Frage Heatspreader, welchen Sinn und Zweck haben sie?

[S.nase]

Ich hab noch die Zeit mitgemacht, wo Heatspreader auf den CPUs sehr selten zu finden waren, und die CPUs fast immer ihren blanken Silizium Kristall dem Kühler entgegen streckten. Nun hab ich mich schon immer gefragt, aus welchem Grund solche Heatspreader eigendlich eingeführt wurden.

Bei den amputierten Intel CPUs macht es mechanisch wahrscheinlich schon Sinn, um die kontaktbeinlose CPU auf den Federkontaktsockel pressen zu können. Aber bei den AMD CPUs besteht ja gar kein Grund die CPU mechanisch zu stabilisieren, weil sie ja richtige Kontaktbeine haben.

Thermodynamisch ist eine zusätzliches Wärmeleitelement zwischen CPU-Kristal und Kühler meine Meinung nach ja auch nicht wirklich vorteilhaft.

Könnt ihr mir bitte erklären, warum solche sogenannten Heatspreader auf CPUs trotzdem so gebräuchlich oder nötig geworden sind.

 

[meilodasreh]

Hauptsächlich - wie der Begriff schon sagt - um die Hitze von den kleinen die-Flächen "vorzuverteilen" auf eine größere Fläche, auf der dann der eigentliche Kühlkörper aufliegt.
Der zusätzliche Wärmeübergang ist völlig vernachlässigbar, im Vergleich zur anschließenden primitiven "ich drück's zusammen mit ein wenig Matsch von oben fest drauf" Kühlkörpermontage.

Und zweitens eben doch, um das Ganze mechanisch zu stabilisieren.
Ansonsten würde heutzutage kaum ein die den Versuch eines "Durchschnitts-users", einen Kühler zu montieren, schadlos überstehen.

Überleg mal, mit was für Kühlern, und welchen Kräften und Gewichten Du damals im Vergleich zu heute zu tun hast.

 

[Martin Gut]

Ich sehe da eher den mechanischen Schutz.

Temperaturmässig ist ein Heatspreader nicht vorteilhaft. Man kann durch köpfen einer CPU und Direktmontage mit Flüssigmetall immer noch einige Grad heraus holen. Der Weg bis zu den Heatpipes soll möglichst klein sein, denn diese leiten die Wärme ein vielfaches besser als Kupfer.

 

[meilodasreh]

Der Weg bis zu den Heatpipes soll möglichst klein sein

...und die Kontaktfläche zwischen Wärmequelle und Wärmeableitung möglichst groß.
Das klappt aber bei einer geköpften CPU eher weniger, zumindest wenn man einen standardmäßigen Kühler hernimmt.
Bei heutigen AMD CPUs würde in dem Fall mindestens die Hälfte der heatpipes komplett ohne Kontakt neben dem die/chiplet(s) vorbeilaufen.
Mal ganz davon abgesehen, daß das eh mit viel "kreativer Anpassung" vonstatten gehen müsste, weil sich ohne IHS ja ein anderer Abstand ergibt.

Ich selbst habe delidding eh nur im Zusammenhang mit Wasserkühlung im Ohr.
Daß man das auch im Zusammenhang mit direkter Kühlkörpermontage macht...wieder was dazugelernt, was mir persönlich viel zu unheimlich wäre

edit:
weil's mich die Argumentation jetzt natürlich wieder neugierig gemacht hat, hab ich mal auf die Schnelle was zusammengeklickt,
sicherlich nicht ganz maßstabsgetreu...aber mal sieht wohl was ich meine.

Daß das trotzdem effektiver sein soll als mit IHS ist schon ulkig...für mich sieht das eher kontraproduktiv aus

 

[Martin Gut]

weil's mich die Argumentation jetzt natürlich wieder neugierig gemacht hat

Ja, die Technik ist interessant und nicht ganz unkompliziert.

