Als Desktop-Prozessoren erstmals 1 GHz durchbrachen, schien es eine Zeit lang so, als gäbe es keinen Ausweg mehr. Durch neue technische Verfahren war es zunächst möglich, die Frequenz zu erhöhen, doch der Fortschritt der Frequenzen verlangsamte sich schließlich aufgrund wachsender Anforderungen an die Wärmeabfuhr. Selbst riesige Heizkörper und Lüfter haben manchmal keine Zeit, die Wärme von den leistungsstärksten Chips abzuführen.
Forscher aus der Schweiz beschlossen, es zu versuchen indem Flüssigkeit durch den Kristall selbst geleitet wird. Sie haben den Chip und das Kühlsystem als eine Einheit konzipiert, wobei die Flüssigkeitskanäle auf dem Chip in der Nähe der heißesten Teile des Chips platziert sind. Das Ergebnis ist eine beeindruckende Leistungssteigerung bei effizienter Wärmeableitung.
Ein Teil des Problems bei der Wärmeableitung von einem Chip besteht darin, dass sie normalerweise mehrere Schritte umfasst: Die Wärme wird vom Chip auf die Chipverpackung übertragen, dann von der Verpackung auf den Kühlkörper und dann an die Luft (Wärmeleitpaste, Dampfkammern usw.). .kann auch an dem Prozess beteiligt sein Weiter). Insgesamt begrenzt dies die Wärmemenge, die vom Chip abgeführt werden kann. Dies gilt auch für derzeit eingesetzte Flüssigkeitskühlsysteme. Es wäre möglich, den Chip direkt in eine wärmeleitende Flüssigkeit zu legen, diese sollte jedoch keinen Strom leiten oder chemische Reaktionen mit elektronischen Bauteilen eingehen.
Es gab bereits mehrere Demonstrationen zur On-Chip-Flüssigkeitskühlung. Normalerweise sprechen wir von einem System, bei dem ein Gerät mit einer Reihe von Flüssigkeitskanälen auf einen Kristall aufgeschmolzen wird und die Flüssigkeit selbst durch ihn gepumpt wird. Dadurch kann die Wärme effektiv vom Chip abgeführt werden, erste Implementierungen zeigten jedoch, dass in den Kanälen ein hoher Druck herrscht und das Pumpen von Wasser auf diese Weise viel Energie erfordert – mehr als vom Prozessor abgeführt wird. Dies verringert die Energieeffizienz des Systems und führt darüber hinaus zu einer gefährlichen mechanischen Belastung des Chips.
Neue Forschungsergebnisse entwickeln Ideen zur Verbesserung der Effizienz von On-Chip-Kühlsystemen. Zur Lösung können dreidimensionale Kühlsysteme eingesetzt werden – Mikrokanäle mit eingebautem Kollektor (embedded mannigfaltige Mikrokanäle, EMMC). Bei ihnen ist ein dreidimensionaler hierarchischer Verteiler Bestandteil eines Kanals, der über mehrere Öffnungen zur Verteilung des Kühlmittels verfügt.
Die Forscher entwickelten einen monolithisch integrierten Mannigfaltigkeits-Mikrokanal (mMMC), indem sie EMMC direkt auf dem Chip integrierten. Direkt unter den aktiven Bereichen des Chips werden versteckte Kanäle gebildet, und das Kühlmittel fließt direkt unter den Wärmequellen. Um mMMC zu erzeugen, werden zunächst schmale Schlitze für Kanäle in ein Siliziumsubstrat geätzt, das mit einem Halbleiter – Galliumnitrid (GaN) – beschichtet ist. Anschließend werden die Lücken im Silizium durch Ätzen mit einem isotropen Gas auf die erforderliche Kanalbreite erweitert. Anschließend werden die Löcher in der GaN-Schicht über den Kanälen mit Kupfer verschlossen. Der Chip kann in einer GaN-Schicht hergestellt werden. Für diesen Vorgang ist kein Verbindungssystem zwischen Kollektor und Gerät erforderlich.
Die Forscher haben ein Leistungselektronikmodul implementiert, das Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt. Mit seiner Hilfe können Wärmeströme von mehr als 1,7 kW/cm2 mit einer Pumpleistung von nur 0,57 W/cm2 gekühlt werden. Darüber hinaus weist das System aufgrund der fehlenden Eigenerwärmung eine deutlich höhere Umwandlungseffizienz auf als ein ähnliches ungekühltes Gerät.
Mit dem bevorstehenden Erscheinen von GaN-basierten Chips mit integriertem Kühlsystem sollte man allerdings nicht rechnen – es müssen noch einige grundlegende Fragen geklärt werden, etwa Systemstabilität, Temperaturgrenzen usw. Und doch ist dies ein bedeutender Schritt vorwärts in eine hellere und kältere Zukunft.
Quellen:
Source: 3dnews.ru