Großes Potenzial: Wasserkühlung als Teil von Mikrochips

Michael Günsch 60 Kommentare
Großes Potenzial: Wasserkühlung als Teil von Mikrochips
Bild: Powerlab Matioli

Sogenannte Microfluid Cooling Systems sorgen für effizientere Kühlung von Mikrochips. Nach ersten Ansätzen auf dem Chip soll die Kühlung nun direkt in die Chips integriert werden. Dieses Konzept beschreiben Forscher aus der Schweiz in einem Artikel. Das Potenzial zur Einsparung der Kühlenergie in Rechenzentren sei damit enorm.

Die Idee einer Flüssigkeitskühlung mit feinen Kanälen, die direkt auf dem Chip sitzen und dadurch eine effizientere Kühlung als herkömmliche Lösungen ermöglichen, ist längst nicht neu. Entsprechende Forschungsberichte gehen bis ins Jahr 2005 zurück. Doch jetzt soll die Kühlung noch näher an das Silizium rücken, genauer: in das Silizium.

Wasser fließt über Mikrokanäle durch den Chip

In ihrem BerichtCo-designing electronics with microfluidics for more sustainable cooling“ beschreiben Forscher des POWERlab am Institute of Electrical Engineering, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) den neuen Ansatz. Wie eine Grafik veranschaulicht, werden bereits bei der Fertigung des Chips winzige Kanäle für das flüssige Kühlmittel (hier Wasser) in das Silizium gearbeitet. Das System nennen die Forscher „monolithically integrated manifold microchannel“ (mMMC). Gekühlt werden die darüber liegenden Schaltkreise durch den Wärmeaustausch. Das zunächst kalte Wasser wird durch einen Verteiler (Manifold) geleitet, der es in die Mikrokanäle speist, die direkt unter dem Halbleiter aus einer Schicht Galliumnitrid (GaN) sitzen. Die von den Schaltkreisen erzeugte Wärme wird über Kupferkontakte, die sogleich die Kanäle versiegeln, an das Wasser abgegeben und darüber abgeführt.

Wasserkühlung im Chip als Schema
Wasserkühlung im Chip als Schema (Bild: Nature)

Zur Demonstration wurde ein Gleichrichter hergestellt, bei dem Wärmeströme von mehr als 1,7 Kilowatt pro Quadratzentimeter mit einer Pumpenleistung von lediglich 0,57 W/cm² kühlbar waren, so die Forscher.

Von einer Markteinführung ist die Technik aber noch weit entfernt. Unter anderem müsse noch die Stabilität der dünnen GaN-Schicht über einen längeren Zeitraum geprüft werden. Zudem sei zur Verbindung der Mikrokanäle mit der Wasserzufuhr von der Trägerplatine ein Klebstoff verwendet worden, der lediglich Temperaturen bis 120 °C überstehe. Bei der Fertigung finaler Produkte seien aber Temperaturen von teils 250 °C üblich. Zudem müsse man noch Alternativen für Wasser als Kühlmittel suchen.

Riesiges Potenzial soll die Technik beim Einsatz in Rechenzentren bieten: Während diese bisher 30 Prozent zusätzliche Energie zur Kühlung benötigten, könne dieser Anteil potenziell auf unter 0,01 Prozent sinken, so die Forscher. Wie Spektrum dazu schreibt, würden laut einer Rechnung allein die Rechenzentren in den USA pro Jahr etwa 24 Terawattstunden Energie und 100 Milliarden Liter Wasser zur Kühlung benötigen. Dementsprechend von Relevanz ist die Forschung nach neuen, Ressourcen schonenden Lösungen.

Ein gänzlich anderer Ansatz mit zumindest ähnlichem Ziel ist zum Beispiel das Projekt Natick von Microsoft, bei dem Rechenzentren im Meer versenkt werden, um das Meerwasser zur Kühlung und Stromerzeugung zu nutzen.