Fachthema
Kühlen Kopf bewahren bei Embedded Systems
Durch die Fortschritte bei der Chiptechnologie ist heute eine um Größenordnungen höhere Rechenleistung bei geringerer Verlustleistung möglich. Der Embedded Systems Entwickler muss sich dabei aber stets über die Thermodynamik im Gerät Gedanken machen.
Mit Embedded Systems haben wir heute eine Rechenleistung in kleinen alltäglichen Geräten zur Verfügung, die in der Vergangenheit den Raum ganzer Hallen benötigte. In den Anfangstagen des Personal Computers stand ein großer Kasten neben dem Schreibtisch, mit aus heutiger Sicht lächerlicher Leistung. Die Lüfter in den Kästen machten ordentlich Lärm. Diese Lüfter waren dazu da, die Wärme aus den Geräten zu leiten, damit die Chips im Gerät nicht den Hitzetod erlagen. Auch heute gilt: Je mehr Rechenleistung, desto mehr Abwärme, desto höher die Aufwände diese von den empfindlichen Bauteilen weg zu bekommen.
Durch die großen Fortschritte bei der Chiptechnologie, wie kleinere Strukturbreiten, ist heute eine um Größenordnungen höhere Rechenleistung bei geringerer Verlustleistung möglich. Der Embedded Systems Entwickler muss sich über die Thermodynamik im Gerät weiterhin von Anfang an Gedanken machen. Dabei muss der Entwickler viele unterschiedliche Betriebsarten berücksichtigen. Sie kennen das: Wenn sie mit Ihrem Handy Videos schauen oder es aufladen, wird es wärmer, als bei Telefonaten oder wenn Sie eine Nachricht schreiben. Der Rechner muss mehr leisten und damit geht’s im Inneren auch heißer her.
Simulation
Beim Entwickeln wird für das Temperaturmanagement viel Aufwand betrieben. In der Platine können größere Kupferflächen für eine bessere Wärmeverteilung sorgen. Wärmeleitfähige Verbindungen zwischen Chips und Gehäuseteilen können ebenfalls nützlich sein. Mittlerweile gibt es leistungsfähige Simulationswerkzeuge, die direkt in Verbindung mit dem CAD-Programm für die Leiterplattenentwicklung, die Wärmeentwicklung und Temperaturverteilung auf einer Baugruppe vorherberechnen. Diese Simulationen bieten einen ersten Überblick über potenzielle Problemstellen.
Wärmemanagement
Der Entwickler kann frühzeitig Maßnahmen für das Wärmemanagement setzen. Im Designprozess müssen Prototypen laufend mittels Wärmebildkameras in unterschiedlichen Betriebszuständen geprüft werden.
Die Umgebungsbedingungen setzen weitere thermische Grenzen für den Einsatz eines Geräts. Wenn im Umfeld bereits hohe Temperaturen herrschen, muss die Wärme möglicherweise mit aufwändigeren Verfahren abgeleitet werden. Für diese Fälle können Geräte klimatisiert werden. Am Markt gibt es dafür viele leistungsfähige Verfahren, wie Lüfter, Flüssigkeitskühlung oder Peltier-Elemente. Aber auch die temporäre Reduktion der Rechenleistung kann zielführend sein und die Lebensdauer des Geräts verlängern.
