Mikrofluidik-Mechanik

Microsoft zeigt Fortschritte bei Microchannel-Kühlung

Aufgrund der enormen Leistungsaufnahme von inzwischen mehr als einem Kilowatt je GPU-Beschleuniger sowie der zukünftigen Anforderungen von mehreren Kilowatt arbeiten fast alle Chip- und Serverherstellern an neuen Kühllösungen. Zukünftig werden gerade die KI-Systeme vollständig wassergekühlt sein. Um die enorme Abwärme möglichst effizient von der doch recht kleinen Chipfläche abführen zu können, muss der Wärmeübergang vom Silizium auf das Kühlmedium verbessert werden.

Sogenannte Microchannel, bzw. eine Integration des Wasserkühlers direkt in das Chip-Package scheinen hier der einzig gangbare Weg zu sein. Intel arbeitet an solchen Lösungen, aber auch bei anderen Herstellern wie NVIDIA sind solche Projekte bekannt.

Microsoft hat gemeinsam mit dem Schweizer Unternehmen Corintis an einem Wasserkühler gearbeitet, der ebenfalls direkt im Chip integriert wird. Anstatt kleiner paralleler Kanäle wird allerdings ein zufällig aussehendes Muster geätzt, durch welches das Wasser geführt wird. Die Kanalgeometrie ist so aufgebaut, um den Kühlmittelfluss präzise zu steuern. Die Kanäle werden von der Biologie inspiriert und ähneln den Venen in einem Blatt.

Durch die Reduzierung mehrerer Schichten zwischen Wärmequelle und Kühlmittel wird der thermische Widerstand um bis zu 44 % reduziert. Laut Microsoft wird die maximale Temperatur in den Chips um 65 % verringert.

Die Implementierung mikrofluidischer Kühlung bringt allerdings auch spezifische technische Herausforderungen mit sich. So erfordert die Herstellung mikroskopisch kleiner Kanäle fortgeschrittene Mikrofabrikationstechniken, um robuste und zuverlässige Strukturen zu gewährleisten. Die Systeme müssen hohen Drücken standhalten können. Tests zeigen Druckfestigkeiten von über 250 bar bei ordnungsgemäß gebondeten Strukturen.

In den kommenden Jahren wird Microsoft gemeinsam mit seinen Partnern die Entwicklung solcher Kühllösungen vorantreiben. Neben der Entwicklung des Chip-Package mit integriertem Kühler spielen die Server-Integration und das Kühlmedium eine wichtige Rolle. Bei Defekten oder Verunreinigungen kann hier nicht einfach der Kühler getauscht werden.

Eine konkrete Umsetzung einer Microchannel-Kühlung gibt es bis heute noch nicht. In den kommenden Jahren wird die Abwärme der einzelnen Chips immer weiter steigen und so werden die Hersteller verbesserte Kühlungen zum Einsatz bringen müssen.