News Mikrofluidik: Microsoft vermeldet „Durchbruch“ bei direkter Chip-Kühlung

[CDLABSRadonP...]

Hoffentlich auch kurze Zeit später für Privatanwender...
...oder zuerst für sie, als Betatester! (wie sonst auch)

 

[Beitrag]

Vermutlich nur interessant für professionelle Einsätze. In einer Wakü-Lösung daheim würden sicherlich Rückstände die kleinen Kanäle im Chip ruckzuck zusetzen.

Es gibt auch Forschung dazu, wo die On-Chip-Wasserkühlung einen eigenen Kühlkreislauf hat. Sowas könnte man perspektivisch auch als geschlossenes, wartungsfreies System für den Endkundenmarkt anbieten - dann ist es einfach komplett im Package und automatisch mit dabei, wenn man eine neue CPU kauft.

Bei sowas würde man dann einen konventionellen Kühler drüberschnallen und die On-Chip-Wasserkühlung ist im Wesentlichen einfach dafür da die Wärmespreizung drastisch zu verbessern, also gegen Hot Spots auf dem Chip.

 

[Deinorius]

Das wird anfangs eh nur für Server erscheinen, für uns sicher zu teuer, außer man kann eine günstigere Version entwickeln, da im heimischen Bereich (hoffentlich) selbst 500 W nicht typisch werden sollten und auch dann kann man auf Wasserkühlung setzen.
Ich würde mir davon primär eine effiziente Kühlung mit Luftkühlern erhoffen, gerade im mobilen Bereich.

Ich bin gespannt, wie sich das weiterentwickelt, bin davon sehr fasziniert. Wasser hätte die besten physikalischen Eigenschaften dafür und destilliert auch nicht stromleitend, aber wie mit normalen Wasserkühlungen muss man sich fragen, ob auch im mikroskopischen Bereich Ablagerungen entstehen können. Zumindest sollten Keime kein Problem darstellen. Viele Fragen, viel Forschung.

 

[Botcruscher]

Das kommt nicht für Privatanwender. Selbst im Rechenzentrum eher zweifelhaft.
In dem System darf es keine Verunreinigungen geben, sich nichts lösen oder absetzen. Der Pumpendruck durch die Wechselwirkung von Viskosität/Oberflächenspannung etc. muss zudem deutlich höher sein.

 

[Deinorius]

Der Pumpendruck durch die Wechselwirkung von Viskosität/Oberflächenspannung etc. muss zudem deutlich höher sein.

Ich würde auch von einer Methode zusätzlich ausgehen, welche dem Prinzip von Heatpipes ähnelt. Man steht hier ja noch am Anfang. Wer weiß, wie sich hier alles entwickelt.

 

[Beitrag]

Selbst im Rechenzentrum eher zweifelhaft.
In dem System darf es keine Verunreinigungen geben.

Bei der Wasserkühlung von Leistungshalbleitern im Hochspannungsbereich (z.B. bei HGÜ-Anlagen oder STATCOMs) hängt oft eine Entionisierungsanlage mit am Kühlkreislauf, die das Wasser im laufenden Betrieb dauerhaft filtert und entionisiert, damit es nicht elektrisch leitfähig wird.

Ist also alles, was man bräuchte, schon in anderen Branchen Usus und daher an sich gut machbar. Die Frage ist nur, wie es mit den Betriebskosten aussähe.
Lohnt sich eine deutlich ausgefeiltere Kühllösung, wenn man dafür mehr aus den Chips rausholen kann?

Also ich würde sagen: Wenn Nvidia seine quasi-Monopolstellung im KI-Bereich weiter zementiert und die Preise weiter anzieht, könnte es sich schon lohnen, wenn das Rechenzentrum dann mehr für Kühlung ausgibt und dafür ein paar Chips spart.

Damit sich die Frage aber überhaupt stellt, müsste man denselben Chip sowohl mit als auch ohne On-Die-Wasserkühlung kaufen können.

 

[Ranayna]

Ich würde auch von einer Methode zusätzlich ausgehen, welche dem Prinzip von Heatpipes ähnelt.

Da habe ich auch schon dran gedacht, also ein Phasenwechselmedium, dass dann verdampft.

Aber das halte ich doch fuer eher unwahrscheinlich, denn wenn da irgendwas in den Kapillaren verdampft ist das auch unguenstig. Die Gasblasen koennen selber eine Verstopfung sein, wenn der Druck nicht gross genug ist, und die Volumenvergroesserung koennte ueber laengere Zeitraeume auch fuer Brueche im umgebenden Material sorgen.

Bei der Wasserkühlung von Leistungshalbleitern im Hochspannungsbereich (z.B. bei HGÜ-Anlagen oder STATCOMs) hängt oft eine Entionisierungsanlage mit am Kühlkreislauf, die das Wasser im laufenden Betrieb dauerhaft filtert und entionisiert, damit es nicht elektrisch leitfähig wird.

