Computerhardware: Alterung

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Welche Prozesse führen dazu, dass Computer altern?

[Bearbeiten] Kondensatoren

Im Netzteil, auf der Hauptplatine, den Erweiterungskarten und anderen Komponenten sind insgesamt fünfzig bis hundert Elkos (Elektrolyt-Kondensatoren) verbaut, um die Betriebsspannungen zu glätten. Leider hat das Elektrolyt die Neigung auszutrocknen: Je wärmer es im Computer ist, umso schneller. Dadurch verringert sich die Fähigkeit der Elkos, Ladung zu speichern und die Spannung zu glätten.

Leider werden oftmals minderwertige Kondensatoren eingebaut, um die Platinen billiger zu machen. Dabei gehen manche Firmen durchaus selektiv vor: Auf Platinen für professionelle Computer werden die besseren Elkos eingebaut. Platinen für Spieler werden mit verwertbarem Schrott bestückt, weil Hardcore-Gamer ohnehin jedes Jahr einen neuen PC kaufen, wozu also eine Haltbarkeit von zwei Jahren vorsehen?

Verschärft wird die Lage durch die Unsitte, unterdimensionierte Elkos einzusetzen. Es wird empfohlen, Elkos nur mit der Hälfte ihrer zulässigen Maximalspannung zu betreiben^[1][2].

Laut Spezifikation der Netzteile darf beispielsweise die 12-Volt-Spannung um 5% schwanken, also von 11,4 bis 12,6 Volt. Ein Elko mit einer zulässigen Höchstspannung von 12,6 Volt ist offensichtlich zu knapp dimensioniert, es gibt keine Sicherheitsreserve. Trotzdem werden solche Kondensatoren verbaut. Damit spart der Hersteller ein bis zwei Euro pro Hauptplatine.

Die Unsitte, minderwertige Kondensatoren zu verwenden, hat so weit um sich gegriffen, dass erste Hersteller in ihrer Werbung Garantien für die Lebensdauer der verwendeten Kondensatoren geben. Nebenstehend ein Ausschnitt von der Verkaufsverpackung einer Hauptplatine. Der Hersteller meint, dass jeder einzelne Elko mindestens 5000 Stunden durchhält. Das sind jedoch nur 625 Tage zu je acht Arbeitsstunden! Abgesehen davon dürfte es schwierig sein, bei einer defekten Hauptplatine nachzuweisen, dass einer von 50 bis 100 Elkos am Defekt schuld ist. Selbst wenn Sie mit bloßem Auge sehen können, dass ein Kondensator kaputt ist - weisen Sie mal dem Hersteller der Hauptplatine nach, dass nicht eine Überspannung aus dem Netzteil die Ursache des Schadens ist!

Wenn dieser Hersteller 5000 Stunden für einen so guten Wert hält, um damit zu werben - wie hoch ist dann wohl die durchschnittliche Lebenserwartung von Boards, die nicht beworben werden?

Die Lebensdauer von Kondensatoren hängt stark von der Temperatur ab. Ein Temperaturanstieg um 10°C halbiert die Lebensdauer, weitere 10°C halbieren sie noch einmal.

[Bearbeiten] Mechanischer Verschleiß

Die Lager der Festplatte sind hoch beansprucht. Normalerweise halten sie einige Jahre durch. Hohe Temperaturen, Vibration und Erschütterungen können die Lebensdauer deutlich verringern.

Am schnellsten jedoch versagen die Lager der Lüfter. Der Staub verringert die Drehzahl der Lüfter. Den größten mechanischen Widerstand hat der Lüftermotor beim Anlaufen zu erbringen. Irgendwann schafft er es nach dem Einschalten nicht mehr, anzulaufen.

[Bearbeiten] Elektromigration

Kleiner werdende Prozessorstrukturen führen zu neuen Problemen. Die Leiterbahnen im Inneren moderner CPUs sind teilweise nur noch 15 bis 20 Atome dick. Die Magnetfelder um jeden Leiter herum, verbunden mit den hohen Temperaturen im Inneren der CPU, bewirken, dass vereinzelte Atome ihren Platz im Kristallgefüge verlassen, das nennt man „Elektromigration“. Wenn dadurch ein hauchdünner Leiterzug noch dünner wird, steigt sein elektrischer Widerstand. Es kann zu einem sich verstärkenden Effekt kommen: Je größer der Widerstand wird, desto mehr erwärmt sich der Leiter, wenn Strom hindurchfließt. Die Abwanderung der Atome beschleunigt sich, bis der Leiterzug durchbrennt. ^[3]

