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.

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