News Großes Potenzial: Wasserkühlung als Teil von Mikrochips

[Bigeagle]

Also abgesehen von dem Problem mit den kanälen - schon grobe waküblöcke setzen sich mit der zeit oft störend zu - erscheint mir das irgendwie verdächtig gut.
1,7 kW pro cm² und winzige spalte mit wasser drin? Als jemand der gerne mal wassertropfen auf eine heiße herdplatte fallen gelassen hat und ähnliches stellt sich mir da spontan die frage ab welcher leistung das Wasser lokal verdampfen könnte, womit die Kühlleistung dramatisch einbrechen würde. Heutige WaKüs sind davon recht weit entfernt, da muss man sich meines Wissens nach keine Gedanken machen da die kritische Verteilung der Heatspreader und der WaKüBlock übernimmt. Aber je näher das Wasser am Hotspot dran ist und je kleiner die Strukturen und damit doch im grunde auch die Wärmekapazität der gerade erwärmten Wassermenge werden, desto problematischer wird die Gefahr des siedens. Oder liege ich da falsch?
Bei den Strukturbreiten ist auch eher dünn mit Konvektion, d.h. da muss alles über Wärmeleitfähigkeit (die ist eher beschissen bei Wasser) oder Strömungsgeschwindigkeit kommen. -> hoher Durchfluss bei hohem Strömungswiderstand?

Mag mal jemand vorrechnen? ^^
Chipfläche 1 cm²
Tiefe der Wasserkanäle 1mm und 50% der Fläche dafür genutzt. Macht auf die Schnelle 0,05 cm² Wasser
um das um 60 K zu erwärmen braucht es etwa 12,5 Ws
wenn das wasser also 40° C warm ist und nur eine zehntelsekunde im Chip verbringt reichen schon 125 W aus um es zum kochen zu bringen

für mehr ist mein Kopf grade zu dicht, aber das sieht aus meiner Sicht erstmal nicht so einfach und unproblematisch aus

 

[Gaspedal]

Einfach eine Wasserkühlung drauf und so ein Mist braucht kein Mensch.

 

[Mysterion]

Ich sehe da ähnliches Gefahrenpotential, wie beim Einhalten des Ölwechsel-Intervall.

Komm, nach 30.000 km reicht....wie, ich hab' verstopfte Ölkanäle und Ölschlamm?

 

[SeppoE]

Eine der großen Herausforderungen wird nicht zwangsläufig die Verschmutzung, sondern ungleichverteilung sein. Wenn da ein Kanal, warum auch immer, weniger Massenstrom abbekommt wars das mit der Ecke des Chips.
Vorteilhaft sehe ich, dass man mit höheren Temperaturen fahren kann, weil der Wärmewiderstand sinkt und damit brauch man auf der anderen Seite auch keine großen Handstände machen, um die Wärme an die Umgebung abzugeben.

 

[terrorfrog]

ad 1 kuehl7ng im meer haette keiner einfluss auf die temperatur im meer. selbst alle energie die wir im jahr in waerme umsetzen haette keinerlei einfluss.

energie vom erdkern allein waere schon um einige magnituden hoeher von der sonne ganz zu schweigen.

ad2 die ernergieersparnis kann nur absoluter unsinn sein. die kuehlubg wahere nur effizienter, der ernergieverbauch der cpu bleibt gleich, der ernergietransfer in waerme ebenso. der gesamte kuehlbedarf ebenso

einzi die rechenleistung und taktraten lassen sich steigern, allerding qieder mit mehr energie.

qie man auf die idee kommt hier 99% im rechenzentrum einzusparen erschliesst sich mir nicht. zumal cpus nur einen teil der waermeleistung darstellen.


