Der neue  “Equalizer”-Wasserblock von Thermal Grizzly spielt heute bei der Betrachtung von Hotspots und Warpage eneut eine wichtige Rolle. Sein Ziel war ja nicht der maximale Rekordwert, sondern eine möglichst ausgeglichene Kühlerseite. Der stabile Durchfluss, der moderate Druckverlust und die große thermische Masse sorgen dafür, dass der Block selbst nicht dauernd neue Hot- und Coldspots erzeugt. Genau dadurch wird die Interpretation der Sensoren überhaupt so sauber. Wenn der Block auf der Wasserseite instabil wäre, könnten die Spitzen durch Strömung, Druckschwankungen oder lokale Kühlerartefakte entstehen. Das sieht hier aber nicht danach aus. Die starken Unterschiede zwischen T1 bis T4 und T13 bis T16 entstehen nicht, weil der Kühler plötzlich an einer Ecke versagt und im Zentrum zaubert. Sie entstehen auf der Die- und TIM-Seite, also vor dem Kupferboden. Die 1-mm-Bodenplatte kann Wärme sehr gut verteilen, aber erst, nachdem die Wärme die TIM-Grenzfläche passiert hat. Der RTD-Sensor sitzt davor. Er ist schneller als die Beruhigung durch den Block. 

An dieser Stelle muss ich meine ursprüngliche Einordnung aus dem ersten Artikel zum TTV10 und den damaligen TIM-Messungen ein Stück weit präzisieren. Nicht grundsätzlich zurücknehmen, aber erweitern. In der ersten Betrachtung spielte Warpage, also die thermomechanische Verformung von Die, Package und Kontaktfläche unter Lastwechseln, noch keine tragende Rolle. Damals lag der Fokus stärker auf der reinen thermischen Leistungsfähigkeit der Materialien, der Bond-Line-Thickness, der Kontaktqualität und der Frage, wie sich unterschiedliche TIM-Klassen unter definierter Last verhalten. Mit den Messungen am neuen Wasserblock hat sich diese Gewichtung verschoben. Der Block wurde bewusst nicht als maximal aggressiver Rekordkühler ausgelegt, sondern als möglichst ausgeglichenes Messwerkzeug. Genau das ist der entscheidende Punkt: Durch seine gleichmäßigere thermische Antwort, die stabile Hydraulik, die große thermische Masse und die reduzierte Neigung zu kühlerseitigen Hot- und Coldspots scheidet er als naheliegender Verursacher vieler Messartefakte weitgehend aus. Was übrig bleibt, muss also woanders entstehen. Und damit rückt zwangsläufig die Grenzfläche selbst stärker in den Mittelpunkt.

Besonders deutlich wurde das im Vergleich verschiedener Materialklassen. Eine klassische Paste, ein PTM-Sheet und ein festeres Sheet wie das Carbice IP90 reagieren unter Lastwechseln nicht nur thermisch, sondern auch mechanisch völlig unterschiedlich. Eine Paste kann sich verdrängen, verteilen, austrocknen oder pumpen. Ein PTM kann unter Temperatur weicher werden, sich setzen und die BLT dynamisch reduzieren. Ein festes Sheet wie IP90 besitzt wiederum eine andere Stärke, nämlich seine definierte Struktur und potenziell sehr gute axiale Leitfähigkeit, kann aber thermomechanische Bewegungen nicht auf dieselbe Weise durch Fließen ausgleichen. Genau hier wird Warpage relevant. Wenn sich Silizium, TIM und Kupferboden bei schnellen Lastwechseln unterschiedlich ausdehnen, entstehen lokale Änderungen des Anpressdrucks und der effektiven Schichtdicke. An einer Stelle kann der Kontakt besser werden, an einer anderen schlechter. Das erklärt, warum manche Sensoren beim Einschalten zunächst stark überschwingen und anschließend auf ein niedrigeres Plateau fallen, während andere Bereiche, teils sogar nahe der eigentlichen Hotspot-Zonen, deutlich ruhiger reagieren. Der Effekt ist also nicht allein eine Frage der lokalen Leistungsdichte, sondern auch eine Frage des lokalen Grenzflächenwiderstands.

