Einde van de ventilator: koelchips maken laptops stiller en compacter

Of je nu een joekel van een gamelaptop koopt of een licht ultrabookje, de kans is groot dat er ergens in het binnenwerk een ventilator zit, of misschien wel twee of drie. Die onderdelen zijn eigenlijk ondingen: ze maken lawaai, zijn gevoelig voor stof en nemen in een mobiele pc veel ruimte in beslag. Hoewel koelsystemen de afgelopen jaren steeds geavanceerder zijn geworden, met nieuwe soorten koelpasta met vloeibaar metaal, en vaporchambers in plaats van traditionele heatpipes, blijven fans toch een noodzakelijk kwaad. Behalve in de allerlichtste apparaten die passief kunnen worden gekoeld, moet iets de warmte uit het apparaat blazen.

Ventiva en Frore zijn twee bedrijven die al jaren werken aan actieve koeling zonder ventilators. Op de CES begin deze maand waren ze ook weer aanwezig met werkende demonstratie. Dat is niet de eerste keer, maar als we beide bedrijven mogen geloven, is het nu echt bijna zover dat de techniek ook in consumentenapparaten terechtkomt: nog dit jaar moet het zover zijn.

Memsdevices versus ionische wind

Zowel de AirJet Mini G2 van Frore als de Ionic Cooling Engine (ICE) van Ventiva is een rechthoekig apparaatje met een dikte van zo'n 3mm, dat een luchtstroom genereert zonder bewegende onderdelen. Je zou misschien verwachten dat beide bedrijven technisch ongeveer hetzelfde proberen op hun eigen manier, maar dat is totaal niet het geval.

Frore maakt gebruik van zogenaamde memsdevices: een combinatie van elektronische en mechanische componenten op een microscopische schaal. Ze worden gemaakt in een chipfabriek, met dezelfde lithografische technieken waarmee chips worden gefabriceerd, zij het op een grotere schaal: micrometers in plaats van nanometers. Tweakers schreef eerder een achtergrondverhaal over deze bijzondere groep onderdelen.

De AirJet Mini G2 bevat piepkleine memsmembranen die op ultrasone frequenties trillen. Via sensoren die de temperatuur meten kan de amplitude worden aangepast aan de benodigde koeling. De trillende membranen zuigen lucht aan vanaf de bovenkant van het apparaatje, die vervolgens op hoge snelheid door heel precies ontworpen openingen wordt geperst. De pulserende luchtstroompjes zorgen ervoor dat de lucht zoveel mogelijk hitte opneemt van de heatspreader aan de onderkant van de AirJet, doordat de normaal gesproken statische luchtlaag rondom de heatsink daardoor wordt verstoord. De warme lucht wordt aan de zijkant van de AirJet weer uitgeblazen.

Dwarsdoorsnede van een AirJet-module. Beeld: Frore

Ventiva's ICE maakt geen gebruik van mems, maar van een elektrisch veld om de lucht in beweging te krijgen. Door de koeler loopt een heel dun draadje, genaamd de emitter, dat onder een hoge spanning wordt gezet, waardoor er een sterk elektrisch veld ontstaat. Dit veld trekt elektronen uit de luchtmoleculen rondom de emitter, die daardoor veranderen in positief geladen deeltjes, ook wel ionen genoemd. De ionen worden weggeduwd bij de emitter en vliegen richting de collector, een tweede elektrode die zich nabij de uitlaat bevindt, waar ze hun gestripte elektron weer terugkrijgen. Onderweg naar de collector botsen de ionen op miljarden normale luchtmoleculen en geven die hun snelheid mee, waarmee een luchtstroom op gang komt.

De Ventiva-koeler in de referentielaptop (zie verderop) bestaat uit drie ICE-elementen op een rij. Het dunne draadje in de eerste close-up is de emitter; op de tweede foto is de microcontroller te zien die het systeem aanstuurt.

