Was ist Solid-State-Kühlung? Ein Blick auf die kompakte lüfterlose Kühlungslösung

Eine dünne vibrierende Membran, die Luft ohne die Hilfe von Lüftern umherschiebt, könnte die Zukunft der Kühlung sein. Hier erfahren Sie, wie die Festkörperkühlung auf piezoelektrischer Basis funktioniert und warum sie eine der aufregendsten Entwicklungen in der Kühltechnik seit Jahren ist.

Was ist Solid-State-Kühlung und wie funktioniert sie?

Die Festkörperkühlungstechnologie, die wir hier besprechen, nutzt den piezoelektrischen Effekt, um ein aktives Kühlgerät zu schaffen, das keine Lüfter, Wasserpumpen, Radiatoren oder massive Kühlkörper enthält. Beachten Sie, dass die piezoelektrische Festkörperkühlung nicht die einzige Festkörperkühlungstechnologie ist, die es gibt. Es gibt zum Beispiel auch Festkörperkühlungstechniken , die auf dem Peltier-Effekt basieren, der sich im Bereich der PC-Hardware nicht wirklich durchgesetzt hat.

Der piezoelektrische Effekt ist ein Phänomen, bei dem bestimmte Materialien elektrische Ladung erzeugen, wenn sie mechanisch belastet werden. Umgekehrt beginnen dieselben Materialien zu vibrieren, wenn sie unter dem Einfluss einer elektrischen Ladung stehen. Dieser Effekt ist die Grundlage für die von Frore Systems entwickelte Festkörperkühltechnologie. Und da Frore Systems der einzige Hersteller von Festkörperkühlungsprodukten für Verbraucher ist, die auf dem piezoelektrischen Effekt basieren, werden wir anhand ihrer AirJet-Kühlprodukte erklären, wie diese Kühltechnologie funktioniert.

Die AirJet-Kühler von Frore System verwenden hauchdünne Membranen, die unter elektrischer Ladung mit Ultraschallfrequenzen - also sehr, sehr schnell - vibrieren. Diese Membranen können einen starken Luftstrom erzeugen, wenn sie in einen AirJet-Kühlchip eingesetzt werden. Das Modul hat winzige Einlässe an der Oberseite, durch die die Umgebungsluft in das Modul eintritt und von den pulsierenden Membranen im Inneren des Chips angesaugt wird, wie auf dem Bild unten zu sehen.

Sobald die Membranen die Luft in das Innere des Moduls gesaugt haben, wandeln sie den Luftstrom in kräftige Luftstrahlen um - daher der Name "AirJet" -, die die vom unteren kupfernen Wärmespreizer aufsteigende Wärme in direktem Kontakt mit der zu kühlenden Komponente, im Falle des unten gezeigten Diagramms eine CPU, sammeln. Diese Luftstrahlen strömen über eine dünne Tülle an einer Seite des Moduls aus dem Kühlchip, führen die angesammelte Wärme ab und kühlen die Komponente.

Festkörperkühlung vs. Passive Kühlung vs. Aktive Luftkühlung

Die Festkörperkühlung hat mehrere Vorteile im Vergleich zu anderen Kühlungsarten, die in Laptops, Handheld-PCs, Mini-PCs und bestimmten PC-Komponenten verwendet werden, für die AirJet-Kühler eingesetzt werden können. Wir vergleichen die Festkörperkühlung nur mit der passiven und aktiven Luftkühlung, da Flüssigkeitskühlungslösungen nur sehr selten in Laptops verwendet werden - nureinige wenige Gaming-Laptop-Modelle verwenden Flüssigkeitskühlungssysteme - undin kompakteren Geräten wie Handheld-PCs, Tablets oder Smartphones nicht zu finden sind.

Festkörperkühlung vs. Passivkühlung

Im Vergleich zur passiven Kühlung kann die Festkörperkühlung bei gleichem oder kleinerem Platzbedarf erheblich mehr Wärme ableiten, ist dabei flüsterleise und verbraucht nur zwischen 1 und 1,75 Watt. Ein einzelnes Modul des kompaktesten AirJet-Modells, des AirJet Mini Slim, kann beispielsweise bis zu 5,25 W abführen, während es nur 1 W Strom verbraucht und 21 dBA Geräusch erzeugt. Die Geräuschentwicklung ist subjektiv fast so, als ob es überhaupt kein Geräusch gäbe und entspricht praktisch der Geräuschlosigkeit passiver Kühllösungen.

