Sehr viel effizienter: Forscher bauen Wasserkühlung direkt in den Chip

Die Flüssigkühlung von Halbleiter-Komponenten kann wesentlich effi­zien­ter und wirkungsvoller werden, wenn man das Kühlmittel direkt durch den Chip selbst leitet. Wie das aussehen und funktionieren kann, haben Schwei­zer Wissenschaftler jetzt gezeigt. Die Wärmeentwicklung ist immer wieder einer der wichtigsten limitierenden Faktoren, wenn es darum geht, die Leistung eines Chips nach oben zu schrauben. Bisher sitzen die Abnehmer der Hitze vor allem auf dem Chip. Eine solche Konstruktion ist teils so ineffizient, dass mehr Energie für das durchpumpen des Kühlmittels benötigt wird, als man Wärmeenergie abführt. Die Gesamtbilanz des Systems wird so ordentlich geschmälert.

Das neue Verfahren funktioniert hingegen sehr viel effizienter, wie Ars Technica berichtet. Es kommt allerdings auch mit einer deutlich höheren Komplexität daher. Für die ersten Experimente arbeitete man daher auch nicht mit normalen Silizium-Prozessoren, sondern wandte das Verfahren in Stromumformern aus Gallium-Nitrid (GaN) an. Diese kommen in erster Linie in der Stromversorgung für einen Rechner zum Einsatz.


Die GaN-Schaltkreise werden dabei ohnehin auf einen Silizium-Wafer aufgebracht, da sich die Produktion der Chips so besser in die bestehenden Fertigungsprozesse einbetten lässt. Hier haben die Entwickler nun sehr schmale Schlitze in den Silizium-Träger und die GaN-Schicht gelasert. Im GaN-Bereich wurden diese dann mit Kupfer verfüllt, das einer der besten Wärmeleiter ist. Die Schlitze im Silizium-Träger dienen nun als Kanäle für das durchfließende Kühlwasser.

Besonders effektiv wurde das Verfahren zusätzlich dadurch, weil die Kühlflüssigkeit so gezielt an jenen Stellen vorbeigeleitet werden kann, an denen die stärkste Wärmeentwicklung auftritt. Die Forscher experimentierten mit unterschiedlichen Schlitzgrößen und kamen letztlich zu einem recht guten Maß, bei dem bis zu 1700 Watt pro Quadratzentimeter von der Kühlung abgenommen werden können und die Erwärmung des Chips selbst auf 60 Grad begrenzt ist.

Effizienz steigt enorm

Allein schon der Einsatz der Tech­nologie in den Umwand­lern der Strom­versorgungs-Kompo­nenten kann beispiels­weise in Daten­zentren zu einer enormen Ein­sparung von Ener­gie führen, die für die Küh­lung der Systeme inves­tiert werden muss. Noch mehr ließe sich natür­lich erreichen, wenn man das Ver­fahren auch in anderen Halb­leiter-Kompo­nenten wie Pro­zessoren zum Einsatz bringen könnte. Das aller­dings ist nicht so einfach, da diese Chips wesent­lich komp­lexer sind und oft auch die Stellen mit der höchsten Wärme­entwicklung abhängig von den anstehenden Aufgaben wechseln.

Insbesondere in großen Datenzentren könnte sich der Mehraufwand in der Chip-Produktion und die damit verbundenen höheren Kosten aber schnell bezahlt machen. Solche Ein­rich­tun­gen stecken in der Regel rund 30 Prozent ihrer insgesamt benötigten Energie in die Küh­lung. Theoretisch könnte eine komplette Kühlung aller Chips den Aufwand auf 1 Prozent he­run­ter­brin­gen - bis dahin wäre es vom heutigen Stand aus aber noch ein sehr weiter Weg.

Siehe auch: