Der IBM-Ansatz beeinflusst den Verbindungspunkt zwischen dem heißen Chip und den verschiedenen Kühlkomponenten, die heute eingesetzt werden, um die Hitze abzuziehen, inklusive der Heat Sinks.
Spezielle partikelgefüllte viskoseartige Pasten werden typischerweise an diesen Schnittstellen eingesetzt, um sicherzustellen, dass Chips sich gemäß der Wärmeentwicklung ausdehnen und zusammenziehen können.
Die dabei eingesetzten Pasten werden so dünn wie möglich gehalten, um eine effiziente Wärmeabfuhr vom Chip zu den Kühlkomponenten zu ermöglichen. Ein zu dünner Auftrag jedoch könnte den Chip beim Einsatz konventioneller Technologien beschädigen oder gar zerstören.
Unter Einsatz von Mikrotechnologie haben IBM-Forscher jetzt eine Chipkappe mit einem Netz von baumähnlich verzweigten Kanälen auf ihrer Oberfläche entwickelt. Das Muster wurde so entwickelt, dass sich die Paste und der Druck im Falle einer Druckbelastung über den Chip hinweg gleichmäßig verteilen. Dies ermöglicht den Erhalt einer Gleichartigkeit bei zweifach geringerem Druck und zehnfach besserem Hitzetransport über die Schnittstelle.
Die Natur als Vorlage für Chipkühlung-Designs
Das Design für diese Art der Chipkühlung stammt aus der Biologie. Systeme hierarchischer Kanäle finden sich vielfach in der Natur, beispielsweise bei Blättern, Wurzeln oder im menschlichen Kreislauf.
Diese bedienen sehr große Volumen mit geringer Energie, was für alle Organismen, die größer als einige Millimeter sind, äußerst bedeutsam ist. Auch altertümliche Wasserverteilsysteme hatten einen ähnlichen Ansatz.
Der Kühlungs-"Flaschenhals" resultiert aus dem Hunger nach permanent leistungsstärkeren Computerchips und wird einer der ernsthaftesten Engpässe der Chipleistung insgesamt, so IBM.
Heutige Hochleistungschips erzeugen bereits eine Energiedichte von 100 Watt pro Quadratzentimeter - das entspricht etwa Faktor 10 mehr als eine typische Kochplatte. Chips von morgen könnten sogar noch höhere Energiedichten erreichen, die Oberflächentemperaturen erzeugen würden, die der Sonnenoberfläche von zirka 6000 Grad Celsius entsprächen, würden sie nicht gekühlt werden.
Aktuelle Kühlungstechnologien stoßen an Grenzen
Gegenwärtige Kühlungstechnologien, hauptsächlich basierend auf verstärkter Luftumwälzung (Lüfter), die über Hitzeleiter mit dicht gepackten Ventilatoren blasen, haben mit der heutigen Generation von Elektronikprodukten ihre Grenzen erreicht. Das Fatale an der Situation ist, dass die Energiemenge zur Kühlung von Computersystemen sich rasant der Energiemenge annähert, die für das Computing selbst erforderlich wird. Damit verdoppelt sich fast der Kostenblock für die Energieversorgung.
"Kühlung ist eine ganzheitliche Herausforderung - vom individuellen Transistor bis ins Rechenzentrum. Leistungsfähige Verfahren, die so nah wie möglich an den Chip herangebracht werden, wo die Kühlung am meisten gebraucht wird, werden essenziell für die Bewältigung der Stromverbrauchs- und Kühlungsaufgaben sein", sagt Bruno Michel, Manager Advanced Thermal Packaging Research Group, IBM Forschungslabor Zürich.
Neuartige Wasserkühlung sprengt Grenzen
Mit Blick jenseits der Grenzen von luftgekühlten Systemen haben die Züricher IBM-Forscher vor, ihr Konzept eines verzweigten Kanaldesigns weiter zu entwickeln. Dabei geht es um einen neuartigen Ansatz für Wasserkühlung. Unter dem Namen "Direct Jet Impingement" wird dabei Wasser auf die Rückseite eines Chips verteilt und wieder abgesaugt. Dies geschieht in einem komplett geschlossenen System, das aus einer Aufstellung von bis zu 50.000 winzigen Ausbringungspunkten und einer komplexen baumartigen Rückführungsarchitektur besteht.
Durch die Entwicklung eines komplett geschlossenen Systems gibt es kein Risiko, dass Kühlflüssigkeit mit der Elektronik auf dem Chip in Berührung kommt. Darüber hinaus war das IBM-Forscherteam in der Lage, die Kühleigenschaften des Systems zu verbessern. Sie haben einen Weg gefunden, die Strukturen direkt auf der Rückseite des Chips aufzubringen und dadurch die Widerstand erzeugenden Wärmeschnittstellen zwischen Kühlsystem und Silizium zu vermeiden.
Erste Ergebnisse
Die ersten Laborergebnisse sind viel versprechend, so die Forscher. Das Team hat die Kühlung von Energiedichten von bis zu 370 Watt pro Quadratzentimeter mit Wasser als Kühlungsmittel nachgewiesen.
Das Ergebnis liegt weit jenseits der Grenzen gegenwärtiger Luftkühlungstechnologien, die zirka 75 Watt pro Quadratzentimeter erreichen. Dennoch verbraucht das neue System viel weniger Energie für die Umwälzung als andere Kühlsysteme derzeit. (hal)
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