Huch? Das wird tatsaechlich heutzutage mit Wasser gemacht? Da haette ich ja mit Oel gerechnet, was ja frueher soweit ich weiss auch ueblich war. TIL, danke.

 

[Aduasen]

Die Frage, die sich mir direkt stellt:
Wie lange rechnet man denn tatsächlich bis zu einer Markeinführung?
Oder wurde darüber gar nichts gesagt?

 

[wern001]

Sollten endlich mal eine alternative zu Silizium verwenden was eine deutlich bessere Wärmeleitfähigkeit hat

 

[stefan92x]

Huch? Das wird tatsaechlich heutzutage mit Wasser gemacht? Da haette ich ja mit Oel gerechnet, was ja frueher soweit ich weiss auch ueblich war. TIL, danke.

Wasser ist halt das bessere Kühlmittel. Wobei mir persönlich reines Wasser für diesen Zweck auch neu ist, ich kenns eher mit "klassischem" Kühlwasser, wie man es auch für Autos kennt (also gemischt mit Glykol oder so).

 

[wern001]

Wobei mir persönlich reines Wasser für diesen Zweck auch neu ist, i

reines Wasser geht nicht da es recht aggressive ist

 

[Deinorius]

Aber das halte ich doch fuer eher unwahrscheinlich, denn wenn da irgendwas in den Kapillaren verdampft ist das auch unguenstig. Die Gasblasen koennen selber eine Verstopfung sein, wenn der Druck nicht gross genug ist, und die Volumenvergroesserung koennte ueber laengere Zeitraeume auch fuer Brueche im umgebenden Material sorgen.

Alles berechtigte Probleme. Mal sehen, wie sich das Ganze entwickelt.
Auch hinsichtlich der Frage von @Aduasen: Das Ganze ist noch frühe Forschung und keiner kann wirklich einschätzen, wann diese oder auch andere Methoden auf den Markt kommen. Die zu lösenden Probleme sind ja unten im Artikel ja aufgelistet.

 

[Beitrag]

Wobei mir persönlich reines Wasser für diesen Zweck auch neu ist

Vielleicht mal ein Beispielbild dazu:
Das hier ist ein Foto aus einer Pressemitteilung von ABB zu deren "HVDC Light"-System (heute zu Hitachi Energy gehörend). Da stand der Fotograf nah dran, sodass man es etwas sehen kann:
In diesen Türmen, die da von der Decke hängen, liegt vertikal ein dickes Rohr. Von da gehen etliche kleine Schläuche nach rechts zu zahlreichen Kühlkörpern. Hier werden abwechselnd StakPak-Leistungshalbleiter-Module und Kühlkörper gestapelt. Die Kühlkörper sind Teil der Schaltung, durch sie fließt Strom. Sie stehen also unter Spannung. Und das ist eine große Reihenschaltung: Jeder Kühlkörper hat ein paar tausend Volt Potentialunterschied zu benachbarten Kühlkörpern.

Sämtliche Zusätze im Kühlwasser, die auch nur ein bisschen Leitfähigkeit verursachen würden, sind also tabu.
Und da solche großen Reihenschaltungen bei Leistungshalbleitern im Hochspannungbereich üblich sind und man mit Luftkühlung viel Performance und Platz verliert, ist der Betrieb mit entionisiertem Wasser da Usus.

Ob es heute noch Anlagen gibt, wo man das mit Öl macht, weiß ich nicht, glaube ich aber nicht. Wo es ein Problem ist, wird man, denke ich, eher direkt zu Luftkühlung downgraden.

 

[SFFox]

[...] alternative zu Silizium verwenden was eine deutlich bessere Wärmeleitfähigkeit hat

Ich dachte Silizium wäre schon fast ein Isolator, also ein schlechter Wärmeleiter, und man könnte alternativ diese Kanäle mit Flüssigmetall füllen und dann auch mit einer Direct Die Kühlmethode mehr raus kitzeln, durch diese Kühlkanäle.

Fehlanzeige. Silizium ist gar nicht so schlecht, wie ich dachte.

Wärmeleitfähigkeiten:
Silizium ~150 W/m K
Aluminium ~250 W/m K
Kupfer ~400 W/m K
Flüssigmetall ~80 W/m K
Wasser bei ~20° C ~0,6 W/m K

Also ja, Silizium ist nicht das non plus ultra, aber hindurch strömende Flüssigkeit kann ja wirklich noch mal ne Menge direkt an der Quelle abführen, keine schlechte Idee Ein anderes Materiel wäre sicherlich auch gut. Diamant leitet auch super Wärme und man munkelt da gäbe es Möglichkeiten in der Forschung. Da sich das Grundmaterial mittlerweile auch synthetisch herstellen lässt, wahrscheinlich sogar reiner als die meisten in der Natur und in den Minen, liegt das im Bereich des Möglichen. Teurer als Silizium wäre es aber bei weitem.

