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Gegenwärme führt zu effizienter Kühlung von Prozessoren

Die Kühlung von Halbleiter-Chips wird zu einer immer größeren Herausforderung für die IT-Industrie. Zwar nimmt die pro Chip maximal abzuführende Wärmemenge (Thermal Design Power, TDP) nicht mehr in dem Maße zu wie zu Zeiten des Pentium 4, doch wegen der immer kleineren Strukturgröße der Chips kämpfen alle Kühlverfahren mit dem gleichen Nadelöhr: Die spezifische Wärmeleistung steigt dramatisch, sie beträgt mit etwa 30 bis 70 Watt pro Quadratzentimeter bei x86-Prozessoren das Mehrfache wie bei Herdplatten – mit steigender Tendenz. Die Methode der destruktiven Wärmeinterferenz könnte dieses Grundproblem der Chip-Zukunft lösen.

Die IT-Industrie arbeitete zwar mit Hochdruck, aber bislang vergeblich an Lösungen: Aus den IBM-Forschungszentren kam voriges Jahr der Vorschlag für strukturierte Chip-Oberflächen mit Mikrokanälen, weil der zu kleine Wärmekontakt zu zunehmend komplexen Kühlsystemen führt. Intels Vorschlag, die auf wenigen Quadratmillimetern erzeugte Hitze mit so genanntem Ionenwind schneller als bisher abzuführen, klingt abenteuerlich: Elektronen ionisieren vorhandene Luftmoleküle, die die Warmluft wegpusten.

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Solche Verfahren erinnern eher an Science-Fiction als an ernst zu nehmende Technik und sind ein Indiz für das Grundproblem der Chip-Kühlung, auf die die IT-Industrie zusteuert. Ein Firmenkonsortium von Intel, Microsoft und Sun arbeitet zusammen mit Universitäten in den USA jetzt an einer Lösung, mit der bisherige kompakte Kühlsysteme trotz kleinerer Dice auch weiterhin praktikabel sind. Mit Gegenwärme soll in unmittelbarer Nähe der Chipoberfläche die Hitze deutlich reduziert und schneller zu den Kühlsystemen übertragen werden. Das Verfahren erinnert an Gegenschall, mit dem Schallwellen in einem begrenzten Raum durch phasenversetzte Wellen ausgelöscht werden.

Übertragen auf die Wärmestrahlung bedeutet das, es muss elektromagnetische Strahlung (nichts anderes ist Wärme) erzeugt werden, die an der Chip-Oberfläche passend phasenversetzt ist. Diese Gegenstrahlung kommt von verschiedenen Kernen in Multikernprozessoren. Das geschieht nicht automatisch. Erst mit speziellen Algorithmen, zum Beispiel für Doppelkern-CPUs, kann die Wärmestrahlung gezielt so gesteuert werden, dass an der unmittelbaren Oberfläche der CPU die Wärme durch destruktive Interferenz teilweise ausgelöscht wird. Diese Energie verschwindet natürlich nicht, Energieerhaltung gilt nach wie vor, stattdessen entsteht mehr Wärme einige Mikrometer oberhalb der Die-Fläche. Herkömmliche Kühlverfahren können diese Wärme dann sehr einfach abführen.

Bis das Verfahren der Gegenwärme, oder genauer der destruktiven Wärmeinterferenz, in Produkte gegossen wird, ist noch viel Forschungsarbeit notwendig. Wärmestrahlung ist ungerichtet und hat eine sehr geringe Kohärenzlänge. Die destruktive Interferenz mit Strahlung eines anderen (Kern-) Bereichs im Die kann daher nur in einem sehr kleinen Volumen funktionieren. Das wird erst mit zukünftigen Chipgenerationen gelingen. Zudem müssen Anwendungen entwickelt werden, die die Kerne in der CPU geschickt auslasten, um die Gegenwärme zu maximieren.

Zahlreiche Aktivitäten rund um Gegenwärme nehmen sich dieser Baustellen an. Microsoft und Intel gaben vor wenigen Tagen bekannt, zwei Forschungszentren für Parallel Computing zu gründen, die sich mit der Entwicklung von Architekturen, Betriebssystemsoftware und Anwendungen für Computer mit Multi-Kern-Prozessoren konzentrieren sollen – Voraussetzung für Kühlung mit Gegenwärme. Die neuen Universal Parallel Computing Research Center (UPCRC) werden an der University of California, Berkeley (UC Berkeley) und an der University of Illinois at Urbana-Champaign (UIUC) angesiedelt. Intel arbeitet zusammen mit der Purdue University in West Lafayette an sogenannten Piezofans. Winzig kleine Federn an Piezo-Elementen bewegen sich mit hoher Frequenz und wedeln damit gewissermaßen die erhitzte Luft weg – das ist nur dann sinnvoll, wenn die Hitze nicht an, sondern oberhalb der Chip-Oberfläche entsteht, wie das bei Gegenwärme der Fall ist. Sun hat sich im Oktober 2007 ein Flüssigkühlsystem patentieren lassen, das ohne bewegliche Teile auskommt und ein periodisches, mikromagnetischen Feld nutzt. Wie bei der Gegenwärme müssen auch hier elektromagnetische Felder gezielt erzeugt werden. (jr)

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