Mikrotechnologie kühlt heiße Chips

Auf dem BroadGroup Power und Cooling Summit haben IBM-Forscher einen neuen Ansatz zur Verbesserung der Kühlung von Computerchips mit Hilfe von fraktalen Kanalstrukturen vorgestellt.

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Von
  • Wolfgang Stieler

Auf dem BroadGroup Power und Cooling Summit in London haben IBM-Forscher einen neuen, innovativen Ansatz für die bessere Kühlung von Computerchips vorgestellt. Das "High Thermal Conductivity Interface Technology" genannte Verfahren ermöglicht bei gleicher Fläche die Abfuhr von doppelt so viel Wärme wie bisher. "Kühlung ist eine ganzheitliche Herausforderung – vom individuellen Transistor bis ins Rechenzentrum", sagt Bruno Michel, Manager Advanced Thermal Packaging Research Group im IBM Forschungslabor Zürich. "Wir haben eine Explosion des Wärmeflusses. Das Problem hatten wir 1995 bei den Mainframes schon mal. Damals sind wir von der bipolaren auf die CMOS-Technologie gesprungen. Das können wir jetzt nicht mehr."

IBM setzt am Verbindungspunkt zwischen dem heißen Chip und den verschiedenen Kühlkomponenten, inklusive der Heat Sinks, an. Typischerweise werden hier partikel-gefüllte, viskoseartige Pasten eingesetzt, damit Chips sich gemäß der Wärmeentwicklung optimal an den Kühlkörper anbinden lassen. Dabei wird die Pasten-Schicht so dünn wie möglich gehalten, um eine möglichst effiziente Wärmeabfuhr vom Chip zu den Kühlkomponenten zu erreichen. Wird die Schicht jedoch zu dünn, entstehen Löcher - der Chip wird an dieser Stelle nicht gekühlt und fällt möglicherweise aus.

High Thermal Conductivity Interface nach Aufbringen der Paste. (Bild IBM)

Michel und sein Team verwenden nun Pasten höherer Viskosität, die sie über ein Systeme hierarchischer Kanäle aufbringen. Vorbild dafür waren fraktale Adersysteme in der Natur, beispielsweise bei Blättern, Wurzeln oder im menschlichen Kreislauf. Diese bedienen sehr große Volumen mit geringer Energie und nahezu gleichbleibendem Druck im ganzen System. Unter Einsatz moderner Mikrotechnologie haben IBM Forscher jetzt eine Chip-Kappe mit einem Netz von baumähnlich verzweigten Kanälen auf ihrer Oberfläche entwickelt. Das Muster wurde so entwickelt, dass Druck gleichmäßiger über die Paste und den Chip hinweg verteilt wird. Dies ermöglicht, mit geringerem Druck eine gleichmäßige Schicht aufzubringen, die einen zehnfach besserem Hitzetransport über die Schnittstelle leistet. Nach Angaben von Michel befindet sich das HNCI (Hierarchical Nested Cooling Interface) in einem "fortgeschrittenen Forschungsstadium". Der vorgestellte Prototyp ist Teil einer Initiative der Forschungs- und Entwicklungsorganisation von IBM, die Kühlleistung der nächsten und künftiger Generationen von Computersystemen zu verbessern.

Auch jenseits luftgekühlter Systemen haben die Züricher Forscher vor, ihr Konzept eines verzweigten Kanaldesigns weiter zu entwickeln. Dabei geht es um einen neuartigen und vielversprechenen Ansatz für Wasserkühlung. Unter dem Namen "Direct Jet Impingement" wird dabei Wasser auf der Rückseite eines Chips verteilt und wieder abgesaugt. Das komplett geschlossene System besteht aus einer Aufstellung von bis zu 50.000 winzigen Ausbringungspunkten und einer komplexen baumartigen Rückführungsarchitektur. Die ersten Laborergebnisse sind laut IBM "beeindruckend". Das Team hat die Kühlung von Energiedichten von bis zu 370 Watt pro Quadratzentimeter mit Wasser als Kühlungsmittel nachgewiesen. Dies liegt weit jenseits der Grenzen gegenwärtiger Luft-Kühlungstechnologien, die circa 75 Watt pro Quadratzentimeter erreichen. Dennoch verbraucht das neue System viel weniger Energie für die Umwälzung als andere Kühlsysteme derzeit. (wst)