es bleibt sogar fraglich wie weit das ganze tatsaechlich irgendeinen vorteil haette.
erst wenn man den wassergekuehlten teil extra schnell kuehlen koennte würde das etwas bringen doch da stossen wir wieder auf die limitierung der waermeuebertragung zum eigentlichen kuehlsystem

einzig echter vorteil waere das man theoretisch genau diese flaeche damit signifikant erhoehen koennte - zheoretisch, praktisch aber wirds eng, grad bei server boards ist nicht unendlich platz. rein eine verdoppelung wuerde nur wenig helfen


tldr der redakteuer sollte ein paar stunden physikunterricht nachholen, der artikel hat die qualitaet eines kickstarterscams

 

[SeppoE]

Im Artikel steht explizit, dass die Kosten für die Kühlung gesenkt werden. In normalen Rechenzentren ist die Kühlung durch Kältemaschinen realisiert. Da hast Du vielleicht Wirkungsgrade von 4, heißt für für jedes kW, das Du wegkühlst musst Du 250W elektrische Leistung zusätzlich reinstecken.
Könnte man jetzt die Kältemaschine umgehen und bräuchte nur ne Wasserpumpe und außen etwas Fläche für die Luft/Wasser Wärmeübertrager, dann ist dafür schon Größenordnungen weniger Leistung für nötig. Also ja, das spart potenziell Einiges.
Aber klar, das kann nur ein Scam sein

 

[Andi07]

Hallo zusammen!

In https://www.nature.com/articles/d41586-020-02503-1 wird auch und etwas näher auf das Thema eingegangen. U.a. auch bzgl. Probleme und mögliche Lösungsansätze.
Es wird z.B. von einem Zweiphasen-Durchflusskühlsystem gesprochen. Und das in Verbindung mit Verdampfung des Fluids zur Wärmeabführung.
In Verbindung mit dem Wasser war das ein Einphasen-Durchflusskühlsystem.

Ihr könnt mit dem Artikel im nature wohl mehr anfangen.


Gruß Andi

 

[Beitrag]

Klingt interessant.
Wenn ich das richtig verstehe, soll die "Rückseite" des Chips, also in der Fertigung die Unterseite des Wafers dann diese Gräben bekommen.
Dann hat man nicht den Übergang Chip->Heatspreader->Kühler, sondern es ist ein "Wasserkühler" direkt auf dem Chip.

Aber wie geht es dann weiter? Das Wasser fließt durch den Chip durch aber wo fließt es hin und wo kommt es her? Einfach an 'ne Wasserkühlung anschließen wird jawohl kaum funktionieren. ^^ Und wenn man einen ganzen Kreislauf mit Pumpe in MEMS bauen würde, müsste man ja immer noch irgendwo das warme Wasser durch einen Wärmetauscher o.ä. schicken.

Oder wird die Wärme von dem System gar nicht im großen Maßstab abgekühlt, sondern nur besser verteilt, um Hotspots zu verhindern, dann aber konventionell gekühlt?

 

[telejunky]

Eine Idee kann ja sein, dass sich das alles wie eine flache Heatpipe vom Silizium bis zum Heatspreader verhält. Ab dort übernimmt der Kühler? In einer normalen Heatpipe ist die Flüssigkeit ja auch versiegelt und muss nie ausgetauscht werden.

 

[Andi07]

Hallo Beitrag und Hallo zusammen!

Besser verteilt, bessere Verteilung der Teilchen, durch die Verdampfung?

Wie es dann weitergeht, weiß ich natürlich nicht. Vielleicht ist das Zweiphasen-System auch eine Art zweistufige Verdunstungskühlung.

In https://www.oxy-com.com/de/blog-nachrichten/missverständnissen-adiabatischer-kühlung geht es zwar um Kühlung von Räumen.

Aber wie weit kann man das hier übertragen? Am Prinzip der Verdunstungstungskühlung ändert sich ja nichts.
Und wenn man das noch durch eine zweistufige Verdunstungskühlung steigern kann, ist es noch besser.
Falls das mit dem Zweiphasen-Durchflusskühlsystem gemeint ist.
Durchfluss muss ja nicht unbedingt etwas mit flüssig zu tun haben.


