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Re: "Plötzlicher Pentium-4-Tod" durch Übertakten
RaymannStyleZ - 11.05.2004, 14:43"Plötzlicher Pentium-4-Tod" durch Übertakten
"Plötzlicher Pentium-4-Tod" durch Übertakten
Mehrere Hardware-Webseiten berichten, dass Intel-Pentium-4-Prozessoren durch dauerhaften Betrieb mit überhöhter Versorgungsspannung ausfallen.
Seit Intel den Pentium 4 mit Northwood-Kern herausgebracht hat, erfreut sich dieser Prozessor großer Beliebtheit bei Übertaktern. Zwar ist der interne Multiplikator bei Intel-Prozessoren schon seit Jahren unveränderlich. Doch durch eine Steigerung der Front-Side-Bus-Taktfrequenz lässt sich der Pentium 4 leicht auf höhere Frequenzen bringen. Vor allem der Betrieb bestimmter Versionen mit FSB400-Schnittstelle mit FSB533 funktioniert häufig vergleichsweise problemlos. So lässt sich die Taktfrequenz um ein Drittel steigern.
Damit die eigentlich nicht für diese Betriebsfrequenz vorgesehenen Pentium-4-Modelle stabil laufen, sind eine leistungsfähigere (Wasser-)Kühlung und eine Steigerung der Versorgungsspannung (Core Voltage, Kernspannung) hilfreich.
Doch es scheint eine Häufung von CPU-Ausfällen durch dauerhaft überhöhte Kernspannungen zu geben. Weil der Pentium 4 eine eingebaute Taktdrosselung bei Überwärmung besitzt, sind spontane Ausfälle durch Überhitzung unwahrscheinlich. Unter Umständen ist für den "Plötzlichen Prozessortod" (Sudden Northwood Death Syndrome, SNDS) das Phänomen Elektromigration verantworlich, über das c't in der Vergangenheit bereits berichtete.
Als Elektromigration bezeichnen Forscher den Effekt, dass der Stromfluss in einem elektrischen Leiter zur Wanderung einiger Moleküle führt. Bei großen Kabeln fällt das nicht ins Gewicht, bei den winzigen Strukturen der Leiterbahnen in Halbleiterchips aber schon. Ausgewaschene Moleküle führen zu Fehlstellen, sodass sich an diesen Stellen der Leiterwiderstand und die Stromflussdichte erhöhen. Das wiederum verstärkt den Effekt der Elektromigration, bis zum Schluss der Leiter unterbrochen ist -- die Schaltung fällt aus.
Umgekehrt kann Elektromigration auch Kurzschlüsse zwischen eng benachbarten Leiterbahnen hervorrufen, wenn sich die anderswo abtransportierten Moleküle an einer Stelle anlagern. Sie bilden dort einen Vorsprung, an dem je nach Spannungsgefälle hohe elektrische Feldstärken auftreten. Das wiederum beschleunigt die Anlagerung weiterer Moleküle, bis irgendwann eine Brücke zu einem anderen Leiter entsteht; auch dann fällt der Schaltkreis aus.
Intel hat in der Vergangenheit Entwickler über Elektromigration informiert und erforscht gemeinsam mit Hochschulen diesen Effekt, der prinzipiell alle Halbleiterchips betrifft und in Zuverlässigkeitsberechnungen berücksichtigt wird.
Es ist bekannt, dass manche Metalle anfälliger sind für Elektromigration als andere; das ist einer der Gründe für den Einsatz von Kupfer (statt Aluminium) in modernen Chips. Wie schon erwähnt, steigern hohe Stromflussdichten die Wahrscheinlichkeit von Schäden -- je feiner eine Leiterstruktur aber ist, umso größer wird bei gleicher Stromstärke die Flussdichte. Möglichst "glatte" Leiterformen sollen ebenfalls der Elektromigration entgegenwirken.
Eine weitere Maßnahme ist die von Intel bereits mit den ersten 0,13-µm-Prozessoren eingeführte adaptive Spannungsregelung. Schon bei den Tualatins und eben auch bei den Northwoods senken die Kernspannungsregler auf dem Mainboard mit steigendem Strom die Versorgungsspannung. Das mindert nicht nur die maximale Leistungsaufnahme, sondern senkt auch die Stromflussdichte.