Das 15-Zoll-MacBook Air mit dem Apple M2-Chip, das Aushängeschild eines Laptops mit einer gut durchdachten - wenn auch immer noch recht einschränkenden - passiven Kühlung, hat beispielsweise eine maximale TDP von etwa 10 W. Die M2-CPU im Inneren des 15-Zoll-MacBook Air kann mehr Strom verbrauchen, nämlich bis zu 20 W, allerdings nur in kurzen Schüben. Bei anhaltender Last sinkt der Stromverbrauch auf nur etwa 9 bis 10 Watt. Das Ergebnis ist eine deutlich geringere Leistung im Vergleich zum M2 MacBook Pro, obwohl das Notebook mit genau demselben M2-Chip ausgestattet ist, der auch im MacBook Pro mit M2 zu finden ist, das eine aktive Kühlungslösung verwendet.

Wenn es jedoch mit drei AirJet Mini-Modulen ausgestattet ist, wie im obigen YouTube-Video zu sehen ist, das mit freundlicher Genehmigung des PCWorld YouTube-Kanals veröffentlicht wurde, kann das 15-Zoll MacBook Air mit M2 die Leistung eines entsprechenden MacBook Pro erreichen, zumindest im Cinebench. Dank der geringen Dicke des AirJet Mini-Moduls von 2,8 mm wurde dieser Umbau ohne strukturelle Änderungen am Gehäuse durchgeführt.

Solid-State-Kühlung vs. aktive Luftkühlung

Im Vergleich zur aktiven Luftkühlung kann die Festkörperkühlung in dünnen und leichten Laptops, Mini-PCs und Handheld-PCs ähnliche Ergebnisse erzielen, allerdings mit einer geringeren Geräuschentwicklung und einem kleineren Platzbedarf.

Am Beispiel des Steam Decks kann ein einzelnes AirJet Pro-Modul etwa 8 W Leistung abführen, was zusammen mit 7 W passiver Wärmeableitung 15 W ergibt, die gleiche Leistung wie die maximale TDP des Decks. Ein weiterer Vorteil ist die Tatsache, dass ein einzelnes AirJet Pro-Modul 1,75 W verbraucht, weniger als der Lüfter im Steam Deck, der maximal 2,5 W verbraucht.

Die Leistungskennzahl, an der ich und fast alle anderen Steam Deck-Besitzer mehr interessiert sind, ist die Lautstärke. Mit nur 24 dBA ist ein einzelner AirJet Pro-Chip deutlich leiser als der Lüfter des Steam Decks, der laut dem Gamers Nexus Steam Deck Test unter Last bis zu 38 dBA erreichen kann. Insgesamt bedeutet dies, dass ein einzelnes Solid-State-Kühlmodul in der Lage ist, die gleiche Menge an Energie wie die Kühllösung des Steam Decks abzuleiten, während es weniger Energie verbraucht und praktisch unhörbar ist.

Ein weiterer Vorteil der Solid-State-Kühlung in dünnen und leichten Laptops und Handheld-PCs ist der geringere Platzbedarf im Vergleich zu herkömmlichen Kühlsystemen in diesen Geräten. Dies kann zu größeren Akkus führen und einen großen Nachteil vieler Handheld-PCs und ultrakompakter 13-Zoll-Laptops verbessern: die nicht gerade optimale Akkulaufzeit.

Auf der anderen Seite hat die Solid-State-Kühlung, zumindest in ihrer jetzigen Form, nichts mit den leistungsstarken Luftkühlungslösungen zu tun, die man bei Gaming- und High-End-Workstation-Laptops findet, die oft mit einer kombinierten Leistungsaufnahme von 100 W oder mehr durch CPU und GPU zurechtkommen müssen. Um ein Mittelklasse-Gaming-Notebook zu kühlen, bräuchte man zum Beispiel etwa ein Dutzend AirJet Pro-Module, wobei die gesamte Anlage mehr als 20 Watt Leistung verschlingt, was für eine Kühllösung sehr viel ist.