Die Fläche auf der die Chiplets verteilt sind ist etwa 24 x 24 mm. Die Hetapipes haben meist eine Durchmesser von 6 mm, manchmal auch 8 mm. Auf der Kühlerfläche werden sie flach gedrückt und dadurch vielleicht noch einen halben mm breiter. Manchmal liegen sie direkt neben einander und manchmal ist noch etwa ein mm Abstand dazwischen. Je nach dem, wie der Kühler montiert ist, liegen so nur 1.5 bis 2 Heatpipes über den Chiplets mit den Prozessorkernen. Der IO-Chip verheizt weniger Wärme und ist somit kein Problem.

Durch einen Heatspreader wird die Wärme etwas verteilt. Man sollte das aber auch nicht überschätzen. Es sind auch dann nicht mehr als drei Heatpipes, die den grossen Teil der Wärme abführen. Die anderen sind einfach zu weit weg. Solange die Heatpipes in der Nähe die Wärme vernünftig abführen können, kommt dort nicht viel an. Somit ist dann auch nur der Teil des Lamellenblocks richtig wirksam, der von diesen Heatpipes geheizt wird.

Heatpipes sind für eine ungefähr definierte Leistung gebaut. An den warmen Stellen wird die Flüssigkeit verdampft. Der Dampf wandert durch das Rohr und kondensiert an den kühleren Stellen. Das flüssige Kondensat wandert dann in einem Granulat an den Wänden des Rohres wieder zurück und kann dort wieder verdampfen. Wie schnell das Wasser zurück wandert, beschränkt die Leistung der Heatpipe. Wenn alles Wasser verdampft ist und zu langsam wieder Wasser zurück wandert, kann die Heatpipe keine Wärme mehr aufnehmen. Da der Rückfluss auch von der Einbaulage abhängt, kann man das auch nicht so genau definieren. Die Hersteller geben auch nicht an, was sie für Heatpipes verwenden oder für welche Leistung sie gebaut sind.

Ein solcher Kühler funktioniert somit besser ohne Heatspreader, solange die Leistungsgrenze der Heatpipes nicht erreicht wird. Sobald diese aber an die Grenze kommen muss die Wärme bis zu weiter aussen liegenden Heatpipes wandern, was mit einem Heatspreader natürlich besser geht.

Bei Wasserkühlern ist eher die Frage, ob die Kühlfläche (Lamellenfläche) genug gross ist und die Chiplets vollständig abdeckt. Wenn es das macht, ist ein Heatspreader unnötig. Wenn es das nicht macht, ist es so oder so nicht ideal.

 

[Corro Dedd]

Der Heatspreader macht im Grunde drei Dinge:
- Was die Basisplatte eines Kühlers macht, nämlich die Temperatur zu verteilen. Bei Kühlern mit Direct Touch Heatpipes macht ein Heatspreder wohl mehr Sinn, als bei solchen mit einer Kupferplatte dazwischen, hier dürfte Köpfen der CPU mehr bringen.
- Stabilität fürs Package, denn die Anpressdrücke heutzutage sind nicht ohne und auch höher, als damals.
- Bruch an den Kanten/Ecken des/der Die/s vorbeugen, wer aus der Zeit kenn nicht die gekillten Semprons und Athlons dieser Welt mit den angefressenen Dies?

 

[ianann]

Der Heatspreader macht im Grunde drei Dinge:
- Was die Basisplatte eines Kühlers macht, nämlich die Temperatur zu verteilen. Bei Kühlern mit Direct Touch Heatpipes macht ein Heatspreder wohl mehr Sinn, als bei solchen mit einer Kupferplatte dazwischen, hier dürfte Köpfen der CPU mehr bringen.
- Stabilität fürs Package, denn die Anpressdrücke heutzutage sind nicht ohne und auch höher, als damals.
- Bruch an den Kanten/Ecken des/der Die/s vorbeugen, wer aus der Zeit kenn nicht die gekillten Semprons und Athlons dieser Welt mit den angefressenen Dies?

Gnaaa ... der Athlon, right in the feels.

 

[Ghoster52]

wer aus der Zeit kenn nicht die gekillten Semprons und Athlons dieser Welt mit den angefressenen Dies?