 

[Krik]

Bei manchen Anlagen wird auch ein spezielles Öl statt Wasser verwendet.

Für den Consumer kann ich mir eine Lite-Variante vorstellen, bei dem auf Mikrokanäle verzichtet wird und stattdessen in das Silizium Lamellen wie bei einem Kühlkörper geätzt oder gefräst werden. Die brauchen auch nicht so mikro sein, dass man mit dem Durchfluss und Verstopfungen Probleme bekommt.

Das können die CPU-Hersteller auch direkt als Paket verkaufen: CPU mit gefräster Oberfläche und das Zeugs drumherum, sodass man nur noch die Schläuche anklemmen braucht.
Oder man bietet mehrere Varianten je nach Geldbeutel und Grundvoraussetzung an. Wer Luftkühlung machen will, kauft dann eben so einen Block mit integrierter Heatpipe. Wer Wasserkühlung machen will, der kauft den Block mit Schnellverbindern.

Ich sehe darin viel Potential, da man a) direkt den Chip statt eines Kühlkörper kühlt und b) durch die erhöhte Oberfläche viel mehr Wärme abgeben kann.
Und es macht den Chip direkt wieder 10 € teurer (oder so).

 

[SFFox]

Das können die CPU-Hersteller auch direkt als Paket verkaufen: CPU mit gefräster Oberfläche und das Zeugs drumherum, sodass man nur noch die Schläuche anklemmen braucht.

Das sehe ich eher bei so Enthusiastenhändler wie Case King. CPU Hersteller werden ihre CPUs sowieso los und ich denke die Ambition selbst ein Produkt auf den Markt bringen, das eine höhere Wahrscheinlichkeit hat kaputt zu gehen (also mehr RMA Fälle erzeugt), während unverbastelte CPUs ganz schön alt werden können... die Idee an sich ist aber ganz cool.

 

[Crythunder]

Würde ich ungerne im Privatbereich sehen, wegen altersbedingten Hardwaretoden. Bisher läuft die meiste Hardware gefühlte Ewigkeiten ohne sich zu zerstören. Wasser wird durch die Abrasion garantiert die Kanäle zerstören und vermutlich deutlich schneller als alternde Elektronik.

 

[wern001]

Flüssigmetall ~80 W/m K

Diamant leitet auch super Wärme und man munkelt da gäbe es Möglichkeiten in der Forschung

Wo hast Du denn diesen wert her?
Galinstan (-19°C Schmelzpunkt) hat einen wert von ca 16 W/(m·K)
Ich glaub jetzt mal nicht das man Gallium/Indium/Zinn je auf 80 W/(m·K) bringt wenn es bei Raumtemp noch flüssig ist.

Diamant statt Silizium hatte ich vor ein paar Monaten schon erwähnt.
Und statt Kupfer dann Zimmertemperatur Supraleiter.
Die letzte echte Weiterentwicklung bei der Chipherstellung war der umstieg von Alu auf Kupfer bei den Leiterbahnen auf dem Chip.

 

[Beitrag]

Silizium ist gar nicht so schlecht, wie ich dachte

Das Problem ist auch weniger die Wärmeleitfähigkeit, als vielmehr die Wohlfühltemperatur.
Wenn es zu heißt wird, bekommt man zunehmend Probleme mit Leckströmen und irgendwann ist der Halbleiter ein Ganzleiter.

Dein beispielhaft angeführter Diamant-Halbleiter ist ein sogenannter Wide-Bandgap-Halbleiter, welcher auch diese Probleme löst. Die können viel höhere Temperaturen ab und haben weniger Leckstrom.

In anderen Bereichen setzt man das schon ein (z.B. SiC und GaN in power-MOSFETs). Für ICs ist das auch interessant und Forschungsthema, aber es ist bei denen oft schwierig eine gute CMOS-Schaltung hinzukriegen, weil man dafür sowohl gute PMOS als auch gute NMOS realisieren können muss, während für Power-Anwendungen NMOS reicht.

 

[samuelclemens]

Mehr Auflagefläche = mehr Temperaturableitung. Ich geh schon mal in den Keller Schleifpapier und den Cutter suchen.

Hab schon lang den gedanken warum nicht einfach die fläche erhöhen zb breiter und länger dafür die höhe massiv reduzieren. Da cpu kühler eh gut 20-30 bal größere abmessungen haben würde sich kaum was an der innenarchitektur d3s pc ändern. Ausser halt das man spezielle Kühler mit größerer kontaktfläche bräuchte. Auf dem Mobilsektor wäre es auch praktisch haucgdünne cpus die direkt am gehäuse zur wärmeableitung anliegen.

Weiterer lösungsansatz wäre Kühler zu bauen wo man die CPU innen quasi als Kern einstecken kann und dann über eine schnittstelle außen am kühler aufs bord aufstecken kann. So könnte man die cpu von allen seiten gleichzeitig kühlen.