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Hitzefrei

Lüftersteuerung bei Thinkpad-Notebooks

01.09.2007
Notebooks von IBM/Lenovo gelten nicht ohne Grund als besonders robust. Ein in manchen Linux-Distributionen fehlerhaft implementiertes Kernelmodul kann jedoch zu Überhitzung führen.

Die Thinkpad-Notebooks von IBM/Lenovo gelten bei Profis als erste Wahl aufgrund herausragender technischer Eigenschaften. Auch in der Linux-Community erfreuen sich diese Geräte seit Jahren großer Beliebtheit, weil IBM die Zeichen der Zeit früh erkannt hat und daher seit langem seine Geräte für verschiedene Linux-Distributionen zertifiziert.

Aufgrund sich in den letzten Monaten signifikant häufender Hinweise auf Probleme von manchen Thinkpad-Notebooks mit Linux und daraus resultierender Defekte haben wir uns mehrere betroffene Modellreihen näher angesehen und mit verschiedenen Distributionen getestet, um die Ursache der Schwierigkeiten zu ermitteln.

Buchstabensalat à la IBM

Seit Jahren bietet IBM/Lenovo seine im Businessbereich vertriebenen Geräte grob nach Einsatzzwecken gestaffelt an: Während die ultraportable X-Serie für Anwender gedacht ist, denen ein Notebook üblicher Größe bereits zu voluminös erscheint, sind die Geräte der T-Serie für den typischen Road-Warrior konzipiert, der auch unterwegs nicht auf sein Notebook verzichten möchte. Die R-, A- und G-Klassen schließlich bestehen primär aus großen, schweren und sehr leistungsfähigen High-End-Geräten.

Zusätzlich teilt IBM die Geräte intern in drei verschiedene Einsatzkategorien ein: Entry-Geräte für Einsteiger und wenig ambitionierte Anwender, Global-Systeme für universelle Einsatzbereiche und die so genannten Workhorse -Modelle, die – wie der Name bereits andeutet – für extrem rechenintensive Aufgaben gedacht sind. Ausgerechnet bei den großen Systemen der A-, G-, R- und auch T-Serien treten gehäuft Probleme im Zusammenspiel mit Linux auf, die bis zum Defekt des Geräts führen können.

Konstruktionsprobleme

Bei der Konstruktion moderner Notebooks müssen die Ingenieure stets Kompromisse eingehen: Einerseits soll das Gerät genügend Leistung bieten, um auch arbeitsintensive Berechnungen zügig zu erledigen, andererseits ist jede Leistungssteigerung mit zusätzlicher Abwärme verbunden, die bei starker Beanspruchung einzelner Komponenten – vor allem des Zentral- und des Grafikprozessors – vermehrt entsteht. Zudem lassen sich die einzelnen Bauteile aufgrund der beengten räumlichen Verhältnisse in einem Notebook-Gehäuse nicht so effizient kühlen wie in einem Desktop- oder Tower-Gehäuse. Das Raumangebot der meisten mobilen Systeme erlaubt lediglich einen einzigen Kühler für die Senkung der Betriebstemperatur zu verbauen.

Bei nahezu allen IBM-Geräten wird der Zentralprozessor direkt durch einen Lüfter gekühlt, der auch die anderen Bauteile mit kalter Luft versorgen soll. Da jedoch in der Regel der Grafikprozessor, der AGP-Chipsatz sowie Arbeits- und Videospeicher aus Platzgründen in unmittelbarer Nähe des Zentralprozessors residieren, teilweise auch auf der Unterseite der Hauptplatine, entstehen große Mengen Abwärme.

Die Hersteller der einzelnen Bauteile geben in ihren technischen Spezifikationen meist auch thermische Werte an, in deren Rahmen sie die Betriebssicherheit des Geräts respektive Bauteils gewährleisten. So nennt Intel als Lieferant für die Zentralprozessoren in IBM-Notebooks seit Jahren maximale Betriebstemperaturen von – je nach Modell – zwischen etwa 85 und 100 Grad Celsius. Prozessoren, die über einen internen Temperatursensor verfügen, können bei entsprechender Einstellung auch eigenständig bei Überschreiten der maximalen Betriebswerte eine Notabschaltung veranlassen. Der interne Temperatursensor ist jedoch längst nicht bei allen modernen CPUs implementiert. Fehlt er, müssen die Temperaturen durch externe Sensoren gemessen werden. Allerdings liegt die so genannte Ambient-Temperatur der Umgebung deutlich niedriger als die Chip-Temperatur, sodass die zulässige Betriebstemperatur des Prozessors längst überschritten sein kann, während die externen Sensoren noch grünes Licht geben.

Sensorisches

Damit das Notebook nicht durch Überhitzung binnen kürzester Frist sein Leben aushaucht, bringen moderne Geräte mehrere Temperatursensoren an exponierten Bauteilen mit, die im Zeitalter der ACPI-Technologie vom Betriebssystem gesteuert werden.

