Forscher entwickeln die nächste Generation der Chipkühlung: Vorbild Natur – Baumstrukturen und Kreislaufsysteme

Das innovative Verfahren erlaubt eine deutliche Verbesserung der Wärmeabfuhr gegenüber derzeitigen Verfahren.

Effektive Chipkühlung ist eines der drängendsten Probleme für Elektronikentwickler geworden. Heutige Hochleistungschips erzeugen bereits eine Energiedichte von 100 Watt pro Quadratzentimeter – das entspricht bereits einer Größenordnung mehr als der einer Kochplatte. Chips von morgen könnten noch höhere Energiedichten erreichen.

Gegenwärtige Kühlungstechnologien, hauptsächlich basierend auf verstärkter Luftumwälzung, haben ihre Grenzen voraussichtlich bald erreicht. Die Energiemenge, die zur Kühlung von Computersystemen nötig ist, nähert sich rasant der Energiemenge, die für das Computing selbst erforderlich ist. Damit verdoppelt sich fast der Kostenblock für die Energieversorgung.

Der von IBM verfolgte Ansatz adressiert den Verbindungspunkt zwischen dem heißen Chip und den verschiedenen Kühlkomponenten, die heute eingesetzt werden, um die Hitze abzuziehen. Unter Einsatz moderner Mikrotechnologie haben IBM Forscher jetzt eine Chipkappe mit einem Netz von baumähnlich verzweigten Kanälen auf ihrer Oberfläche entwickelt. Dies ermöglicht einen bis zu zehnfach besseren Hitzetransport als bei bisherigen Verfahren. Dieses extrem leistungsfähige Design für 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.

Mit Blick jenseits der Grenzen von luftgekühlten 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. Dabei wird Wasser auf die Rückseite eines Chips verteilt und wieder abgesaugt in einem komplett geschlossenen System, das aus einer Aufstellung von bis zu 50.000 winzigen Ausbringungspunkten und einer komplexen baumartigen Rückführungsarchitektur besteht.

Darüberhinaus war das IBM Team in der Lage, die Kühleigenschaften des Systems zu verbessern, indem die Strukturen direkt auf der Rückseite des Chips aufgebracht und dadurch die Widerstand erzeugenden Wärmeschnittstellen zwischen Kühlsystem und Silizium vermieden wurden. Die ersten Laborergebnisse sind 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.