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Bare-Die-Flüssigkeits-Chipkühler aus dem 3D-Drucker sollen die Kühlperformance revolutionieren

Auf der ITF World, einer Konferenz des führenden Chip-Forschungsunternehmens imec in Antwerpen, Belgien, stachen insbesondere die 3D-gedruckten Prozessorkühler hervor. Diese Prototypen von Wasserblöcken haben das Potenzial, die Kühlkapazität von hochdichten Prozessoren wie CPUs und GPUs um das 3,5-fache im Vergleich zu den besten heute erhältlichen CPU-Kühlern zu verbessern. Dies ermöglicht eine höhere Leistungsdichte und die Nutzung ungenutzter Leistung in modernen Chips. Die Ergebnisse dieser Forschung könnten zu bahnbrechenden Wasserkühllösungen für verschiedene Arten von Chips führen.

Quelle: TomsHardware

Die direkte Flüssigkeitskühlung, bei der die Kühlflüssigkeit über den Prozessor-Die geleitet wird, ist eine naheliegende Lösung, um die überschüssige Wärme moderner Chips effektiv abzuführen. imec ist führend in der Entwicklung neuer Techniken, um die volle Leistungsfähigkeit der immer dichteren Prozessorknoten auszuschöpfen. Dies wird mit jeder neuen Chip-Generation immer wichtiger, da der Stromverbrauch aufgrund der begrenzten Möglichkeiten zur Leistungsreduktion bei kleineren Knoten ansteigt. Zudem führen kleinere Transistoren zu einer höheren Leistungsdichte, was die Kühlung erschwert und letztendlich die Leistungsfähigkeit der Chips einschränkt.

Das ultimative Ziel der Chipdesigner besteht darin, mehr Berechnungen auf kleinerem Raum durchzuführen. Allerdings stoßen heutige Chips bereits an ihre Leistungsgrenzen, weshalb bestimmte Bereiche des Chips während des Betriebs deaktiviert werden, um bestimmte TDP- und Temperaturgrenzen einzuhalten. Das bedeutet, dass die meisten Chips im normalen Betrieb nur einen Teil ihrer Leistungsfähigkeit nutzen. Dieses Problem verschärft sich mit jeder neuen Chip-Generation weiter. Moderne CPUs wie der AMD Epyc Genoa erreichen bereits Spitzenwerte von 400 W, und die Zukunftspläne deuten auf 600-W-Serverchips hin.

Im Unterschied zu traditionellen Wasserkühlungskonzepten, bei denen ein separater Wasserblock mit einer Kühlplatte und einem Chip-Heatspreader verwendet wird, ermöglichen die hier gezeigten Prototypen von 3D-gedruckten Kühlern eine direkte Flüssigkeitszufuhr über den unbedeckten Prozessorchip. Dadurch wird die Kühlleistung verbessert, da das Kühlmittel direkt auf die Oberfläche des Prozessors gepumpt wird.

Die Verwendung von 3D-gedruckten Wasserblöcken ermöglicht ein schnelles Prototyping, während imec verschiedene Standardpolymerarten verwendet, die im 3D-Druck eingesetzt werden, um sicherzustellen, dass die Wasserblöcke den Anforderungen an Temperaturbelastungen standhalten können. Es ist ungewiss, ob diese Entwürfe auf einem erstklassigen 3D-Drucker gedruckt werden können.Die 3D-gedruckten Wasserblöcke bieten vielfältige Anpassungsmöglichkeiten, einschließlich kundenspezifischer Düsenanordnungen, wie auf den Bildern zu sehen ist. Diese ermöglichen das direkte Aufsprühen von Flüssigkeit auf bestimmte Bereiche der Chipoberfläche, wie einzelne Kerne oder Bereiche des Chips mit hoher Wärmeentwicklung, die für Vektoroperationen verwendet werden. Dadurch wird die Kühlleistung verbessert.Die Wasserblöcke sind so konstruiert, dass sie wenig Platz beanspruchen und derzeit einen O-Ring verwenden, um ein Austreten von Flüssigkeit um den Wasserblock herum zu verhindern. Imec experimentiert jedoch mit verschiedenen Dichtungsmechanismen und 3D-Druckmaterialien für die Blöcke.

