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Das SND-Syndrom [Risiken des Übertaktens von CPUs mit 0,13µm Strukturbreite]

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 SND-Syndrom [Risiken des Übertaktens von CPUs mit 0,13µm Strukturbreite]


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.



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