Gruß Andi

 

[D0m1n4t0r]

Man könnte statt Wasser ja auch Quecksilber reintun ^^

 

[PS828]

Im übrigen hilft der Kapillareffekt bei so einer Konstruktion und dieser wird umso stärker je geringer der Durchmesser der Röhren ist. Ich kann mir sehr gut vorstellen dass so eine Lösung funktioniert wenn eine geeignete Flüssigkeit verwendet wird

 

[Haldi]

Kann gut sein das so eine Lösung in der Zukunft zwingend notwendig wird.
Bereits jetzt haben die Ryzen/Threadripper mit dem Chiplet design höhere Hotspots ala ihre Vorgänger.
In der Zukunft werden die Chips noch kleiner und vermutlich noch mehr verbrauchen.
Das Probleme der Wärmeverteilung wird kommen und vllt wird irgendwann ein einfacher Heatspreader nicht mehr reichen.
Ob dann in chip Vapor Chambers eingebaut werden oder ob diese Technologie irgendwann einsatzbereit ist kann niemand mit Sicherheit sagen.
Aber das Problem der Hotspots auf den Chips zeigt sich deutlich.

 

[lowrider20]

Kurz erklärt, weil es angesprochen wurde: Eine Zwei-Phasen-Kühlung wird verwendet, weil beim Phasenwechsel (fest zu flüssig bzw. flüssig zu gasförmig) enorm viel mehr Energie gespeichert werden kann. Einfaches Beispiel aus der Realität: Wasser kocht bei 100°C. Kaltes Leitungswasser mit ca. 10°C ist schneller auf 100°C als es komplett verdampft. Solange das Wasser verdampfen kann, steigt die Tempratur nicht an und egal wieviel Energie man reinsteckt, die Temperatur wird nicht steigen, da sämtliche Energie für den Wechsel des Aggregatzustandes benötigt wird und darin gespeichert ist.

 

[mercsen]

Bin ich der einzige der direkt an OC denkt?

 

[hoxi]

Ich verstehe ehrlich gesagt diesen ganzen Aufwand nicht. Die Rechenzentren müssten doch nur von Intel auf AMD wechseln und würden sich sofort Unmengen von Energie und Klimatisierungskosten ersparen.

 

[Just Some Noise]

Die Haltbarkeit dürfte allerdings stark leiden. Wie sieht es den aus mit Erosionsverschleiß?

 

[Adjust-It]

Also "effizienter" ist so eine Wasserkühlung im Vergleich zu einer normalen definitiv nicht. Also zumindest die Wärmeübertragung. Der Wärmewiderstand ist geringer, aber es muss die gleiche Wärmemenge abgeführt werden. Ob die Wasserpumpe jetzt (für einen gewöhnlichen Rechner) 5W oder 1W zieht ist ziemlich egal, wenn sich die CPU 300W leistet.

Aber das Problem mit der Effizienz ist der Arbeitspunkt, bei dem ein Halbleiter arbeitet. Wird ein Chip besser gekühlt (=arbeitet bei geringerer Temperatur), dann wird der Widerstand (wieder) kleiner, und verbrät daher weniger Leistung. Also ja, bessere Kühlung, im Sinne von geringerer Arbeitstemperatur bei Last erzeugt höhere Effizienz! - abgesehen davon, dass der gleiche Chip leistungsfähiger wird.

 

[HITCHER_I]

Wo viele AIO Wasserkühlungen dran eingehen, ist Korrosion und Verunreinigungen (zB. Salz).
Dann frisst sich das Aluminium im Radiator auf und lagert sich an den feinen Kühlfinnen am Kupferkühler ab.
Besonders feine eingearbeitete Kühlkanäle in der CPU kann man auch sicherlich noch schwerer reinigen.

 

[Qualla]

Die Forscher werden das sicher bereits in Betracht gezogen haben, aber meine erste Idee war:
Wasserstoff! Das wird auch in manchen Elektromotoren zur Kühlung eingesetzt und die Moleküle sind wahrscheinlich für die dünnen Kanäle viel besser geeignet.