Schweizer Forscher kühlen Chips mit Wasser

Seit Jahren tüfteln Forscher des IBM-Forschungslabor in Rüschlikon bei Zürich an einer Wasserkühlung für Chips. Jetzt haben sie in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) in Berlin erste Prototypen gezeigt. Und zwar handelt es sich dabei um eine Wasserkühlmethode für gestapelte Chips. Der Durchbruch der Forscher eröffnet neue Perspektiven für die Entwicklung von 3D-Chips.

Mit ihrer Kühltechnologie können die Forscher Wasser in haarfeinen Strukturen (von ca. 50 Mikrometern) direkt zwischen den einzelnen Prozessorebenen in einem 3D-Chip durchleiten und so den ganzen Halbleiter kühlen.

Die dreidimensionale Integration von Computerchips ist einer der vielversprechendsten Ansätze, um auch künftig noch Leistungssteigerungen gemäss dem Mooreschen Gesetz zu erzielen. 3D-Chip-Architekturen reduzieren nicht nur die Grundfläche des Chips, sondern verkürzen die Datenverbindungen und erhöhen die Bandbreite für die Datenübertragung im Chip um ein Vielfaches.

Die Entwicklung dreidimensionaler Chip-Layouts wird jedoch massiv eingeschränkt durch die Leistungsgrenzen herkömmlicher Kühler. Komplexere Designs, bei denen Prozessoren in hauchdünnen Lagen aufeinander gestapelt würden, erreichten eine Leistungsdichte, die selbst die von Plasma- oder Atomreaktoren überträfe.

Die gezeigte Kühlmethode bringt nun die erforderliche Leistung für solche Architekturen auf. Der Prototyp erreicht eine Leistung von 180 Watt/cm2 pro Ebene - und könnte so selbst gestapelte Prozessoren ausreichend kühlen. Bei der Realisierung des Prototypen stiessen die Forscher auf mehrere Probleme, die sie nun gelöst haben. Zum einen bauten sie hauchdünne Kanäle, um das Wasser durchpumpen zu können. Zum anderen mussten dabei die elektronischen Datenverbindungen im Chip vom Wasser abgeschottet werden, um Kurzschlüsse zu verhindern. Die Komplexität des so entstandenen Systems ist vergleichbar mit der des menschlichen Gehirns, das einerseits durchzogen ist von Millionen Nervensträngen für die Signalverarbeitung und andererseits mit zehntausenden Blutkapillaren für den Nährstoff- und Wärmetransport - ohne dass sie sich gegenseitig stören.

Der Trick der Wissenschaftler: Sie isolierten die elektronischen Nervenbahnen des Chips mit mikroskopisch kleinen Wänden aus Silizium und fügten eine hauchdünne Schicht Siliziumoxyd hinzu. Bei der Herstellung dieser Strukturen mussten die Forscher zehn Mal präziser arbeiten als bei der herkömmlichen Chip-Herstellung.