Warpage bezeichnet die thermomechanische Verformung eines Dies, Packages, Kühlers oder einer Kontaktfläche. Beim Erwärmen dehnen sich Silizium, Kupfer, Substrat und TIM unterschiedlich stark aus, weil ihre thermischen Ausdehnungskoeffizienten nicht gleich sind. Dadurch kann sich der Die minimal wölben, kippen oder lokal anders an den Kühler anbinden. Entscheidend ist: Warpage ist nicht zwingend dauerhaft, sondern kann zyklisch auftreten. Beim Aufheizen entsteht eine andere Form als beim Abkühlen. Genau das verändert lokal die Bond-Line-Thickness und den Anpressdruck. Beim Erwärmen steigt nicht nur die Temperatur, sondern die gesamte Grenzfläche verändert sich mechanisch. Warpage verschiebt den lokalen Anpressdruck, Pump-Out verändert die TIM-Verteilung, BLT-Drift verändert den Wärmewiderstand, und Delaminierung erzeugt im schlimmsten Fall lokale thermische Abrisse. Beim Abkühlen laufen diese Effekte nicht einfach spiegelbildlich zurück, weil viele Materialien viskoelastisch, plastisch oder phasenwechselnd reagieren. Genau deshalb können wiederholte Heiß-Kalt-Zyklen eine Grenzfläche altern lassen, obwohl die absolute Maximaltemperatur allein noch unkritisch aussieht.

Damit ist die neue Betrachtung keine Abkehr von der ursprünglichen Messlogik, sondern ihre notwendige Erweiterung. Die frühen Ergebnisse waren nicht falsch, aber sie waren noch zu stark thermisch und zu wenig thermomechanisch gelesen. Erst der neue Wasserblock hat den Blick freigemacht, weil er als Störgröße deutlich kleiner geworden ist. Und wenn der Kühler als Hauptverdächtiger ausfällt, dann muss man eben genauer auf das schauen, was zwischen Die und Kühler passiert. Genau dort sitzen Warpage, BLT-Drift, Grenzflächenwiderstand und am Ende auch ein erheblicher Teil dessen, was wir bei Grafikkarten später als Hotspot-Delta wiedersehen.

Der entscheidende Punkt dieser heutigen Messung ist nicht, dass einzelne Sensoren heiß werden. Das wäre bei 480 Watt auf einem nackten 24,9 × 24,9 mm großen Die nun wirklich keine Überraschung. Spannend ist aber etwas anderes: Einige Sensoren zeigen unmittelbar nach der Energiezufuhr eine massive Temperaturspitze, fallen dann aber während der weiter anliegenden Heizphase auf ein niedrigeres Plateau zurück. Andere Sensoren, ausgerechnet die zentralen und hotspotnahen T13 bis T16, steigen dagegen vergleichsweise ruhig an und zeigen kaum ein Überschwingen. Das ist wichtig, weil damit klar wird: Wir sehen hier nicht einfach die statische Wärmeabfuhr eines TIMs, sondern eine zeitabhängige Grenzflächenreaktion. Der Die, das Carbice-IP90-Pad, der Anpressdruck, die Warpage und der Wasserblock bilden für einige Sekunden ein dynamisches System. Und dieses System ist lokal unterschiedlich schnell. Nackte Dies, wie die von GPUs oder CPUs zeigen ein sehr ähnliches Verhalten wie mein ASIC, was auch erklärt, warum der richtige Auftrag eines Wärmeleitmittels die Hotspottemperaturen so stark beeinflussen kann und auch, warum diese Hotspotwerte überhaupt so stark vom Mittelwert abweichen können.

Die Spezifikation des TTC ist dabei der Schlüssel zur Interpretation. Der Testchip besitzt eine 10 × 10 Zellmatrix, vier Hauptheizzonen S1 bis S4 und zusätzliche Hotspot-Zellen. Die zentralen Hotspots HS1 bis HS4 liegen am Kreuzungspunkt der vier Zonen, HS5 sitzt im linken oberen Bereich, HS6 im rechten unteren Bereich. Die Sensoren sind bewusst nicht gleichmäßig als hübsches Raster verteilt, sondern an charakteristischen Positionen: T1 bis T4 liegen in den Ecken, T5 bis T8 an den Rändern, T9 bis T12 in den inneren Quadranten und T13 bis T16 direkt im zentralen Hotspot-Umfeld.