Dieser Alterungseffekt tritt vor allem bei den letzten Pentiums auf, die vor der Entwicklung der Dual-Core-Technologie produziert wurden. Dual-Core-CPUs werden nicht sehr warm, im Leerlauf ist ihre Temperatur nur drei bis fünf °C höher als die Temperatur der Hauptplatine. Ganz anders die älteren Single-Core-CPUs: Nach einem Jahr liegt die Temperaturdifferenz bei 10 bis 15 °C, nach zwei Jahren bei 15 bis 20 °C. Im Sommer stürzt der PC immer öfter ab, bis der Austausch der CPU unumgänglich wird.

[Bearbeiten] Mikrorisse

Die Leiterzüge in den achtlagigen Leiterplatten sind sehr dünn und empfindlich. Wenn sich beim Bestücken mit Arbeitsspeicher und Flachbandkabeln die Hauptplatine durchbiegt, werden Leiterzüge gedehnt und können einreißen. Nach dem Einschalten erwärmt sich die Hauptplatine und dehnt sich aus, wobei Trägermaterial, Leiterzüge und Bauelemente unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben. Nach dem Ausschalten des PC schrumpft sie wieder. Diese mechanische Belastung kann Haarrisse verursachen bzw. vergrößern.

[Bearbeiten] Lange Lagerung

Vermutlich hat es nur geringe Auswirkungen, dass die Schmiermittel in den Lagern von Festplatte und Lüftern verharzen. Die Alterung der Elkos ist schlimmer.

Durch einen Elko fließt ständig ein kleiner Verluststrom, „Reststrom“ genannt. Wenn Elkos längere Zeit spannungsfrei sind, finden im Inneren chemische Prozesse statt, die zur Vergrößerung des Reststroms führen. Normalerweise stört das nicht. Wird Spannung angelegt, regeneriert sich der Elko innerhalb einiger Stunden. Werden Elkos jedoch nach mehrmonatiger Lagerung unter Spannung gesetzt, fließt ein hoher Strom, der fast an einem Kurzschluss heranreichen kann. Der Elko erwärmt sich durch den Stromfluss, das Elektrolyt verdampft und der Elko ist kaputt oder seinem Lebensende ein großes Stück nähergerückt ^[4]. Der kritische Zeitraum bei hochwertigen Elkos liegt bei zwei Jahren, aber die Hauptplatine ist vermutlich nicht mit hochwertigen Elkos bestückt. Gehen Sie sicherheitshalber davon aus, dass sechs Monaten ohne Spannung gerade noch ungefährlich sind.

Was man dagegen tun kann? Schalten Sie einen ungenutzten PC jeden Monat oder jedes Quartal für einige Stunden ein. Sie brauchen dazu Tastatur, Maus und Bildschirm nicht anschließen. Lassen Sie ihn einige Stunden eingeschaltet und drücken Sie dann kurz auf die Power-On-Taste, dann fährt er herunter.

Falls Sie im Schrank eine alte Festplatte mit Daten haben, die Sie aufheben wollen, sollten Sie auch diese hin und wieder für einige Stunden an die Stromversorgung eines Computers anstecken. Ein Datenkabel braucht nicht angeschlossen zu werden, es genügt, wenn sich die Festplatte dreht.

Ist Ihnen eigentlich aufgefallen, wie viele Gründe es gibt, die Temperatur im PC möglichst niedrig zu halten?

Quellen

1. ↑ Die Betriebsspannung von Elkos sollte die Hälfte der Nennspannung nicht überschreiten: http://www.controllersandpcs.de/lehrarchiv/pdfs/elektronik/pass02_02x.pdf (Seite 4)
2. ↑ Eine möglichst kleine Betriebsspannung erhöht die Lebensdauer von Elkos http://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/1011281.htm
3. ↑ Alterung von CPUs durch Elektromigration: http://www.heise.de/ct/Ploetzlicher-Pentium-4-Tod-durch-Uebertakten--/hintergrund/meldung/34186
4. ↑ Langzeitverhalten von Kondensatoren http://www.rundfunkmuseum-koeln.de/joomla/aktivitaeten/arbeitsgruppen/kondensatoren?186f9c09e99dd27c3b31082480d74edd=efc4da8d164d5dcccdef3facb8cd7dcc