Genau diese Sicherheitsmaßnahme hebeln Übertakter aus, wenn sie zum Erreichen hoher Frequenzen die Kernspannung von nominell 1,475 bis 1,55 Volt auf 1,85 Volt oder darüber anheben.
Außerdem werden die Prozessoren dann wesentlich wärmer. Und das Ausmaß der Elektromigration hängt auch von der Betriebstemperatur des Prozessors ab. Deshalb empfehlen sich für extreme Übertaktungsversuche Prozessorkühler mit Kältemittelverdampfer, wie sie die dänische Firma Asetek (Vapochill) oder Chip-Con (Prometeia) liefern. Im Jahre 1999 hatte KryoTech mit vergleichbaren Mitteln den AMD Athlon auf damals sensationelle 1 GHz gebracht, und es sollte einstmals auch Macintoshs mit 1200 MHz geben.
Re: "Plötzlicher Pentium-4-Tod" durch Übertakten
RaymannStyleZ - 11.05.2004, 14:49
Zitat:
Seit dem Erscheinen des aktuellen Pentium 4 Core mit der Bezeichnung "Northwood" hat es sich herumgesprochen, dass diese Modellreihe mit besonders geringem Aufwand recht weit zu übertakten ist. Besonders beliebt sind hierbei die Versionen mit 1,6 & 1,8 GHz, versprechen sie doch den größten Zugewinn an Leistung bei einem minimalen Aufwand an (T)Euros. Nicht wenige dieser CPUs lassen sich auf Taktfrequenzen von bis zu 2,4 GHz bringen.
Von den schnelleren und aktuelleren Pentium 4 Modellen sind insbesondere jene im noch bessere Erfolge versprechenden C1-Stepping die begehrtesten Overclocking-Aspiranten - mancher 2,4 GHz Prozessor wird von echten Hardcore-Overclockern auf über 3 GHz "geprügelt". Um das zu bewerkstelligen, bedarf es der Overclocking-Gemeinde nach nur der Anhebung der Kernspannung (Vcore) und einer möglichst effizienten Kühlung.
In den meisten Fällen helfen hier Tips in der Form von "einfach Vcore auf 1,85 Volt erhöhen und einen Alpha PAL8942T oder ähnlichen Kühler draufsetzen und das war´s. Versuch es doch erst einmal mit dem boxed-Kühler, der hat bei mir völlig ausgereicht." Na prima, der von Intel mitgelieferte Kühler tut es also auch - und ist noch dazu billiger als ein zusätzlich zu erstehender HighEnd-Kühler. So einfach kann Overclocking also sein - oder? Radio Eriwan würde sagen: "Im Prinzip ja, aber ..."
Denn ja, da ist noch etwas. Etwas, dass derzeit die "Angst" bei den Overclockern umgehen lässt. Denn bei einigen übertakteten Exemplaren will sich die Freude über den nahezu kostenlosen Zugewinn an Leistung nicht dauerhaft einstellen. Die Sache hat sogar schon einen Namen: In den einschlägigen Foren geht ein Gespenst namens "SNDS" um. SNDS steht hier als Abkürzung für "Sudden Northwood Death Syndrome", also das urplötzliche Sterben des heißgeliebten Prozessors, was zudem noch aus der Sicht des Overclockers völlig unmotiviert geschieht.
Ist der Pentium 4 Northwood also doch nicht so leicht zu übertakten wie gedacht? Ist Intel Schuld und hat man irgendeinen Mechanismus installiert, der all zu forsche Overclocker reumütig zum Neukauf und moderaten CPU-Frequenzen zwingen soll? Mitnichten. Hier spielt dem Overclocker die Physik einen Streich und dieser Streich heißt Elekromigration.
Elektromigration - Was ist das?
