CPU-Kühlung: Forscher leiten Wasser durch Chips

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Techniker der IBM-Forschungslabors haben eine neue Kühltechnologie für Computerchips entwickelt. Sie setzen dabei auf Kühlwasser, wobei die Flüssigkeit nicht wie bisher üblich zum Einsatz kommt. Die Wissenschaftler wollen Wasser durch den Chip selbst leiten, um die Hitze effektiv abtransportieren zu können.

Dazu werden die Prozessoren mit haarfeinen Kanälen durchzogen und somit die Kühlflüssigkeit direkt durch die Chip-Architektur geleitet. Vielversprechend ist der Ansatz vor allem bei dreidimensional konstruierten Prozessoren.
Die IBM-Forscher haben schon in der Vergangenheit neue Möglichkeiten aufgezeigt, Computerchips effizient zu kühlen. So stellten die Techniker im vergangenen Jahr eine Methode vor, die Wärmeleitpaste effizienter einzusetzen. Dazu wurde die Oberfläche des Prozessors mit Rillen versehen, damit sich die Paste besser verteilt. Während bei herkömmlichen Chips die Wärme einfach nach oben über den Kühlkörper abgeleitet wird, würde sie sich in einem räumlichen Design stauen.

Bei 3D-Chips werden die Silizium-Bauelemente übereinander geschichtet. Somit werden sehr kurze Chip-zu-Chip-Verbindungen erreicht und darüber hinaus Platz gespart. Allerdings standen die Entwickler bislang vor einem Hitzeproblem. Die Technologie, mit der Wasser durch den Chip selbst geleitet wird, ist hier ein wichtiger Schritt und könnte ein Meilenstein auf dem Weg zur Marktreife darstellen.

Die größte Herausforderung bei der Konstruktion ist es, eine klare Trennung zwischen Leiterbahnen und Kühlkanälen zu schaffen, meint Thomas Brunschwiler, Leiter des Projekts. “Es ist etwa wie im Gehirn, wo eine Mischung aus Neuronen und Blutadern zusammenspielt”, so der Forscher. Nur mit einer absolut wasserdichten Isolierung funktioniert die Konstruktion, ansonsten würden Kurzschlüsse ausgelöst und der Chip zerstört. Die Wasserkanäle haben eine Strukturgröße von 50 Mikrometern und der Prototyp wird laut Entwickler mit 180 Watt an Abwärme pro Quadratzentimeter und Ebene fertig.

Die Kühleinheit für eine Ebene ist 100 Mikrometer dick und nimmt etwa die Fläche von einem Quadratzentimeter ein. Aus dem Kühlkörper ragen 10.000 Siliziumverbindungen hervor, die die interne Verbindung zwischen den oberen und unteren Prozessorschichten verbinden. Das Kühlwasser umfließt diese Verbindungen, wobei die Steuerung von Drucksensoren übernommen wird. Laut IBM sind die Strukturen mit einer Genauigkeit von zehn Mikrometer gefertigt, was zehnmal präziser ist als für Verbindungen in aktuellen Chipentwürfen. Die Entwickler gehen davon aus, dass die 3D-Prozessor-Architektur in fünf bis zehn Jahren in wissenschaftlichen Systemen zum Einsatz kommen und mit ihrem Kühlsystem arbeiten wird.