Für diese Kühler kann nahezu jede dielektrische Flüssigkeit verwendet werden, wie zum Beispiel aufbereitetes Wasser oder Kühlmittel. Obwohl die Flüssigkeit nicht leitfähig ist, müssen die Bereiche um den Chip herum, wie Kondensatoren und andere elektronische Schaltungen auf der Leiterplatte, bei der Flüssigkeitskühlung ohne Gehäuse abgedichtet werden. Um die Kühlflüssigkeit so nah wie möglich am Chip zu halten, bleibt die Oberseite des Chips jedoch unversiegelt. Die Forscher pumpen die Flüssigkeit direkt über die glatte Oberfläche des Chips, aber es werden auch andere Ansätze erforscht, wie das Anbringen von Rillen auf der Oberseite des Chips, um die Kühlleistung weiter zu verbessern.Die Zuverlässigkeit der Dichtungen stellt aufgrund der schnellen Temperaturwechsel und der Wechselwirkung mit den verschiedenen im System verwendeten Kühlmitteln eine Herausforderung dar. Imec arbeitet jedoch systematisch daran, die richtige Kombination aller Materialien zu finden, um eine Langzeitzuverlässigkeit zu gewährleisten.

Das oben genannte Album enthält mehrere Folien, auf denen die Experimente des Forschers beschrieben werden. Es hat sich gezeigt, dass die Kühlung von mehr als 100 W Leistung pro Quadratzentimeter äußerst problematisch ist. Deshalb gilt die Faustregel, dass die Verteilung von 1 W Leistung auf 1 Quadratmillimeter Silizium eine effektive Kühlung ermöglicht. Allerdings steigt die Leistungsdichte mit kleineren Prozessknoten sprunghaft an, wodurch die Fähigkeit, Wärme aus höheren Leistungskonzentrationen abzuführen, entscheidend ist, um zusätzliche Leistung freisetzen zu können.Es ist wichtig zu beachten, dass ein höherer Stromverbrauch oft mit einer höheren Chipleistung einhergeht, jedoch können dabei Effizienzeinbußen auftreten. Die Forscher von imec geben an, dass sie bis zu 1.000 W auf einem Quadratzentimeter (100 W pro mm²) oder sogar bis zu 500 W auf einem mm² kühlen können.In herkömmlichen Anwendungen könnten diese Chipkühler eine Kühlleistung von bis zu 350 W pro Quadratzentimeter oder etwa 3,5 W pro mm² ermöglichen. Das wäre eine Steigerung um den Faktor 3,5 im Vergleich zu den derzeit üblichen Werten. Wie aus der obigen Grafik ersichtlich ist, können Chipdesigner damit die Leistungsgrenzen mit einer vergleichsweise konservativen Methode weiter ausreizen als mit den ein- und zweiphasigen Kühllösungen, die erforderlich wären, um über 4 W pro mm² hinauszugehen.

Natürlich ist dies eine vereinfachte Darstellung der Leistung dieser Kühllösungen, da viele andere Variablen wie Temperaturunterschiede und andere Faktoren berücksichtigt werden müssen, um die verschiedenen Vorteile des Ansatzes richtig zu bewerten. Eine Sache ist jedoch sicher: Dieser Ansatz bietet eine der einfachsten Möglichkeiten, die Kühlleistung mit vertretbarem Mehraufwand zu erhöhen. Andere Techniken, wie die von TSMC vorgeschlagene Forschung, bei der das Kühlmittel durch Mikrokanäle im Chip selbst gepumpt wird, sind natürlich weitaus exotischer und teurer und werden erst in ferner Zukunft umgesetzt.Die Bemühungen von Imec befinden sich noch in der Forschungsphase, in der die Forscher daran arbeiten, die geeigneten Materialien, Flüssigkeiten und Konstruktionen zu identifizieren, um serienreife Kühllösungen herstellen zu können. Die ersten Produkte aus dieser Forschung werden voraussichtlich erst in fünf Jahren auf den Markt kommen.

Quelle: TomsHardware

 

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Martin Gut

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Sehr interessanter Ansatz. :cool:

Da ist aber etwas mit den Einheiten durcheinander geraten:
"Die Forscher von imec geben an, dass sie bis zu 1.000 W auf einem Quadratzentimeter (100 W pro mm²) oder sogar bis zu 500 W auf einem mm² kühlen können."
Es sollte vermutlich 1 W pro mm2 = 100 Watt pro cm2 heissen. Die 500 Watt sind dann auch pro cm2.

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Gregor Kacknoob

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Bei TomsHardware ist auch die Rede von bis zu 1000W je cm2, wenn (gleichmäßig) auf 100W 10W je mm2 verteilt, oder bis zu 500W für ein einzelnen mm2-Bereich @Martin Gut

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grimm

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Na ein Glück zieht die Kühltechnik mit den immer kleineren Strukturen der Hitzköpfe gleich. Ich freu mich schon auf 12,5 GHz und 850 Watt, die durch so nen 2nm Die gejagt werden 🤩

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ipat66

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1 Quadratzentimeter = 100 Quadratmillimeter = 10Watt pro Quadratmillimeter bei 1000 Watt ; oder eben 5 Watt pro Quadratmillimeter bei 500 Watt/Quadratzentimeter .
Eine Null zu viel bei Deinem Beispiel.....

100Watt pro Quadratmillimeter wäre ganz schön heiß... :)

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Derfnam

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Dagegen sieht globale Erwärmung fast mickrig aus ;)
Man munkelt ja, dass die abgeführte Hitze woanders wieder auftaucht.
Hang on to your iglu...

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Steffdeff

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Kühlen ist ja schön und gut! Aber das produzieren des Stroms ist auch nicht zu verachten.
Oder läuft der ITER in Frankreich schon?
Egal dann machen wir das so! Oder?🥵

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big-maec

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Die Lösung mit den den Nanoröhrchen im Die fand ich besser mal schauen wann die Hersteller das mal in Angriff nehmen.

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Gregor Kacknoob

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Danke, habs korrigiert. Aber im Vergleich zu den einmal 500W mm2 ist das noch flauschig temperiert :D

Damit lassen sich Räume beheizen, was so schon aktiv im Einsatz ist und momentan von (nicht nur) unserer Regierung auch noch weiter ausgebaut werden will (Stichwort Wärme aus der Industrie als Fernwärme). Lohnt sich auf jeden Fall (für alle), wenn die Infrastruktur dafür ausgebaut wird :)

Edit: ach genau, Iter ist nicht für die aktive Stromproduktion, sondern nur für die Forschung gedacht. Beim Wendelstein 7-X gabs letztens ein neuen hoffnungsvollen Meilenstein. Finde die Meldung gerade nicht. Es gibt noch viele weitere Bauformen, die sich vllt. in absehbarer Zeit lohnen könnten. Ein Beispiel hier.

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Starfox555

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Bei einer Serienproduktion ist auch die Beständigkeit der Dichtungen vor temperatur- als auch material-bedingter Aushärtung entscheidend.
Welche wiederum durch einige Faktoren wie z.B.: Temperatur und Zusammensetzung der Kühl-Flüssigkeit, Anpressdruck nach Verbauen und Material sowie Fertigungs-Temperatur der Dichtungen variiert. Das benötigt QM Verifizierungszeit und evtl. ein sich daraus ergebender Wechsel der Dichtungen nach Release.
Aber interessantes Konzept...

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Martin Gut

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Mit den Biegebewegungen an den Schläuchen hätte ich da auch meine Bedenken.

Ich überlege mir gerade ob ein gut haftender Leim nicht zuverlässiger wäre als eine Gummidichtung.

Destilliertes Wasser ist wohl nicht leitfähig, aber im Kreislauf und auf den Bauteilen dürfte immer so viel Schmutz sein, dass es sofort leitet wenn Wasser aus dem Kreislauf läuft. Direkt auf der CPU ist dann ein Schaden von CPU und Mainboard fast garantiert.