Unter dem Begriff der Migration versteht man im Allgemeinen "wandern, abwandern". Natürlich wandert die übertaktete CPU nicht, aber in ihrem Inneren gehen beim Übertakten mit zu hoher Kernspannung (Vcore) die Metallatome in den winzigen Leitern auf Wanderung, bedingt eben durch die Elektromigration. Das klingt im ersten Schritt natürlich etwas esoterisch, hat aber durchaus physikalische Hintergründe, wenngleich diese auch alles andere als trivial sind. Um sich das vorstellen zu können, muss etwas ausgeholt werden (keine Panik, nur ein wenig):
Warum leiten Metalle überhaupt Strom? Da sich in Metallen keine Ionen oder Atombindungen ausbilden können, ergibt sich eine Metallbindung. Hier sind alle Valenzelektronen im gesamten Kristall frei beweglich, sie werden von allen Atomen quasi "geshared". Dieser Zustand wird des besseren Verständnisses wegen als "Elektronengas" bezeichnet. Wird nun eine Spannung an diesen metallenen Leiter angelegt, wandern die freien Elektronen dieser "Gaswolke" durch das Kristallgefüge und es fließt ein elektrischer Strom. Dies ist der gewünschte Zustand.
Nun gibt es aber eine Eigenart im Verhalten der Atomverbände, wenn die Stromstärke extrem wird - die Ursache der Elektromigration liegt somit zum Teil in zu großen Stromdichten (>106 A/cm2). Durch derart hohe Stromdichten kommt es zu einer Anhäufung von Zusammenstößen zwischen den Elektronen als Ladungsträger und den ortsfesten Atomen im Gitterverband. Die freien Elektronen haben eine sehr hohe kinetische Energie und schubsen die äußeren Elektronen der ortsfesten Atome aus ihrer Bahn.
Die verbleibenden positiv geladenen Atomrümpfe bewegen sich nun in Stromrichtung und rekombinieren mit freien Elektronen an anderer Stelle wieder zu Metallatomen. Voilá, und hier haben wir nun also unsere Materialabwanderung! Wie so etwas aussehen kann, hat man mit einem Elektronenrastermikroskop aufgezeichnet:
Das linke Bild zeigt eine Unterbrechung einer Leiterbahn und das rechte Bild zeigt eine Materialanhäufung durch Migrationseffekte. Bei der Unterbrechung ist das Leitermaterial partiell abgewandert, ein Stromfluß ist nicht mehr gegeben. Der Prozessor wäre in diesem Fall unwiederbringlich zerstört. Eine Anhäufung kann im schlimmsten Fall einen Kurzschluß mit einer anderen Bahn hervorrufen, auch hier ist der Prozessor dauerhaft defekt. Dies ist übrigens der große Unterschied zu anders bedingten, temporären Ausfällen (z.B. kurzfristige Überhitzung mit Rechnerabsturz als Folge): Ein durch Elektromigration beschädigter Prozessor ist permanent defekt und taugt nur noch als Schlüsselanhänger.
Die oben aufgeführte Betrachtung stellt allerdings nur einen kleinen Teil der Ursache von Migrationseffekten dar. Elektromigration hängt u.a. auch von der Struktur der Korngrenzen, Länge und Querschnitt der Leiter sowie mechanischen Spannungen im Leiter ab. Zudem spielt das verwendete Material eine große Rolle. Derzeit wird in der Prozessorherstellung Kupfer verwendet. Dieses ist nicht nur leitfähiger als das bislang verwendete Aluminium, es ist auch etwa 100mal weniger störanfällig für Elektromigration als Aluminium.
Der Migrationseffekt steht in direktem Zusammenhang mit der Strukturgröße, denn je kleiner der Querschnitt eines Leiters, desto höher ist die Stromdichte in ihm. Für die Elektrotechniker: Die Stromdichte (S) ergibt sich aus dem Quotienten von Strom (I) zu Querschnittsfläche (A) eines Leiters (S = I/A). Daher ist die Gefahr der Elektromigration in kleinen Strukturen wie z.B. im Pentium 4 größer als in seinen Vorgängermodellen. In jedem Prozessor gibt es typische Engpässe in der Struktur (Leiterbahnverengungen, Stufen zwischen den jeweiligen Schaltungsebenen etc). Diese Stellen sind die eigentlichen Schwachpunkte, Angriffspunkte für die Elektromigration.