Genau deshalb ist das Ergebnis zunächst verwirrend. Man würde erwarten, dass die zentralen Sensoren T13 bis T16 besonders wild reagieren. Tun sie aber nicht. Die stärksten transienten Spitzen liegen bei T1, T4, T2 und T3, also in den Eckbereichen, danach folgen die Randbereiche T8, T6 und T7. Die zentralen Hotspot-Sensoren T13 bis T16 zeigen dagegen nahezu kein echtes Überschwingen. Sie erreichen ihr Maximum viel später und liegen praktisch schon auf ihrem Plateau. Na ja, das ist dann der Moment, in dem man die einfache Erklärung „Hotspot ist halt Hotspot“ besser wieder einpackt. Das Bild unten zeigt eine durch Warpage geformte Oberfläche und es ist genau das, was mit dem heute bewusst verwendeten Pad so nicht geht. Aber es erklärt auch, warum andere feste Sheets, wie z.B. das Thermal Grizzly Kryosheet so performen, wie man sie kennt und sich diese auf einem massiven IHS wohler fühlen als auf einem Die mit Warpage. Mutmaßlich ewig haltbar, aber nicht ganz so performant und zudem auch etwas transientenabhängiger als normale Paste oder PTM-Pads.

Die Auswertung basiert auf 195 vollständigen Heizphasen aus dem Datensatz. Gewertet wurde die aktive Lastphase mit rund 480 Watt, jeweils innerhalb des 30-Sekunden-Lastfensters. Die Pause von 15 Sekunden ist für diese Betrachtung nicht Teil der Heizphase. Als Plateau wurde der Mittelwert der letzten Sekunden der aktiven Heizphase verwendet. Der Baseline-Wert liegt unmittelbar vor dem Lastanstieg. Damit wird nicht die Abkühlung bewertet, sondern der reine thermische Verlauf während der Energiezufuhr.

Die Daten sind ziemlich eindeutig. T1 erreicht im Mittel rund 90,2 °C und fällt innerhalb derselben Heizphase auf etwa 71,4 °C zurück. T4 verhält sich ähnlich, sogar mit einem noch größeren mittleren Abfall von gut 20 Kelvin. Auch T2 und T3 zeigen deutliche frühe Peaks. Bei den Randpositionen ist das Verhalten schwächer, aber immer noch klar sichtbar. T8 fällt im Mittel um 12,6 Kelvin vom Peak auf das Plateau zurück, T6 um 12,2 Kelvin, T7 um 8,3 Kelvin. Ganz anders sieht es im Zentrum aus. T13, T14, T15 und T16 liegen am Ende nur bei rund 45 bis 47 °C und zeigen praktisch keinen echten frühen Überschwinger. Der Peak kommt dort nicht nach zwei bis drei Sekunden, sondern erst nach knapp zehn bis elf Sekunden. Das ist keine Spitzentemperatur im klassischen Sinn, sondern eher das Erreichen des thermischen Plateaus. Genau das ist der entscheidende Befund.

Wenn während der aktiven Heizphase die Temperatur eines Sensors erst stark steigt und danach wieder fällt, obwohl die Leistung weiter anliegt, dann muss sich lokal etwas am thermischen Pfad ändern. Die elektrische Leistung ist in der Lastphase nicht der Grund für den Abfall, denn sie bleibt im relevanten Bereich bei rund 480 Watt. Also bleibt nur die thermische Impedanz. Im stationären Zustand kann man grob schreiben:

ΔT = P · Rth

Für den Lastsprung reicht das aber nicht. Hier muss man zeitabhängig denken:

ΔT(t) = P(t) · Zth(t)

Zth(t) ist die transiente thermische Impedanz. Sie enthält den Materialwiderstand, die Grenzflächenwiderstände, die Wärmekapazitäten und die zeitliche Verzögerung, bis Wärme überhaupt dort ankommt, wo sie abgeführt werden kann. Wenn ein Sensor bei annähernd gleicher Leistung von einem Peak auf ein niedrigeres Plateau fällt, dann sinkt lokal Zth(t). Anders gesagt: Der lokale Wärmepfad wird während des Heizens besser. Das kann mehrere Ursachen haben, die hier zusammenarbeiten. Betrachten wir das jetzt mal Schritt für Schritt: Zuerst läuft die laterale Temperaturwelle im Silizium los. Über kurze Distanzen ist Silizium ein sehr guter Wärmeleiter. Die Sensoren auf der Die-Oberfläche sehen daher sehr schnell, dass in ihrer Nähe Energie eingetragen wird oder seitlich ankommt. Die axiale Abfuhr nach oben ist dagegen nicht nur eine Frage der geometrischen Dicke. Zwar ist das TIM nur wenige Mikrometer bis einige Dutzend Mikrometer dick, aber dieser Weg enthält den Kontaktwiderstand, die reale Benetzung, die Bond-Line-Thickness, die Mikrospalte und die mechanische Anpassung. Diese Grenzfläche ist der Flaschenhals. Für den flächenbezogenen TIM-Widerstand gilt vereinfacht:

R”th = BLT / λeff

Und lokal gilt:

ΔTlocal = q” · R”th

q” ist die lokale Wärmestromdichte. Wenn nun die lokale Wärmestromdichte sehr schnell steigt, während die Grenzfläche noch nicht optimal koppelt, entsteht eine Spitze. Sobald sich die Grenzfläche mechanisch setzt, das Material elastisch nachgibt, lokale Druckverhältnisse sich ändern oder die Wärme lateral breiter verteilt wird, sinkt der lokale R”th. Dann fällt die Temperatur, obwohl die Heizleistung weiterhin anliegt. Genau das sehen wir bei T1, T4, T2 und T3. Der Sensor reagiert früh, der Kühlpfad kommt später hinterher. Der Die ist quasi schneller als der Kühler. Nicht, weil der Kühler schlecht wäre, sondern weil der Sensor auf der Die-Oberfläche den lokalen Impuls sieht, bevor die komplette axiale Entlastung über TIM, Kupferboden und Wasser wirksam ist!

Man muss hier sehr sauber trennen. Lateral bedeutet: Die Wärme breitet sich innerhalb des Dies seitlich aus. Axial bedeutet: Die Wärme verlässt den Die durch TIM, Kontaktfläche, Wasserblockboden und Kühlerstruktur. Über kurze laterale Distanzen läuft die Wärmeausbreitung im Silizium sehr schnell genug, um Sensoren früh zu erreichen. Über den gesamten 24,9-mm-Die dauert die vollständige Gleichverteilung aber länger. Deshalb können beide Aussagen gleichzeitig stimmen: Lokal ist die laterale Reaktion schnell, global ist die laterale Egalisierung nicht abgeschlossen. Das klingt erst widersprüchlich, ist aber nur eine Frage der Längenskala. Die charakteristische Diffusionszeit kann grob mit folgender Beziehung beschrieben werden:

τ ≈ d² / 4α

Dabei ist d die betrachtete Distanz und α die thermische Diffusivität. Für α gilt:

α = λ / ρcp

Silizium besitzt eine hohe thermische Diffusivität. Die Wärmefront erreicht also nahe Bereiche schnell. Der axiale Pfad ist dagegen durch die Grenzfläche limitiert. Und genau diese Grenzfläche ist bei einem VACNT-Material wie Carbice IP90 mechanisch nicht fließfähig. Das Pad kann axial sehr gut leiten, aber es schmilzt nicht auf, es füllt keine neu entstehenden Mikrospalte nach und es reduziert die BLT nicht dynamisch wie ein PTM. Das ist keine Abwertung, sondern die nüchterne Materialphysik.

Die starken Peaks an T1, T2, T3 und T4 sprechen für lokale Anfangszustände mit erhöhter Grenzflächenimpedanz. Diese Sensoren liegen in den Ecken. Genau dort ist ein Die mechanisch besonders empfindlich, weil Biegung und Anpressdruck nicht zwingend homogen wirken. Wenn der Die unter thermischer Last minimal arbeitet, also sich durch CTE-Unterschiede zwischen Silizium, TIM und Kupferboden verformt, entstehen lokale Änderungen der BLT und des Kontaktdrucks. Silizium liegt grob bei etwa 2,6 ppm/K, Kupfer bei etwa 17 ppm/K. Bei einem Temperaturhub von rund 70 Kelvin reicht das bereits für Relativbewegungen im Mikrometerbereich. Im Alltag wäre das nichts. In einer TIM-Schicht ist es ziemlich viel. Ein einzelner Mikrometer kann dort bereits ein nennenswerter Anteil der gesamten BLT sein.