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Starfox555

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Epoxidharz wird auch in der Industrie verwendet, jedoch ist dies z.B. im Maschinenbau nur für einmaliges Abdichten von dauerhaft angebundenen Hydraulikkomponenten vorgesehen.

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Gregor Kacknoob

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Klugscheiß: auch destilliertes Wasser ist strenggenommen auf Grund der sogenannten Autoprotolyse elektrisch leitfähig. Wasser ist auch ein Lösungsmittel, weshalb der grad der elektrischen Leitfähigkeit in so ziemlich jeder Umgebung stetig steigt. Das könnte auch ein Grund bzgl. der Nanoröhrchen (gewesen) sein @big-maec - nebs nur schwer lösbarer Verstöpfungen :S

Dankenswerterweise ist aber die Oberseite des DIEs i.d.R. unwichtig bzgl. der elektrischen Leitfähigkeit, da die Transistoren auf der Unterseite des Chips befinden (*). Dadurch böte sich sogar das Fräsen einer Rillenstruktur an, um die Oberfläche bzgl. der Direkt-DIE-Wasserkühlung zu verbessern.

* Ja, mitaußname bestimmer Fertigungsverfahren (Stacking etc).

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Starfox555

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Direct Water to Heatspreader Wasserkühlung entsprechend dem obig beschriebenem Konzept, sonst müsste jeder einzelne Die abgedichtet werden.
Die Rillenstruktur auf dem Heatspreader wäre machbar, auf dem Die jedoch nur auf kleinster Fläche und Tiefe ohne Dichtungskontakt zu realisieren.

Und die Leitfähigkeit spielt, so wie ich Martin Guts Anmerkung verstanden habe, und kein Dielektrikum verwendet werden sollte, nur im Falle eines Versagens der Dichtung eine Rolle, nicht auf der Oberfläche zu Heatspreader oder Die.

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Derfnam

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@Gregor Kacknoob: ich meine natürlich den privaten PC. Nahwärme.

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Arnonymious

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Wie schaut das auf Dauer eigentlich mit Korrosion aus, wenn man die Kühlflüssigkeit direkt über den Die schießt?

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ipat66

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1,377 Kommentare 1,385 Likes

Es existieren genug Materialien welche mit zum Beispiel Wasser nicht interagieren,bzw oxidieren.

„Die Bemühungen von Imec befinden sich noch in der Forschungsphase, in der die Forscher daran arbeiten, die geeigneten Materialien, Flüssigkeiten und Konstruktionen zu identifizieren, um serienreife Kühllösungen herstellen zu können.“

Ob oder bis wann dann etwas serienreifes dabei rumkommt würde ich aber mit Warten auf Godot vergleichen :D

Kann mir einfach nicht vorstellen,wie so eine „Saug-Dich-an-die-CPU-Wassernapf“-Umsetzung dauerhaft funktionieren könnte....

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Derfnam

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Hast du grad die Die-Witzesaison eröffnet?

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8j0ern

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Die Idee ist sehr gut, aber selbst wenn man 600W abführen kann, bleibt das Grund Problem bestehen.
Mehr Leistung = mehr Wärme.

Gut, bei AMD Momentan nicht so extreme, vor allem die Vektor Berechnungen, sind nicht nur schneller sondern auch sparsamer als vorherige Ansätze.

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e
eastcoast_pete

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1,584 Kommentare 912 Likes

Anstatt von Wasser könnte auch sowas wie 3Ms Fluorinert oder Novec hier eingesetzt werden.

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About the author

Igor Wallossek

Chefredakteur und Namensgeber von igor'sLAB als inhaltlichem Nachfolger von Tom's Hardware Deutschland, deren Lizenz im Juni 2019 zurückgegeben wurde, um den qualitativen Ansprüchen der Webinhalte und Herausforderungen der neuen Medien wie z.B. YouTube mit einem eigenen Kanal besser gerecht werden zu können.

Computer-Nerd seit 1983, Audio-Freak seit 1979 und seit über 50 Jahren so ziemlich offen für alles, was einen Stecker oder einen Akku hat.

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