ICECool & IBM: Direkte In-Chip-Kühlung von 3D-Chips

11. September 2017, 18:20 Uhr
Drei unterschiedliche Kühltechniken. Bild: IBM.
Drei unterschiedliche Kühltechniken. Bild: IBM.
Um Moore's Law trotz der nahenden Grenze minimaler Strukturbreite weiter gelten zu lassen, werden Chips neuerdings wie Subminiatur-Hochhäuser in 3D-Stacks gestapelt. Das aber gibt Probleme mit der Wärmeabfuhr und begrenzt so Leistung und mögliche Stapelhöhe. Forscher von IBM haben nun Flüssigkeitskühlung soweit optimiert, dass die Flüssigkeit direkt durch Chips geleitet werden kann und so deutlich effektiver kühlt.

Im Rahmen eines Forschungsauftrags der DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) haben Forscher von IBM ein Intra-Chip-Cooling-System als Beitrag zum ICECool-Programm entwickelt. Ihre Lösung rückt der Wärmequelle mehr auf die Pelle und schafft daher tiefere Temperaturen der Dies.

Bislang werden Chips gemeinhin über darauf sitzende Kühlkörper gekühlt, die von Ventilatoren angeblasen werden und so die Abwärme vom Ort des Entstehens entfernen. Gerade Modder kennen die oft für übertaktete CPUs eingesetzten Wasserkühlsysteme, bei denen die Kühlflüssigkeit durch Pumpen deutlich effektiver Wärme abtransportiert, die an einem anderen Ort an die Umgebungsluft abgegeben werden kann. Da Wasser leitfähig ist, darf es nicht direkt mit dem Chip selbst bzw. dessen Dies in Berührung kommen, sondern muss von einem Röhrensystem bzw. durch Bohrungen im metallischen Kühlkörper vom Halbleiter getrennt werden. Die begrenzt die effektive Abfuhr von Wärme.

Die Forscher von IBM verwendeten in ihrem ICECool-Projekt aber eine nichtleitende Flüssigkeit. Die ermöglicht es, diese Flüssigkeit wie im Bild gezeigt direkt durch Kanäle im Chip laufen zu lassen. Durch den direkten Kontakt mit dem wärmeproduzierenden Halbleiter wird der Wärmewiderstand reduziert, was kühlere Dies möglich macht und zudem räumlich kleinere Elektronik erlaubt, was letztlich dem Gewicht und der Leistungsaufnahme zu Gute kommt. Ein Test des Konzepts mit Chips des Typs Power 7+ von IBM ergab eine Verringerung der Sperrschicht-Temperatur um 25 °C und senkte den Energieverbrauch des Chips um 7 % gegenüber der herkömmlichen Luftkühlung.
 
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