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15. September 2020

Chip-Kühlung von Übermorgen – Von innen nach außen

CPU-Kühlung
Beitragsbild von: V. Navikas/ EPFL

In aller Kürze

Forscher entwickeln eine Methode der innen liegenden CPU-Kühlung
Mikrokanäle im Chip transportieren Wärme vom Ort der Entstehung weg
Das Verfahren könnte in Zukunft deutlich kleinere Strukturbreiten erlauben

Die aktuelle auf Silizium basierende Chip-Technologie für Prozessoren gerät nicht nur wegen der stetig kleiner werdenden Strukturbreite und der damit verbundenen physikalischen und quantenmechanischen Prozesse an einen Punkt, wo eine weitere Reduzierung kaum noch möglich scheint, sondern auch wegen der enormen Verlustwärme, oftmals auch Abwärme genannt. Um dieser Hitzeentwicklung entgegen zu wirken, suchen Ingenieure und Wissenschaftler nicht nur nach neuen Materialien und Mechaniken, sondern auch nach Wegen, um die entstehende Wärme schneller von ihrem Entstehungsort abzutransportieren.

Vermeintlich moderne Kühllösungen, bei denen die Wärme von der Chip-Außenseite aufgenommen wird, geraten angesichts kleinerer Strukturen und höherer Transistor-Dichte zunehmend an ihre Grenzen. So gibt es seit einiger Zeit die Idee, die Wärme über Rillen auf der Chip-Oberseite durch Wasserfluss abzutragen. Der Nachteil bei dieser Methode ist jedoch, dass die Wärme nicht unmittelbar von den Transistoren genommen wird, und somit zunächst im Chip verbleibt.

Kühlung von innen nach außen

Einen gänzlich neuen Ansatz verfolgen da Forscher der Polytechnischen Hochschule Lausanne unter der Leitung von Remco van Erp. Dabei werden in den Chip, z.B. die CPU, Mikrokanäle eingelassen, die unmittelbar auf Höhe der Transistoren verlaufen. Durch diese Kanäle, die in einem 3D-Layer angeordnet sind, strömt dann demineralisiertes Wasser. Die Wärme wird so dort aufgenommen, wo sie entsteht.

Diese Methode hat zahlreiche Vorteile. Während das Einlassen von Rillen in die Chip-Oberseite einen zusätzlichen, recht aufwendigen Arbeitsschritt in der Chip-Fertigung bedarf, würde das Einbinden besagter Mikrokanäle zum Prozess der Chip-Fertigung selbst gehören. Dazu müsste lediglich die Chip-Fertigung angepasst werden, so dass die Kanäle beim Backen der Wafer berücksichtigt werden.

Steigerung der Effizienz

Die Forscher konnten in ersten Tests feststellen, dass sich mit dieser Methode der inneren Kühlung bis zu 1,57 Kilowatt pro Quadratzentimeter an Wärmeflüssen ableiten lassen, während für die Pumpleistung lediglich 0,57 Kilowatt benötigt werden. Gegenüber zuvor genannten Rillen an der Chip-Oberfläche entspricht das einer 50-fachen Effizienzsteigerung.

Betrachtet man dabei ganz weltliche Beispiele, dann könnte ein solches System der Kühlung unter anderem dazu führen, dass in einem Datenzentrum der Energieeinsatz für die Kühlung von 30% auf gerade einmal 0,1 Prozent reduziert werden könnte. Der leitende Wissenschaftler van Erp erklärt zudem, dass diese Kühlung ermöglichen könnte, dass Strukturbreiten in der Chipfertigung weiter reduziert werden, und so Moores Gesetz über das eigentliche Limit hinaus erweitert wird.

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