Katalysator voorkomt uitstoot

Het principe dat er rondom een elektrode een luchtstroom ontstaat is al langer dan honderd jaar bekend, zo vertelt Ventiva-ceo Carl Schlachte, maar hoe je die luchtstroom vervolgens nuttig kunt gebruiken voor koeling was nog geen opgelost probleem. De uitdaging voor Ventiva en andere start-ups die zich bezighouden met 'ionische koeling' zit hem er onder andere in dat de apparaatjes niet te veel mogen kosten en in grote oplagen moeten kunnen worden gemaakt, om ze interessant te maken voor toepassing in consumentenapparatuur. Daartoe wordt de ICE volgens Schlachte gemaakt zonder zeldzame aardmetalen en met gebruik van standaard productietechnieken zoals stansen en spuitgieten.

Een zelfontwikkelde microcontroller aan het einde van de module stuurt het systeem aan, zodat de computer de ICE-koeler kan aansturen alsof het een gewone ventilator is. Waar je bij een normale ventilator de snelheid aanpast door de spanning te veranderen, gaat dat bij de ICE door de stroomsterkte een heel klein beetje te veranderen. Het goed laten werken van de ICE is daarbij een stuk lastiger, zo vertelt Schlachte, door de invloed van stof. Wanneer er een stofdeeltje in de ICE-koeler vliegt, zal de microcontroller dat herkennen en het systeem heel even uitzetten, zodat het deeltje er met de luchtstroom weer wordt uitgeblazen. Zou de ICE dat niet doen, dan kan het stofdeeltje zelf een elektrische lading krijgen. In dat geval kan het stofje ergens in het systeem blijven plakken - of erger nog, tegen het draadje komen en kortsluiting veroorzaken. Die vonkjes kunnen het systeem uiteindelijk beschadigen.

Wanneer hij in gebruik is, genereert de ICE-koeler een klein beetje ozon, een stof die giftig is om in te ademen. Een beetje zoals een dieselauto, bevat de koeler daarom een katalysator: een laagje mangaandioxide op de heatsink waarover de luchtstroom heen wordt geblazen, dat zoveel mogelijk ozon terug omzet naar schone lucht. Op die manier blijft de luchtkwaliteit volgens Ventiva binnen de veilige grenzen.

Voor Fikkie niet schadelijk

De mechanische pompjes in Frore's AirJet veroorzaken geen uitstoot van schadelijke stoffen. Door de hoge druk waarmee de koeler lucht aanzuigt, kan hij ook blijven werken als de inlaat wordt voorzien van een stoffilter. Deeltjes die er toch nog inkomen, zouden volgens Frore weer worden uitgeblazen, zonder dat er op termijn delen van het systeem verstopt raken. Om daarbij te helpen kan de AirJet de richting van de luchtstroom omkeren, een truc die sommige laptopventilators ook toepassen om stofophoping te verminderen. Vooral die ongevoeligheid voor stof bleek interessant voor de fabrikanten die de AirJet tot nu toe al gebruikten in hun producten. Frore demonstreert bijvoorbeeld een krachtige 5G-hotspot voor Amerikaanse hulpdiensten die in een jaszak past, tegenover de traditionele passief gekoelde versie in een joekel van een gele koffer.

Waar je bij Ventiva's ICE-koeler alleen de luchtstroom zelf hoort, produceren de systemen die ik heb gezien met AirJets erin toch wel iets van geluid, dat bovendien een beetje hoogfrequent klinkt en daarmee vervelender is dan het lagere gezoem van een fan. De AirJet-koeling lijkt wel stiller dan een traditionele ventilator die op volle toeren draait. Zoals gezegd trillen de membraantjes in de AirJet op een ultrasone frequentie. Het geluid van de pompjes zelf is voor mensen dus te hoog om te kunnen horen, maar huisdieren zouden er wel last van kunnen hebben. Volgens Frore produceert de AirJet maximaal 50dB aan ultrasoon lawaai, waardoor Fikkie er geen last van zou moeten hebben.

