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Sonntag, 22.01.2017
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"Baumstruktur" kühlt Chips

Kühlungssystem bei der nächsten Generation von Computerchips ist der Natur abgeschaut

Einen neuen Ansatz zur Verbesserung der Kühlung von Computerchips haben Forscher aus dem IBM Labor Zürich vorgestellt. Sie entwickelten eine Chipkappe mit einem Netz von baumähnlich verzweigten Kanälen auf der Oberfläche. Das Verfahren erlaubt nach Angaben der Entwicklungsabteilung eine deutliche Verbesserung der Wärmeabfuhr gegenüber derzeitigen Kühlungsmethoden.
Computerchip

Computerchip

Die effektive Chipkühlung ist eines der dringendsten Probleme für Elektronikentwickler geworden. Denn heutige Hochleistungschips erzeugen bereits eine Energiedichte von 100 Watt pro Quadratzentimeter - das liegt ungefähr der Größenordnung einer Kochplatte. Die Chips der Zukunft werden sicherlich noch höhere Energiedichten erreichen. Gegenwärtige Kühlungstechnologien basieren hauptsächlich auf verstärkter Luftumwälzung und haben ihre Grenzen voraussichtlich bald erreicht.

Zehnfach höherer Hitzetransport


Der neue Ansatz adressiert nun den Verbindungspunkt zwischen dem heißen Chip und den verschiedenen Kühlkomponenten, die heute eingesetzt werden, um die Hitze abzuziehen. Unter Einsatz moderner Mikrotechnologie haben die Forscher eine Chipkappe mit einem Netz von baumähnlich verzweigten Kanälen auf ihrer Oberfläche entwickelt. Dies ermöglicht einen bis zu zehnfach besseren Hitzetransport als bei bisherigen Verfahren.

Dieses extrem leistungsfähige Design für Chipkühlung stammt aus der Biologie und wurde somit der Natur abgeschaut. Denn Systeme hierarchischer Kanäle finden sich vielfach in der Natur, beispielsweise bei Blättern, Wurzeln oder im menschlichen Kreislauf. Diese bedienen sehr große Volumen mit geringer Energie, was für alle Organismen, die größer als einige Millimeter sind, äußerst bedeutsam ist.


Integrierte Wasserkühlung


Mit Blick jenseits der Grenzen von luftgekühlten Systemen haben die Züricher Forscher vor, ihr Konzept eines verzweigten Kanaldesigns weiter zu entwickeln. Dabei geht es um einen neuartigen und viel versprechenden Ansatz für Wasserkühlung. Dabei wird Wasser auf die Rückseite eines Chips verteilt und wieder abgesaugt in einem komplett geschlossenen System, das aus einer Aufstellung von bis zu 50.000 winzigen Ausbringungspunkten und einer komplexen baumartigen Rückführungsarchitektur besteht.

Darüber hinaus war das Forscherteam in der Lage, die Kühleigenschaften des Systems zu verbessern, indem die Strukturen direkt auf der Rückseite des Chips aufgebracht und dadurch die Widerstand erzeugenden Wärmeschnittstellen zwischen Kühlsystem und Silizium vermieden wurden. Die ersten Laborergebnisse seien beeindruckend, so die Forscher. Das Team hat die Kühlung von Energiedichten von bis zu 370 Watt pro Quadratzentimeter mit Wasser als Kühlungsmittel nachgewiesen. Dies liegt weit jenseits der Grenzen gegenwärtiger Luft-Kühlungstechnologien, die circa 75 Watt pro Quadratzentimeter erreichen. Dennoch verbraucht das neue System viel weniger Energie für die Umwälzung als andere Kühlsysteme derzeit.
(IBM Entwicklung - ots, 27.10.2006 - AHE)
 
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