Für 2 linke Hände gab es doch diese "Kupfer-Spacer" zum unterlegen...
Ich habe da noch 300 Gramm Maximal-Gewicht für den Kühler im Kopf für die Athlons.

 

[HerrRossi]

Ich weiß gar nicht mehr, welche CPU mein erster eigener Intel PC hatte, das muss 1994 gewesen sein, war ein ziemlich flacher Office Kasten. Dann hatte ich lange einen Mac. Danach kam dann aber schon ziemlich bald ein Tower mit einem Slot A Athlon, da war im Grunde das ganze Modul der Heatspreader, der hatte mW. auch einen blanken Die und den konnte man mit eine Modul zum Aufstecken noch ordentlich tunen. In dem Kasten hatte ich dann auch meine erste 3D Beschleunigerkarte, ich glaube das war eine Diamond mit 3dfx, die musste man mit so einem separaten Kabel an die 2D Karte anschließen.

 

[S.nase]

Bei CPUs mit mehreren Kristallen war es auch früher schon üblich einen Heatspreader drüber zu machen. Wahrscheinlich um die "Höhen- und WinkelUnterschiede" zwischen den Kristallen aus zu gleichen. Weil die harten Kristalle mit der Zeit in den relativ weichen KupferHeatspreader "einsinken" können. Gibt es überhaupt noch gebräuchliche CPUs, die aus mehreren Kristallen aufgebaut sind?

 

[hansdampf]

Mit Heatspreader:

Ohne Heatspreader

 

[Corro Dedd]

@Ghoster52
Ja, die kamen aber erst, nachdem viele Leute ihre CPU geschrottet hatten (meine haben alle überlebt!)

@S.nase
Wenn du mit "Kristall" den Die meinst, dann hat dir meilodasreh oben ein Bild von einem aktuellen Ryzen Prozessor gepostet. Epycs und Threadripper haben sogar bis zu 9, ein IO-Die und 8 Compute Dies. Intel hingegen bleibt monolithisch mit einem einzelnen, großen Die.
Herkunft des Begriffs laut Wikipedia: Die von Dice, obwohl sie eher flach sind und nicht würfelförmig.

 

[ianann]

Mit Heatspreader:

Ohne Heatspreader

Deswegen heißen die Dinger ja auch so.

 

[S.nase]

Was zeigen die Thermobilder genau? Die Wärmeverteilung auf der Kontaktfläche und der Mainboardrückseite bei Verwendung eines HeatpipeKühlers(mit und ohne Heatspreader)? Bei welchem Prozessor?

Eigendlich sollte ja die Bodenplatte/WärmekontaktBlock des Kühlers die Wärme gleichmäßig zu den Heatpipe oder Kühlrippen der Wasserkühlung verteilen. Ist die Wärmekontaktblock (wie bei vielen HeatpipeKühlern) nur aus Alu, macht der Heatspreader sicherlich Sinn, um bei der gleichmäßigen Wärmeverteilung an alle Heatpipe zu helfen. Gibt es auch HeatpipeKühler mit einem Wärmeleitblock aus Kupfer statt aus ALu?

Das die Einbaulage einer Heatpipe wesendlich Einfluß auf ihre Leistungsfähigkeit hat, war mir bisher noch nicht so bewust. VielenDank dafür an MartinGut. Demnach müßte ja die Leistung meines HeatpipeKühlers deutlich ansteigen, wenn ich mein Towergehäuse auf die Seite legen, und somit die Heatpipe dann senkrecht nach oben stehen.

Are heat pipes any good for my CPU? - Simcenter

When researching improved heat sink design to cool a CPU in a model I am developing, a common theme I kept coming across was integrating heat pipes with a

blogs.sw.siemens.com

 

[hansdampf]

 

[Martin Gut]

Demnach müßte ja die Leistung meines HeatpipeKühlers deutlich ansteigen, wenn ich mein Towergehäuse auf die Seite legen, und somit die Heatpipe dann senkrecht nach oben stehen.