LiquidJet: betere waterkoeling voor servers

Afgezien van de AirJet toonde Frore op de CES ook een waterkoelblok voor AI-gpu's in datacenters, de LiquidJet. Het heeft van buiten precies dezelfde afmetingen als een traditionele coldplate, maar net als de AirJet-koelchips zijn er door middel van lithografie microscopische kanaaltjes in gemaakt. Die kanaaltjes zijn kleiner en korter dan de lange, rechte kanalen in een traditioneel waterkoelblok, waarbij Frore het koelvermogen beter kan afstemmen op de plekken waar de hotspots in de gpu zitten. De LiquidJet wordt dus specifiek ontworpen op ieder type gpu waar hij op wordt geplaatst. Volgens Frore zou het koelblok dankzij zijn ontwerp tot 75 procent meer hitte van de gpu weg kunnen geleiden. Dat maakt onder andere een lager stroomgebruik mogelijk: het koelwater hoeft niet zo koud te zijn voor dezelfde gpu-temperatuur

Hoewel de AirJet een hoge luchtdruk kan genereren, is de maximale luchtstroom veel kleiner dan die van een ventilator. Dat beperkt de maximaal mogelijke koeling. Iedere AirJet G2 kan bijvoorbeeld maximaal 7,5W aan hitte afvoeren, niet veel meer dan de hitteproductie van een smartphonesoc. In een laptop zullen er dus meerdere AirJets noodzakelijk zijn. In een door Frore omgebouwde Samsung Galaxy Book5 Pro die als demo wordt tentoongesteld, zitten er bijvoorbeeld vier, die samen 24W aan hitte afvoeren.

Ook de ICE-koeler van Ventiva maakt niet zoveel koeling mogelijk als een stel fikse fans, maar hij lijkt iets efficiënter, afgaande op het demomodel dat de fabrikant op de CES demonstreerde: een referentielaptop ontwikkeld in samenwerking met Compal. In het doorzichtige gedeelte achterin dat apparaat zitten drie ICE-koelers, waarvan er twee nodig zijn om de AMD-cpu met 28W-tdp gekoeld te houden. Het totale system power komt uit op 44W, waarvoor de derde ICE-module bijspringt.

Referentielaptop van Compal met Ventiva ICE-koeling

De referentielaptop van Compal met Ventiva ICE-koeling

Legoën met koeling

Behalve meer stilte, minder bewegende onderdelen en potentieel minder last van stof, beloven de AirJet en ICE ook dat laptopfabrikanten hun systemen op een andere manier kunnen ontwerpen. De Ventiva-demolaptop die rondom de koeler is ontworpen, laat dat mooi zien. Het systeem is van binnen netjes verdeeld in verschillende rechthoekige zones, waarbij de koeling alleen aan de achterkant plaatsvindt. Dat kan desgewenst ook anders; fabrikanten kunnen 'legoën' met koeling op de manier zoals het hen uitkomt, en door de geringe dikte kun je de koelmodules eventueel ook verticaal stapelen. In tegenstelling tot bij traditionele fans is er bovendien geen extra ruimte bovenaan nodig om lucht aan te zuigen, wat extra dunne apparaten mogelijk maakt.

Mock-up van het moederbord in een laptop met ventilators, en met Ventiva-koeling

De grote ronde happen voor de fans in het moederbord van huidige laptops, zijn door de rechthoekige vormgeving van de koelchips niet meer nodig. Fabrikanten kunnen de vrijgekomen ruimte bijvoorbeeld benutten voor extra ssd's of geheugenmodules, of een grotere accu plaatsen. Het moederbord kan ook goedkoper zijn, doordat traces richting de aansluitingen aan de zijkant niet meer helemaal om de fans heen hoeven te worden geleid. Dat betekent dat het pcb dunner kan worden gemaakt en er potentieel geen signaalversterkers nodig zijn. Die besparingen elders maken dat Ventiva kan claimen dat zijn oplossing niet duurder hoeft te zijn dan traditionele ventilators, ook al is de koeler zelf wél duurder dan een fan – iets wat ongetwijfeld ook geldt voor de AirJet van Frore.

