angaben geschätzte Werte sind oder ob der Hersteller die Daten wirklich gemessen hat.

Autor: Christian Lang ist Leiter Marketing bei der Firma DSM Computer in München.