So einfach ist es nicht. Solange das Wasser an den Wänden genug schnell zurück wandert und immer Wasser zum verdampfen da ist, funktioniert die Heatpipe in jeder Lage genau gleich gut. Einen Unterschied gibt es erst, wenn einzelne Heatpipes über ihre Belastbarkeit gefordert werden. Einen Unterschied macht die Einbaulage auch nur bei bestimmten Heatpipes bei denen das wassertransportierende Material (Granulat, Gewebe, Rillen oder so) darauf anfällig ist. In gewissen Materialien wandert das Wasser auch seitwärts oder aufwärts praktisch gleich gut, so dass es den Unterschied nicht gibt. Da weiss man aber auch nicht, welcher Hersteller welche Bauart Heatpipe verwendet und wie sich diese verhält.

Die Leistung der Heatpipe wird somit nicht verändert. Bei gewissen Bauarten kann sich die Leistungsgrenze aber nach oben verschieben (oder nach unten wenn man es falsch macht).

Die meist verwendeten Heatpipes haben kaum Unterschiede je nach Lage. Sonst müssten die Hersteller ja anschreiben, wie man sie richtig einbaut, damit sie auch funktionieren. Es gibt einzelne Kühlkonstruktionen auf dem Markt, bei denen die Einbaulage entscheidend ist. Das wird in der Anleitung dann aber auch klar beschreiben, weil es sonst katastrophal schlecht laufen würde.
Beispiel:

https://www.caseking.de/icegiant-prosiphon-elite-cpu-kuehler-240mm-schwarz-cpig-001.html

 

[krelog]

ja das es eine Gundlatte eines Wasserkühlers ist haben wohl di meisten gesehen aber was willst du uns sagen das querüber den Die die stömung schlechter ist als längs ?

 

[hansdampf]

ALso für mich sind die Bilder verständlich, Man erkennt dass der Heatspreader wirklich die Wärme verteilt, was die Temperaturbilder zeigen. Und man erkennt auch dass die große Oberfläche eines Wasserkühlers ohne Heatspreder obsolet ist. Denn in der Mitte bildet sich ein Hotspot.

 

[S.nase]

Das habe ich zwar nicht gemeint, aber ist natürlich auch ein wichtiger Punkt. Die Wärme verteilt sich längst der Kühlrippen entlang natürlich viel besser als quer zur Rippung, weil der KühlkörperQuerschnitt längst der Rippung deutlich größer ist. Aber das haben sie ja schon bei den Thermoaufnahmen richtig beachtet.

Ich wollte ja nur wissen was die beiden Thermobilder unterscheidet. Das zweite Bild ist vermutlich von oben durch eine "durchsichtige Wasserkühlkammer" aufgenommen. Und des erste Bild..ja keine Ahnung. Ohne eine Beschreibung zum Messaufbau, ist für mich die Deutung solcher Thermobilder etwas schwierig. Auf dem ersten Blick, hatte ich jetzt ehr gedacht, das der Wärmekontakt bei der zweiten Bildreihe einfach nur schlechter ist, weil zwei Hotspots vorhanden sind. Also das Kristall nur an den Enden direkt auf dem Kühler punktuell aufliegt, weil der Kühlerboden eventuell nicht absolut eben ist. Sowas kann ein entsprechend weicher Heatspreader natürlich ausgleichen.

 

[hansdampf]

Für mich zeigt das Bild einfach nur zwei Ansichten: Draufsicht/Untersicht.

Eigentlich sollte damit die Frage beantwortet sein. -> Der Heatspreader sorgt für eine Wärmeverteilung auf einer größen Fläche um somit die Kühlleistung des Kühlers Aufgrund der Nutzung einer größeren Oberfläche zu verbessern. Da spielt es auch wohl keine Rolle ob Wasserkühler oder Heatpipekühler. Beim Heatpipekühler würden dann wohl effektiv nur zwei Heatpipes kühlen, was bei einem Kühler aus sechs Heatpipe deutlich seine Kühlleistung senken würde.