Mikrokanäle kühlen Chips

Wird ein Prozessor zu heiß, drosselt er Takt­frequenz und Betriebs­spannung. Das Ergebnis: Die Rechen­geschwindig­keit sinkt oder der Prozessor schaltet sich sogar ganz ab, um CPU und Mainboard vor Schäden durch die Hitze zu schützen. Wärme, beziehungs­weise deren Kühlung, ist daher ein wichtiger Faktor, wenn es um die Rechen­leistung geht. Bisher wird hier meist mit Kühl­körpern gearbeitet, die die Hitze von den Prozes­soren ableiten. Gleich­zeitig werden die wärme­empfind­lichen Bauteile von oben mit Lüftern gekühlt. Ein Forscher­team um Wolfram Steller, Hermann Opper­mann und Jessika Kleff vom Fraun­hofer-Institut für Zuver­lässig­keit und Mikro­integration IZM in Berlin und Dresden hat nun einen Weg gefunden, Mikro­chips mit einem flüssig­keits­basierten Kühl­system sowohl von der Obers­eite als auch von der Unter­seite zu kühlen. Das ermöglicht eine effek­tivere Kühlung und damit mehr Leistung.

Für diesen Fortschritt werden in den Silizium-Inter­poser, der sich zwischen Prozessor und Leiter­platte befindet, Mikro­kanal­strukturen mit herme­tisch versie­gelten Durchgangs­kontakten eingebaut. Durch die Mikro­kanäle wird dann Kühlmittel gepumpt, das die unlieb­same Wärme vom Prozessor abtrans­portiert. Interposer sind für die elek­trische Versorgung und die Kühlung des Prozes­sors zuständig, liegen wie eine Schicht zwischen Leiter­platte und Chip und sind von oben nach unten alle 200 Mikro­meter von elektrischen Kontakten durch­zogen, die die Strom­versorgung und Daten­übertragung des Prozessors gewähr­leisten. Um auch Hitze aufnehmen zu können und diese vom Prozessor weg zu transportieren, haben die Wissen­schaftler quer zu den Durch­kontak­tierungen Mikro­fluidkanäle eingebaut, durch die das Kühl­mittel geleitet werden kann.

Die besondere Heraus­forderung war es nicht nur, die kleinen Kanäle in den Inter­poser einzubauen, sondern diese auch hermetisch abzu­dichten und so von den elek­trischen Bahnen zu trennen. Die Lösung der Forscher: Der Inter­poser wird aus zwei Silizium-Platten gefertigt. In diese werden sowohl die hori­zontal verlau­fenden Kühl­kanäle als auch die vertikal verlaufenden Kanäle für die elek­trischen Leitungen komple­mentär einge­arbeitet. Um einen Kontakt des Wassers mit den elek­trischen Durch­kontakten auszu­schließen, wird jeder einzelne Kontakt speziell versiegelt.

„Bislang gehen die Kühl­strukturen nicht so nah an den Rechner­kern selbst. Das heißt, Kühler werden meist additiv von oben aufge­bracht“, weiß Hermann Opper­mann, Gruppen­leiter am Fraun­hofer IZM. „Je näher man mit der Kühlung aber an die Hitze­quelle geht, desto besser kann die Temperatur begrenzt beziehungs­weise die Leistung erhöht werden. Gerade beim High Perfor­mance Computing gibt es immer höhere Daten­raten. Entsprechend wichtig ist eine effek­tive Kühlung, die eine hohe Taktrate gewähr­leistet. Bis­herige Kühl­systeme sind in diesem Zusammen­hang begrenzt. Mit dem neuen Kühl­system kann die Leistung deutlich gesteigert werden.“

Als wäre das Kühl­system nicht genug, haben die Forscher zusätzlich auch Voltage­regulatoren für die Spannungs­versorgung sowie opto­elektronische Bauteile zur Daten­übertragung in den Interposer integriert. Während der Voltage­regulator den Prozessor mit der passenden Betriebs­spannung versorgt, wandelt die Opto­elektronik elek­trische Signale aus dem Prozessor in Licht­signale um. Dadurch können auch große Daten­mengen verlust­arm mit hoher Signal­qualität über­tragen werden – im Gegensatz zu Kupfer­leitungen, in denen die Verluste mit wachsender Daten­rate zunehmen. „Mit dem Zusammen­fassen von Interposer, Kühlung, Voltage­regulatoren und optischer Verbindungs­technik haben wir eine neue Stufe der Inte­gration erreicht, die kleinere Schalt­kreise mit mehr Leistung ermög­licht“, sagt Opper­mann. „Gerade im High Perfor­mance Computing ist dies ein wichtiger Schritt, da wir eine höhere Taktrate auf gleichem Raum erzielen.“

FhG / JOL