Allerdings war Microsoft mit proprietären Technologien erheblich an der Umsetzung der ACPI-Standards beteiligt. Die Hardwarehersteller unterstützen daher – mehr oder weniger gezwungenermaßen – meist nur diese proprietären Technologien. So kann Linux, wie viele andere nicht-Microsoft-Betriebssysteme auch, trotz inzwischen jahrelanger kontinuierlicher Arbeit an den ACPI-Modulen noch immer keine in jedem Falle tadellos funktionierende ACPI-Unterstützung vorweisen [1].

Mit der Kernel-Version 2.6.10 integrierten die Linux-Entwickler den vorher für IBM-Thinkpads separat verfügbaren Treiber ibm_acpi in den Mainline-Kernel. Zusätzlich zu diesem Treiber, den die meisten Distributionen beim Booten des Rechners automatisch laden, benötigt man jedoch noch ein Programm zum Steuern der einzelnen Komponenten nötig. Dem ibm_acpi-Treiber fehlt in der Standardeinstellung beispielsweise ein Programm zur Steuerung des Rechnerlüfters.

Weiterhin laden viele Distributionen den Treiber zudem falsch, nämlich ohne Angabe des Parameters experimental=1, sodass selbst fehlerfrei konfigurierte Programme im Userspace nicht arbeiten können, da sie zum Betrieb die Datei /proc/acpi/ibm/fan zwingend benötigen. Sie existiert jedoch nur dann, wenn das Modul ibm_acpi mit dem Parameter experimental=1 geladen wurde. Im Test konnten lediglich Ubuntu ab Version 6.06.1 LTS und die darauf aufsetzenden Derivate mit einem korrekt parametrisierten Modul glänzen.

Die Folge der falschen Einstellung: Der CPU-Lüfter wird "automatisch" gesteuert, was bei neuen Thinkpad-Systemen der R- und T-Serien ab den Centrino-Chipsätzen auch funktioniert. Wehe jedoch, der Anwender betreibt ein etwa zwei Jahre altes Gerät der G-Serie, die als vollwertiger Desktop-Ersatz mit Desktop-Pentium-4-Prozessoren und mit Taktfrequenzen von bis zu gut 3 GHz arbeiten. Bei diesen Modellen (ebenso wie bei den älteren A21/22- und A30/31-Baureihen sowie der T30-Serie) erfreut sich der Anwender bei der "automatischen" Steuerung zunächst eines äußerst leisen, um nicht zu sagen: unhörbaren, Geräts.

Unsere Tests mit verschiedenen Geräten der A30/31-Serie und etwa drei Jahre alten R40-Systemen zeigten durchgängig, dass bei diesen Notebooks die Lüfter sehr sporadisch und dann auch jeweils nur für wenige Sekunden mit niedriger Drehzahl ansprangen. Die für den Anwender oberflächlich erfreuliche Stille hat jedoch ihren Preis: Innerhalb von nur einer halben Stunde Betriebszeit ohne große Leistungsanforderungen herrschte zum Beispiel in einem A30p-System (Pentium-III-M-Prozessor mit 1,2 GHz Taktfrequenz) eine CPU-Temperatur von 77 Grad, während der Grafikprozessor sogar auf stolze 86 Grad kam – ohne dass die Systemkühlung aktiviert worden wäre. Ein zum Test herangezogener Thinkpad A31p mit Pentium-4-M-Prozessor und 2 GHz Taktfrequenz schaltete sich ohne Lüfterkühlung bei 94 Grad ab. Es liegt auf der Hand, dass bei solch hohen Werten auch die Umgebungstemperaturen überhöht ausfallen, zumal der Grafikprozessor unter Last noch mehr Abwärme produziert als die CPU.

Bei Geräten, die über längere Zeit hinweg derart ohne funktionierende Kühlung im Einsatz bleiben, häufen sich Ausfälle. Die Geräte zeigen dann völlig unmotiviert Systemabstürze, sie fahren nicht mehr hoch, sondern bleiben mit schwarzem Bildschirm stehen, oder zeigen – wie in [2] für die A30-Baureihe dokumentiert – durch hitzebedingten Ausfall des Video-RAM nur noch ein unleserliches, verzerrtes Bild angezeigt. Da die defekten Bauteile bei Notebooks üblicherweise – bis auf den Hauptprozessor – allesamt auf der Hauptplatine fest verlötet sind, steht in einem solchen Fall ein äußerst kostspieliger Austausch des Motherboards an (Abbildung 1).

Abbildung 1: Durch Überhitzung zerstörter AGP-Chipsatz bei einem Thinkpad A21p.

Der Super-GAU lässt sich jedoch unter Linux ohne große Bastelarbeiten verhindern, indem der Anwender neben der korrekten Einstellung des ibm_acpi-Moduls ein entsprechendes Userspace-Programm einbindet, das den Lüfter steuert. Sehr empfehlenswert ist in diesem Kontext das kleine Script tp-fancontrol[3], das für ein zuverlässiges Kühlsystem sorgt und sich durch das Einbinden in die entsprechenden Runlevel auch automatisch beim Hochfahren des Rechners einschalten lässt.

TIPP

Ab Kernel 2.6.20, wie ihn etwa Ubuntu 7.04 "Feisty Fawn" mitbringt, ist der beschriebene Patch nicht mehr notwendig: Hier enthält der Kernel bereits die notwendigen Modifikationen.

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