Warpage kann deshalb an bestimmten Stellen den Kontakt zunächst verschlechtern. Die BLT wird lokal größer, der reale Kontakt kleiner, der Grenzflächenwiderstand steigt. Genau dort entstehen die frühen Temperaturspitzen. Sobald sich das System unter Temperatur neu setzt, kann der Kontakt wieder besser werden. Dann fällt die Temperatur auf ein niedrigeres Plateau. Das ist kein Widerspruch, sondern gerade der Hinweis auf eine zeitabhängige Grenzfläche. Bei den Eck- und Randbereichen ist diese Erklärung besonders plausibel. T1 und T4 zeigen die stärksten Abfälle vom Peak zum Plateau. T8, T6 und T7 folgen mit mittleren Überschwingern. Das sieht nach einem Ring aus Zonen aus, in denen die Anfangskopplung schlechter ist als die spätere Kopplung unter Temperatur. Anders formuliert: Der erste Impuls läuft in einen lokal zu hohen Grenzflächenwiderstand hinein, danach arbeitet sich das System in einen besseren Zustand. Die sichtbaren Rückstände auf dem ASIC stützen diese Interpretation als Indiz, nicht als alleiniger Beweis. Man sieht keine perfekte, homogene, gleichmäßig abgezogene Fläche, sondern strukturierte Kontaktzonen, Abrissmuster und lokale Materialinseln. Das ist typisch für eine Grenzfläche, die nicht überall gleich belastet wurde. Eine direkte Warpage-Messung in Mikrometern ersetzt das Bild natürlich nicht. Es zeigt aber, dass die Kontaktfläche nach dem Test nicht wie eine ideale, statisch belastete Fläche aussieht. Und genau das passt zu den Daten.

Genauso wichtig ist die andere Seite. Warpage kann nicht nur entkoppeln, sondern auch lokal stärker ankoppeln. Wenn sich der Die oder die Kontaktfläche in einem Bereich zum Kühler hin bewegt, steigt dort der Druck. Die BLT sinkt, der reale Kontakt verbessert sich, der lokale R”th wird kleiner. Dann wird nicht der Hotspot größer, sondern die Kühlung stärker. Das ist die wahrscheinlichste Erklärung für das ruhige Verhalten der zentralen Sensoren T13 bis T16. Diese Sensoren liegen nahe an HS1 bis HS4, also genau dort, wo man thermisch eigentlich die höchsten Ausschläge erwarten könnte. Stattdessen zeigen sie fast kein Überschwingen. Die mittleren Abfälle vom Peak zum Plateau liegen nur zwischen 0,16 und 0,56 Kelvin. Das ist praktisch kein transienter Peak, sondern ein monotones Einlaufen in den stationären Zustand. Das spricht dafür, dass der zentrale Bereich axial sehr gut gekoppelt ist. Entweder ist dort der reale Anpressdruck höher, die BLT kleiner, die Kontaktfläche besser oder die Warpage drückt diesen Bereich stärker in Richtung Wasserblock. Wahrscheinlich ist es eine Mischung. Entscheidend ist: Die Daten zeigen gerade im Zentrum keinen lokalen Kontaktverlust. Im Gegenteil, dort scheint die Kühlung verstärkt zu werden.

Damit wird auch klar, warum man die Hotspot-Positionen nicht blind mit den höchsten Temperaturwerten gleichsetzen darf. Ein geometrischer Hotspot auf dem Testchip wird nur dann zum thermischen Hotspot im Messwert, wenn die lokale Wärmeeinbringung auf einen entsprechend hohen lokalen Grenzflächenwiderstand trifft. Wenn der Grenzflächenwiderstand dort niedrig ist, kann selbst ein hotspotnaher Sensor vergleichsweise ruhig bleiben. Genau das passiert hier.

Das Diagramm zeigt jetzt einen gemittelten typischen Zyklus aus den stabilen Messabschnitten der Carbice-IP90-Messung. Ich habe dafür die ersten Startartefakte und das unvollständige Ende ausgelassen und die Kurven auf eine gemeinsame Zykluszeit gelegt. Die linke Y-Achse zeigt die RTD-Temperatur direkt auf der Die-Oberfläche, die rechte Y-Achse die elektrische Heizleistung der vier TTV-Netzteile. Die X-Achse ist die Zeit innerhalb eines Zyklus: ungefähr 30 Sekunden Last, danach die Abkühlphase. Betrachten wir nun den Mathlab-Plot:

Auf der X-Achse passiert physikalisch mehr als nur „Zeit läuft“. Zwischen 0 und etwa 3 Sekunden dominiert der transiente Lastanstieg. Die elektrische Leistung geht sehr schnell in Richtung 480 Watt, aber die axiale Wärmeabfuhr über TIM, Grenzfläche, Kupferboden und Wasserblock ist noch nicht vollständig eingeschwungen. Deshalb reagieren die oberflächennahen RTD-Sensoren zuerst. Vor allem T1 und T4 schießen nach oben, weil dort lokal ein hoher transienter Grenzflächenwiderstand wirksam ist. Der Die meldet also schon Hitze, bevor der Kühler diese lokale Energie vollständig abräumen kann.

Zwischen etwa 3 und 12 Sekunden sieht man den interessantesten Teil. T1 und T4 fallen deutlich ab, obwohl die Leistung weiter anliegt. Das bedeutet nicht, dass weniger Energie eingetragen wird, sondern dass der lokale thermische Pfad besser wird. Der effektive Grenzflächenwiderstand R”th sinkt. Das kann durch Setzen des Pads, lokale Druckumlagerung, elastische Anpassung, eine veränderte BLT oder durch die fortschreitende laterale Wärmeverteilung im Silizium passieren. Genau dort sitzt die Schnittstelle zwischen Warpage und Wärmeleitung: Warpage kann an einer Stelle zunächst entkoppeln und damit Peaks erzeugen, unter Temperatur aber auch wieder Druck in bestimmte Bereiche bringen und die Kühlung lokal verbessern. Der zentrale Sensor T15 verhält sich völlig anders. Er steigt an, überschwingt aber kaum und läuft eher glatt in ein Plateau. Das spricht dafür, dass der zentrale Bereich axial besser gekoppelt ist. Dort ist der lokale Kontaktdruck wahrscheinlich höher oder die BLT geringer. Trotz Nähe zu den definierten Hotspot-Zellen entsteht also kein starker Temperaturpeak, weil die Wärme dort offenbar besser nach oben abgeführt wird. Das ist der entscheidende Punkt: Ein Hotspot im Layout wird erst dann zu einem gemessenen Hotspot, wenn lokale Leistungsdichte und lokaler Grenzflächenwiderstand zusammenfallen. 

Ab etwa 12 Sekunden ist der Zyklus im Wesentlichen im thermischen Arbeitsplateau. Die Leistung bleibt hoch, aber die Sensoren laufen nicht weiter weg. Die Grenzfläche hat sich in einen stabileren Zustand bewegt. T1 bleibt deutlich wärmer als T15, weil die lokale Kopplung schlechter bleibt, aber der extreme Anfangsfehler ist reduziert. Man sieht also nicht nur eine Temperaturkurve, sondern die zeitliche Entwicklung der Grenzflächenimpedanz. Bei 30 Sekunden werden die TTV-Netzteile abgeschaltet. Ab diesem Punkt bricht die Leistung auf null ein, die Temperaturen fallen aber nicht rechteckig, sondern exponentiell. Jetzt dominieren axiale Wärmeabfuhr, thermische Masse des Wasserblocks, verbleibende Wärme im Die und der Kühlkreislauf. Die Abkühlung zeigt damit eher die Systemträgheit als den ursprünglichen Hotspot-Mechanismus. Am Ende der Pause sind die Sensoren wieder nahe am Ausgangszustand, aber die Grenzfläche hat im Zyklus mechanisch gearbeitet. Genau diese wiederholte Arbeit ist für TIM-Alterung, Pump-Out, lokale Druckumlagerung und Warpage-Folgen relevant. Kurz gesagt: Die linke Achse zeigt, was der Die lokal erlebt. Die rechte Achse zeigt, was elektrisch eingespeist wird. Der Abstand zwischen beiden Reaktionen ist die eigentliche Messung. Dort steckt der transiente Grenzflächenwiderstand, und genau dort entstehen die Hotspot-Probleme, die man später bei GPUs und nackten CPU-Dies als wachsendes Delta zwischen Durchschnittstemperatur und lokaler Maximaltemperatur wiederfindet.

Über die 195 Heizzyklen zeigt sich außerdem eine leichte Entwicklung. Die Peaks sinken bei den meisten Sensoren im Verlauf. Besonders bei den Ecken und inneren Quadranten nimmt die maximale Temperatur tendenziell ab. Auch der Abstand zwischen Peak und Plateau wird kleiner. Das spricht für eine Konditionierung der Grenzfläche. Bei einem PTM wäre diese Konditionierung naheliegend: Das Material wird weich, fließt, reduziert die BLT und verdrängt Lufteinschlüsse. Beim Carbice IP90 ist der Mechanismus anders. Hier geht es nicht um Aufschmelzen, sondern um elastische Einpassung, lokale Druckumlagerung und mikromechanisches Setzen des VACNT-Arrays. Der Grenzflächenwiderstand sinkt nicht, weil das Material fließt, sondern weil sich die Kontaktbedingungen unter wiederholter Last ändern. Wie das genau passiert, werden ihr bald im Einzeltest lesen.

Diese Entwicklung ist aber nicht überall gleich. T6 fällt etwas aus dem Muster, weil der maximale Wert dort über die Zyklen eher steigt. Das kann auf eine lokale asymmetrische Druckumlagerung hindeuten. Vielleicht arbeitet das Pad dort stärker, vielleicht verändert sich die Kontaktkante, vielleicht entsteht lokal eine ungünstigere BLT. Das ist aus den Daten allein nicht eindeutig beweisbar. Aber es ist genau die Art von lokaler Drift, die man bei einer mechanisch belasteten, nicht fließfähigen Grenzfläche erwarten kann. Die Grenzflächenwiderstände entwickeln sich damit nicht global, sondern ortsabhängig. In einigen Zonen sinkt der transiente R”th, in anderen bleibt er stabil, und in mindestens einem Randbereich gibt es Hinweise auf eine Verschlechterung. Das ist für die Bewertung eines TIMs auf nackten Dies enorm wichtig. Man kann nicht nur einen einzigen Rth-Wert angeben und so tun, als sei damit die ganze Grenzfläche beschrieben. Die Grenzfläche ist eine Karte, kein Punkt.

Das Bild der Grafikkarte unten zeigt genau die praktische Seite dieses Problems. Auch dort sehen wir keine ideal homogene TIM-Verteilung, sondern Spuren von Materialverschiebung, Abriss, lokalen Dickenunterschieden und Randakkumulation. Das ist der typische Abdruck einer Grenzfläche, die über Zeit gearbeitet hat. Bei einer GPU kommt noch hinzu, dass der Die rechteckig sein kann, Funktionsblöcke asymmetrisch angeordnet sind und die internen Sensoren nicht zwingend dort sitzen, wo die höchste mechanische Belastung liegt. Bei einer GPU bedeutet Warpage nicht automatisch, dass die Mitte heißer wird. Je nach Die-Form, Package, Kühlerboden, Anpressrahmen und TIM kann die Mitte besser oder schlechter gekoppelt sein. Ein langer rechteckiger Die biegt anders als ein quadratischer TTV10. Ein großer Monolith verhält sich anders als ein kleiner Chip. Ein Chiplet-Aufbau wäre noch einmal ein anderes Kapitel, und da fängt der Spaß dann erst richtig an. 

Die Hotspot-Werte einer Grafikkarte sind deshalb nie nur reine „Chiptemperaturen“. Sie sind das Ergebnis aus lokaler Leistungsdichte, Sensorposition, lateraler Wärmeleitung im Silizium, axialem Grenzflächenwiderstand, TIM-Dicke, Warpage und Alterungszustand. Wenn nach Monaten das Delta zwischen GPU-Temperatur und Hotspot wächst, muss nicht der Kühler als Ganzes schlechter geworden sein. Häufig verändert sich die Grenzfläche. Genau das zeigen die TTV10-Daten in kontrollierter Form. Wer es nicht glaubt: vergleicht einmal Edge- und Hotspot-Temperaturen im kalten oder lauwarmen Zustand. Da ist der Abstand deutlich geringer bis gar nicht vorhanden.

Bei CPUs mit Heatspreader ist die Situation etwas anders, aber nicht grundsätzlich frei von denselben Mechanismen. Der IHS nimmt dem Die einen Teil der direkten mechanischen Kopplung zum Kühler ab und verteilt Wärme lateral auf einer zusätzlichen Kupfer- oder Nickel-Kupfer-Ebene. Dadurch werden extreme lokale Grenzflächeneffekte zwischen Die und Kühler teilweise entschärft. Dafür wandert das Problem eine Ebene tiefer, nämlich zwischen Die und internem TIM beziehungsweise Lot, und eine Ebene höher, zwischen IHS und Kühler. Bei nackten CPU-Dies, Direct-Die-Montage oder sehr dünnen Package-Strukturen kehrt das Problem mit voller Wucht zurück. Dann zählt wieder die reale BLT, der Anpressdruck, die Planheit und die Frage, ob der Kühler Hotspots kühlerseitig beruhigt oder selbst neue Gradienten erzeugt. Ein CPU-Die mit länglichem Layout, asymmetrischen Core-Komplexen oder lokalem Cache-Hotspot kann genauso eine ortsabhängige Grenzflächenantwort zeigen wie der TTV10. Nur sind die Sensoren im Produkt nicht so schön offen interpretierbar wie im Labor.

Hotspots entstehen nicht einfach, weil irgendwo ein heißer Block auf dem Die sitzt. Das wäre zu simpel. Ein Hotspot entsteht messbar dann, wenn lokale Leistungsdichte, Sensorlage und lokaler Grenzflächenwiderstand zusammenfallen. Fehlt einer dieser Bausteine, fällt der Hotspot kleiner aus oder erscheint an einer anderen Stelle als erwartet. Die TTV10-Daten zeigen das ziemlich deutlich. Die zentralen Sensoren liegen nahe an den definierten Hotspots, bleiben aber ruhig, weil die axiale Kopplung dort offenbar stark ist. Die Eck- und Randbereiche zeigen dagegen frühe Temperaturspitzen, obwohl sie nicht die naheliegendsten Hotspot-Kandidaten wären. Dort scheint die Warpage beziehungsweise die lokale Grenzflächenimpedanz den ersten Wärmeeintrag stärker zu behindern. Während des Heizens verbessert sich die Kopplung, der lokale R”th sinkt, und die Temperatur fällt auf ein niedrigeres Plateau. Für Grafikkarten heißt das: Ein hoher Hotspot-Wert ist nicht automatisch nur ein Hinweis auf einen besonders aktiven Chipbereich. Er kann genauso ein Hinweis auf eine lokal schlechter gewordene Grenzfläche sein. Umgekehrt kann ein gut gekühlter echter Hotspot im Messwert unauffälliger erscheinen, wenn die BLT dort klein und der Kontakt gut ist. Genau deshalb ist das Delta zwischen GPU-Temperatur und Hotspot so wertvoll, aber auch so gefährlich, wenn man es zu einfach liest. Der Hotspot ist am Ende kein einzelner Sensorwert. Er ist eine Diagnose der Grenzfläche. Und manchmal sagt er weniger darüber aus, wo der Die am meisten arbeitet, sondern mehr darüber, wo die Wärme gerade am schlechtesten herauskommt.

Der heutige Artikel erklärt übrigens auch, warum eine dicke Wärmeleitpastenschicht mit signifikanten Randwülsten auf einerm nackten Die so viel haltbarer und langzeitstabiler ist als eine hauchzarte Schicht von Nichts, denn Warpage ist überall, wo es keinen dicken Heatspreader gibt.

War das jetzt alles etwas zu viel? Ich habe auch eine Weile gebraucht, um alle diese Puzzelteile zusammenzutragen. Aber immerhin sind wir jetzt damit durch. Als Nächtes gibt es dann das Noctua NT-CP1 als Einzeltest und Ihr ahnt es sicher schon: es ist das Carbice IP90 oder auch IcePad und Noctua wird es exklusiv im Einzelhandel verkaufen. AMD wird dieses Pad dann auch der Spezialedition des Ryzen 7 5800X3D beilegen und ich in Kürze auch den ersten richtigen Test einschließlich der Laborwerte, des Setzverhaltens und der Haltbarkeitsbewertung liefern. Und ihr könnt nach der heutigen Lektüre damit flexen, dass Ihr auch wisst, was eigentlich dahinter steckt. Gemeinsam wird man schlauer, das gilt nämlich auch für mich. Da geht mein Dank an die Kollegen von Nanotest, mit denen ich das gemessene Verhalten lange durchdiskutiert habe.