Kühlhaube für überhitzte Chips

Ohne Kühlung würden sich Hochleistungschips schon heute so sehr erhitzen, dass sich auf ihnen Spiegeleier braten liessen. Auf künftigen Generationen von Prozessoren, auf denen die Leiterbahnen zwecks Leistungssteigerung noch enger zusammengepfercht werden, könnte es sogar so heiss werden wie auf der Sonne.

Um dies zu verhindern, tüfteln Wissenschaftler seit Jahren an Kühlmethoden, so auch ein Team am IBM-Forschungslabor in Rüschlikon. An dem dieser Tage in London abgehaltenen Energie- und Kühlungsgipfel der Broadgroup haben die Tüftler gleich zwei Methoden vorgestellt, die künftige Chips vor Überhitzung bewahren sollen.

Beim ersten Verfahren haben die IBM-Forscher ein bestehendes Verfahren optimiert. Hier wird eine spezielle Paste auf die Chips gestrichen, über die die Hitze an einen Wärmeableiter, etwa ein aus Metalllamellen bestehendes Heat Sink, übergeben werden. Dabei muss die Schicht so dünn wie möglich gehalten werden, um viel Wärme abzutransportieren. Sie darf aber auch nicht zu dünn werden, weil sonst die Chips Hitzeschäden erhalten. Um die optimale Dicke der Paste zu garantieren, haben die Wissenschaftler eine spezielle Haube oder Kappe konstruiert, von der aus über verästelte Kanäle die Paste gleichmässig aufgetragen wird. Resultat ist die Verzehnfachung des Wärmeabtransports. «Wir müssen die Kühlung so nahe wie möglich an der Quelle der Hitzeentwicklung, also an den Chips, ansetzen. Nur so bekommen wir die Probleme in den Griff, die Betreiber von Rechenzentren heute haben», meint Bruno Michel vom IBM-Forschungslabor. Vielerorts werde gleich viel Energie zur Temperatursenkung verbraucht wie zur Erzeugung der Rechenleistung, weiss Michel zu berichten.

Ebenfalls auf Chip-ebene setzt die zweite präsentierte Kühltechnik an. Bei dieser wird die Wärme über Wasserkanäle abgeleitet. Das System spritzt über 50000 winzige Düsen Wasser auf die Rückseite der Chips und saugt die Flüssigkeit wieder ab. Dabei haben die Ingenieure darauf geachtet, dass der Wasserkreislauf geschlossen bleibt und keine Kühlflüssigkeit an die Elektronik auf den Chips gelangt.

Bei beiden Verfahren haben sich die Forscher an vergleichbaren Systemen in der Natur orientiert, so etwa dem Blutkreislauf des Menschen. Der Wirkungsgrad sei beeindruckend, berichtet die IBM-Truppe. So konnten die Forscher mit der Wasserkühlung 370 Watt Wärmeenergie pro Quad-ratzentimeter abführen. Heute liegt die Grenze bei 75 Watt.