In de manier waarop de airflow door het systeem verloopt is er een verschil tussen Frore's AirJet en Ventiva's ICE. Door zijn hoge luchtdruk heeft de AirJet hele kleine openingen nodig, wat bijvoorbeeld blijkt aan de hand van de knalrode referentielaptops met een Qualcomm Snapdragon Elite X2-soc, die Frore demonstreert. Door de luchtdruk is het geen probleem als de luchtstroom eerst een wat langer pad neemt door de behuizing om de buitenkant af te koelen, voordat hij uiteindelijk de AirJet bereikt. Bij de Ventiva ICE-laptop zie je juist grote ventilatie-openingen en volgt de luchtstroom een zo kort mogelijk pad. Om de temperatuur van de behuizing onder controle te houden, passen laptopfabrikanten volgens Ventiva het beste een aparte ICE-module toe. In het demomodel van Compal is dat bijvoorbeeld de derde module die niet direct bijdraagt aan de processorkoeling.

Referentielaptop met Frore AirJet-koeling

Dit jaar de eerste fanloze laptop met actieve koeling?

Frore en Ventiva zeggen allebei een grote fabriek te hebben opgetuigd die hun koelchips in de enorme aantallen kan leveren die noodzakelijk zullen zijn, als ze eenmaal worden toegepast in producten die breed worden verkocht. Ventiva's nieuwe fabriek in Maleisië zou er bijvoorbeeld jaarlijks 750.000 kunnen leveren, zo zegt ceo Schlachte, wat op de langere termijn nog zou kunnen worden uitgebreid door meer productielijnen toe te voegen.

De productiecapaciteit is er, en zowel Frore als Ventiva hebben al samenwerkingen met grote partijen en demolaptops die specifiek rondom hun koelers zijn ontworpen. Toch moeten we nog heel even geduld hebben voordat er consumentenlaptops met koelchips in de winkel liggen. Toffe demonstraties geven op beurzen is één ding, maar er gaan jaren overheen voordat laptopfabrikanten dit soort vernieuwende oplossingen als goed genoeg kwalificeren voordat deze echt in een winkelmodel terechtkomen, zo ondervonden Frore en Ventiva.

Frore denkt dat het nog dit jaar gaat gebeuren: op de Computex in mei zou er een aankondiging moeten volgen van een consumentenapparaat met een AirJet erin. Of dat om een tablet of laptop gaat, wil de fabrikant nu nog niet zeggen. Ventiva zegt op zijn beurt dat een laptop het eerste apparaat zal zijn waarin we een ICE-koeler terug gaan zien. Hoewel het bedrijf nog niet wil zeggen van welke fabrikant die is, lijkt het aannemelijk dat het om Dell gaat: Schlachte wil tussen neus en lippen door wel toegeven dat er wordt samengewerkt met 'een grote speler uit Texas'. Dit jaar zullen er echter nog geen consumentenproducten met Ventiva-koeling uitkomen. Pas in 2027 moet het zover zijn.

_{Redactie: Friso Weijers • Eindredactie: Monique van den Boomen}

Einde van de ventilator: koelchips maken laptops stiller en compacter

Frore vs. Ventiva

Memsdevices versus ionische wind

Katalysator voorkomt uitstoot

Voor Fikkie niet schadelijk

LiquidJet: betere waterkoeling voor servers

Legoën met koeling

Dit jaar de eerste fanloze laptop met actieve koeling?

Lees meer

Reacties (7)

Frore vs. Ventiva

Memsdevices versus ionische wind

Katalysator voorkomt uitstoot

Voor Fikkie niet schadelijk

LiquidJet: betere waterkoeling voor servers

Legoën met koeling

Dit jaar de eerste fanloze laptop met actieve koeling?

Lees meer

Reacties (7)

Sorteer op:

Weergave: