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Forscher zeigen Wasserkühlungs-Konzept direkt im Chip

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on-chip-kuehlungKonzepte zu einer Wasser- oder Flüssigkeitskühlung direkt im Chip gab es bereits viele. Immer kleinere Strukturen, aber vor allem eine immer höhere Integrationsdichte in Multi-Chip-Designs machen eine Kühlung immer aufwendiger. Eine Flüssigkeitskühlung ist in vielen Bereichen die einzige Möglichkeit die Abwärme noch abführen zu können – doch auch hier gibt es Grenzen, denn das Wasser kann immer nur über einen bestimmten Bereich geführt werden.

Forscher an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne in der Schweiz (EPFL) haben nun erneut ein Konzept entworfen, bei dem die Kanäle für die Kühlflüssigkeit direkt durch den Chip geführt werden. Denn auch wenn das Konzept als solches zunächst einmal einfach klingt, in der Umsetzung gibt es zahlreiche Hürden. So muss die Flüssigkeit in das Package gebracht und wieder herausgeführt werden. Entsprechende Anschlüsse und Verbindungen müssen dicht sein und dürfen nicht zu einer Ineffizienz des Kreislaufs führen.

Bisherige Konzepte sahen Schichten mit Mikrokanälen vor, die auf den Chip aufgebracht werden. Durch diese Kanäle sollte dann das Wasser gepumpt werden. Eine Art Direct-Die-Kühlung, die aber noch wesentlich näher an der Hitzequelle sitzt, als dies für eine Wasserkühlung der Fall wäre.

Das nun von den Forschern entwickelte Verfahren sieht extrem dünne Schlitze vor, die durch das Gallium Nitrid (GaN) in das darunter liegende Silizium geschnitten werden. In einem Ätzprozess im oder am Silizium werden die Kanäle aufgeweitet, wobei die ursprünglichen Lücken in der GaN-Schicht mit Kupfer aufgefüllt werden. Das Kupfer hilft bei der Wärmeleitung hin zur Kühlflüssigkeit. Unter diesen Kanälen befindet sich eine Reihe weiterer Durchgänge, die als Zuleitungen dienen. Die kalte Kühlflüssigkeit wird über eine Einspeisung zugeführt, zirkuliert durch den Kanal nach oben und wird dann durch eine benachbarte Senke abgeführt.

Die Forscher haben an unterschiedlichen Designs geforscht. Letztendlich ist man zu einer Konstruktion gelangt, die 1.700 W pro Quadratzentimeter abführen kann und den Prozessor bei einer Temperaturen von 60 °C hält.

Bis eine solche Kühlung in der Praxis einsetzbar ist, wird es aber noch einige Zeit dauern. Bislang haben die Forscher nur Tests für einfache Chips machen können, die noch nicht funktionstüchtig waren. Hier wurde einzig simuliert, welche Leistung abgeführt werden kann. Die Kühlung funktionierte, wir sprechen hier noch nicht von komplexen Chips wie moderne Prozessoren oder GPUs. Kühlung und Chipdesign müssen dort aufeinander ausgelegt sein, damit sich die Halbleiterstrukturen und die Kühlung nicht in Quere kommen. Vielmehr noch, die Kühlung sollte vor allem dort vorhanden sein, wo sich im Chip die Hotspots befinden.

Man darf gespannt sein, wie sich dieses Thema in den kommenden Jahren weiterentwickelt.

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