Pentium 4 in Gefahr?
Besitzer von übertakteten Pentium-4-Systemen erzittern derzeit vor einem Phänomen, das als "Sudden Northwood Death Syndrome" durch die Foren geistert. PCGH zeigt, was dahinter steckt.
Seit der Einführung der 0,13-Mikrometer-Technologie bei PC-Prozessoren häufen sich die Meldungen in Foren über plötzlich krepierende CPUs - meist infolge von beher(t)zten Overclocking-Versuchen. Ausfälle durch starke Übertaktung gab es natürlich auch schon in der Vergangenheit - verbrannte Prozessor-Kerne durch Überhitzung, hervorgerufen durch mangelhafte Kühlung bei zu hohem Takt und/oder zu hoher Spannung, sind nicht wirklich neu. Allerdings scheint es dieses Mal vermehrt auch die erfahrenen Übertakter zu betreffen, die sich Gedanken zum Thema Kühlung gemacht und Stabilitätstests mit ihrem System gefahren hatten.
Wurzel des Übels: Die Elektromigration
Die winzigen 0,13-Mikrometer-Strukturen des Pentium 4 und seine hohen Taktfrequenzen begünstigen die Elektromigration. (Bild: Intel)
Verantwortlich für das beklagte CPU-Sterben scheint ein bekannter Effekt aus der Elektrotechnik zu sein: die Elektromigration (EM). Elektrische Ladungen (und damit Strom) werden in einem Leiter durch die Bewegung von Elektronen transportiert, respektive durch die positiv geladenen Atomrümpfe, die durch die Ablösung der negativ geladenen Elektronen entstanden sind. Es findet also in kleinstem Rahmen eine Bewegung von Materie in den Leiterbahnen statt. Normalerweise handelt es sich dabei um einen lokal begrenzten Effekt, vergleichbar mit dem Weiterreichen von Wassereimern in einer langen Menschenkette. Unter bestimmten Umständen jedoch können die Stöße durch die transportierenden Teilchen auf die Moleküle der Gitterstruktur des Leiters so heftig ausfallen, dass ganze "Brocken" davon herausgeschlagen und mitgerissen werden, um sich anderswo wieder anzulagern.
54 Millionen Transistoren
Elektromigration im Zeitraffer, hier in einem relativ dicken Aluminium-Leiter von 8 Mikrometer. Die Verformungen sind deutlich zu sehen. (Quelle: www.ifw-dresden.de)
In herkömmlichen makroskopischen Kabeln spielt der Effekt natürlich keine Rolle, in den winzigen Leiterbahnen eines in 0,13-Mikrometer-Technik hergestellten Prozessors sehr wohl. Hier quetschen sich im Falle des Intel Pentium 4 Northwood fast 54 Millionen Transistoren und die dazugehörigen Leiterbahnen auf einer Fläche von nur 148 mm². Der Abstand zwischen den Leiterbahnen beträgt nur etwa 0,06 Mikrometer. Wenn hier die Elektromigration eine Zeit lang wirkt, können an neuralgischen Punkten Molekülanhäufungen (Hillocks) entstehen, Verdickungen, die unter Umständen derart anschwellen, dass sie einen Kurzschluss mit dem benachbarten Leiter verursachen können. Im Umkehrschluss können an anderen Stellen, wo Moleküle fortgerissen wurden, Löcher (Voids) und somit Verbindungsabrisse auftreten. In beiden Fällen ist der Prozessor unwiederbringlich verloren.
Je höher die Stromdichte, desto größer die Gefahr
Der Effekt der Elektromigration ist von mehreren Faktoren abhängig. Neben der Dicke der Leiterbahnen spielt die Stromstärke eine wichtige Rolle: Je mehr Ladungen transportiert werden, desto ausgeprägter ist der Effekt. Fasst man beide Punkte zusammen, sind wir beim Begriff der Stromdichte, die in Ampere pro Quadratmeter gemessen wird. Je höher die Stromdichte, desto stärker der EM-Effekt. Ein weiterer Faktor ist die Hitze, die durch den Stromfluss entsteht, die Beschaffenheit des Leiters (je glatter,
desto weniger ausgeprägt der Effekt), die Ausrichtung der Moleküle im Leiter zueinander und das Material selbst.