Die Prozessoren-Hersteller sind sehr bemüht, diese Schwachpunkte zu eliminieren, aber nur zur Erinnerung: Ein Pentium 4 beherbergt auf 148 mm² ca. 54 Mio. Transistoren, genug "Versteckmöglichkeiten" also für jede Menge Engpässe. Die Verbindungsleitungen zwischen den einzelnen Strukturen sind nur 60nm groß - das entspricht etwa dem Eintausendstel des Durchmessers eines menschlichen Haares! Dass hier bei Überbeanspruchung des Prozessors Elektromigrationseffekte auftreten können, ist durchaus denkbar. Unglücklicherweise wird der Migrationseffekt durch erhöhte Temperaturen begünstigt, ein schlecht gekühlter Prozessor wird also eher ausfallen als ein gut gekühlter.
Um die thermische bedingte Verstärkung der Elektromigration nicht noch zu unterstützen, werden von den Herstellern Leiterbahnen bei gleichem Querschnitt breiter ausgeführt, um so mehr Wärme über die dann größere Oberfläche an das Kühlmedium abgeben zu können. Viele Hitzequellen sind jedoch sogenannte "Hot-Spots", lokale Stellen in der Prozessor-Struktur, welche deutlich heißer werden als der Rest des Prozessors. Diese Stellen sind aufgrund der thermischen Trägheit auch mit einem noch so guten Kühlkörper nicht kühlbar. Ein schwacher Trost allerdings nur für all diejenigen, die das sogenannte SNDS schon am eigenen Prozessor erfahren haben.
st nur der Pentium 4 anfällig?
Genaugenommen gilt zuvor gesagtes natürlich auch für Prozessoren anderer Hersteller, die ebenso kleine Prozessorstrukturen anstreben bzw. schon im Programm haben. Daher wird es in absehbarer Zeit wohl auch ein "SADS" geben, ein "Sudden Athlon Death Syndrome" ;-). Elektromigration tritt übrigens auch in Prozessoren auf, die Datenblatt-konform betrieben werden. Jedoch sind die Migrationseffekte hier wesentlich langsamer am Werke und eine CPU hat in Anbetracht der geringen "natürlichen" Migrationseffekte eine relativ lange Lebensdauer. Mittels der Übertaktung verstärkt man natürlich die Migrationseffekte, so dass in jedem Fall die Lebensdauer sinkt.
Jedoch - da ein derzeit aktueller Prozessor in 10 Jahren sowieso schon lange Schnee von Gestern ist, würde eine Halbierung der Lebensdauer durch Übertaktung und Migration eigentlich niemanden ernsthaft stören. Wieso also nicht übertakten, was das Zeug hält? Ganz einfach: Der beschleunigte Alterungsprozess ist nicht kontrollierbar. Ein mit deutlich überhöhter Kernspannung betriebener Prozessor kann gut und gerne 3 Jahre problemlos funktionieren - eventuell aber auch nur 3 Monate oder auch nur 3 Wochen :-(.
Was kann man dagegen tun?
Eine schwierige Frage. Gar nicht zu übertakten, ist natürlich die einfachste Lösung, doch nicht sehr reizvoll in Anbetracht der vielen funktionsfähigen übertakteten Systeme. Zudem kann ein definierter Ausfall zeitlich nicht vorhergesagt werden. Es gibt übertaktete Systeme, die schon relativ lange stabil und problemlos arbeiten. Je nach Fertigungsstätte und der Lage des Prozessor-DIEs auf dem Herstellungs-Wafer scheint nicht jeder Prozessor gleich anfällig für Migrationseffekte zu sein.
Eine pauschale Aussage kann derzeit nicht getroffen werden, aber vielleicht doch einige Ratschläge: Wie aus diversen Foren-Meldungen ersichtlich ist, gibt es offensichtlich Tabugrenzen für die Kernspannung beim Northwood: Die meisten Ausfälle wurden bei Kernspannungen jenseits der 1,85 Volt gesehen. Gerade diese Prozessoren, die mit Vcore um oder über 2 Volt betrieben wurden, fielen häufig bereits nach wenigen Wochen aus.
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