Der zweite große Nachteil der Solid-State-Kühlung ist ihr offensichtlich hoher Preis. Im Moment ist das einzige Gerät mit AirJet-Kühlung, das man kaufen kann, die Zotac ZBOX PICO PI430AJ mit AirJet, ein Barebone-Mini-PC mit einem Intel Core i3-N300 mit 8 GB RAM und ohne SSD , der 600 US-Dollar kostet.

Eine schnelle Amazon-Suche ergab einen ähnlich leistungsstarken Mini-PC von MINISFORUM, der mit der gleichen CPU und 8 GB RAM ausgestattet ist, aber auch eine 256-GB-SSD enthält, und das alles für nur 249 US-Dollar. Zugegeben, der Zotac Mini-PC ist kompakter und sieht aus, als hätte er eine höhere Verarbeitungsqualität, aber der Preis ist ziemlich happig für das, was man dafür bekommt. Bleibt zu hoffen, dass künftige Geräte mit AirJet-Kühlung erschwinglichere Preise haben werden.

Welche Geräte können von der Solid-State-Kühlung profitieren?

Dünne und leichte Laptops, Mini-PCs und Handheld-PCs können alle von einer Festkörperkühlung profitieren. Anstelle von schwachen passiven Kühllösungen oder aktiven Kühlsystemen, die viel Platz benötigen und bei hoher Belastung ziemlich laut sind, bieten Festkörperkühlungsprodukte wie AirJet die gleiche oder eine bessere Kühlleistung in einem viel kleineren und leiseren Paket.

Ich persönlich würde gerne einen Handheld-Gaming-PC mit AirJet-Kühlung sehen, der höchstwahrscheinlich einen größeren Akku sowie einen flüsterleisen Betrieb bei anspruchsvollen Spielen ermöglichen würde. Und obwohl es mir nichts ausmacht, dass der Lüfter auf meinem Deck oder ROG Ally hochfährt und lauter wird, wäre eine längere Akkulaufzeit fantastisch, vor allem bei letzterem.

Wenn man bedenkt, dass Valve es geschafft hat, die Akkukapazität des Steam Deck OLED im Vergleich zum OG Deck um 25 % zu erhöhen, nur durch die Verwendung eines dünneren OLED-Panels, rechne ich damit, dass die Erhöhung der Akkukapazität durch den Einsatz der ultrakompakten AirJet-Kühlung anstelle des klobigen Lüfters - oder zweier Lüfter im Fall des ROG Ally - noch darüber hinausgehen würde.

Eine weitere Produktlinie, bei der ich AirJet und ähnliche Lösungen in Zukunft populär werden sehe, sind High-End-NVMe-SSDs. Schon jetzt benötigen High-End-PCIe-5-SSDs dicke Kühlkörper oder sogar eine aktive Luftkühlung, um ein thermisches Throttling zu verhindern, wenn man sie länger als ein paar Minuten rammen lässt, und die zukünftigen PCIe-6-SSDs werden unter Last höchstwahrscheinlich noch heißer werden.

Andere Geräte, die von einer Solid-State-Kühlung profitieren könnten, sind leistungsstarke Tablets wie das iPad Pro, Flaggschiff-Telefone, insbesondere High-End-Gaming-Telefone, passiv gekühlte NVMe-SSD-Gehäuse, Einplatinencomputer und ultrakompakte Stick-PCs.

Wo kann ich Solid-State-Kühlgeräte kaufen?

Solid-State-Kühlgeräte kann man nicht wirklich kaufen, zumindest im Moment nicht. Der Markt ist im Entstehen begriffen, und Sie sollten erwarten, dass Solid-State-Kühlungen in viele der hier besprochenen Gerätetypen wie Hochleistungs-SSDs, Tablets usw. integriert werden.

Es gibt sogar ein Potenzial für direkt an den Verbraucher gerichtete Teile. Es würde mich nicht überraschen, wenn wir in Zukunft einen Low-Profile-Luft-CPU-Kühler für Desktop-PCs mit kleinem Formfaktor (SFF) sehen würden, aber im Moment richtet sich Frore Systems, das Unternehmen hinter AirJet, nur an Hersteller.

Auf der anderen Seite können Sie ein Gerät kaufen, das mit einer Festkörperkühlung ausgestattet ist. Sie können den oben erwähnten ZBOX PICO PI430AJ mit AirJet Mini-PC von Zotac auf der Zotac-Website erwerben.