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Bare die liquid chip coolers from 3D printers to revolutionize cooling performance

At ITF World, a conference held by leading chip research company imec in Antwerp, Belgium, 3D-printed processor coolers in particular stood out. These prototype water blocks have the potential to improve the cooling capacity of high-density processors such as CPUs and GPUs by 3.5 times compared to the best CPU coolers available today. This allows for higher power density and the use of unused power in modern chips. The results of this research could lead to breakthrough water cooling solutions for different types of chips.

Source: TomsHardware

Direct liquid cooling, where the cooling liquid is passed over the processor die, is an obvious solution to effectively dissipate the excess heat of modern chips. imec is leading the way in developing new techniques to exploit the full capabilities of increasingly dense processor nodes. This is becoming increasingly important with each new chip generation as power consumption increases due to the limited power reduction options available with smaller nodes. In addition, smaller transistors lead to higher power density, which makes cooling more difficult and ultimately limits chip performance.

The ultimate goal of chip designers is to perform more computations in a smaller space. However, today’s chips are already reaching their performance limits, so certain areas of the chip are disabled during operation to maintain certain TDP and temperature limits. This means that most chips only use part of their performance during normal operation. This problem continues to get worse with each new chip generation. Modern CPUs like the AMD Epyc Genoa are already peaking at 400 W, and future plans point to 600 W server chips.

Unlike traditional water cooling designs, which use a separate water block with a cold plate and chip heatspreader, the prototype 3D-printed coolers shown here allow liquid to flow directly over the uncovered processor chip. This improves cooling performance by pumping coolant directly onto the surface of the processor.

The use of 3D printed water blocks allows for rapid prototyping, while imec uses several standard polymer types used in 3D printing to ensure that the water blocks can withstand temperature stress requirements. It is uncertain whether these designs can be printed on a top-notch 3D printer.The 3D-printed water blocks offer multiple customization options, including custom nozzle arrangements, as shown in the images. These allow liquid to be sprayed directly onto specific areas of the chip surface, such as individual cores or areas of the chip with high heat generation used for vector operations. This improves cooling performance.The water blocks are designed to take up little space and currently use an O-ring to prevent fluid leakage around the water block. However, Imec is experimenting with different sealing mechanisms and 3D printing materials for the blocks.

Almost any dielectric fluid can be used for these coolers, such as recycled water or coolant. Although the liquid is non-conductive, the areas around the chip, such as capacitors and other electronic circuitry on the board, must be sealed when liquid cooling is used without an enclosure. However, to keep the cooling liquid as close to the chip as possible, the top of the chip remains unsealed. Researchers pump the liquid directly over the smooth surface of the chip, but other approaches are being explored, such as adding grooves to the top of the chip to further improve cooling performance.Seal reliability is a challenge because of rapid temperature changes and interaction with the various coolants used in the system. However, Imec works systematically to find the right combination of all materials to ensure long-term reliability.

The above album contains several slides describing the researcher’s experiments. It has been shown that cooling more than 100 W of power per square centimeter is extremely problematic. Therefore, the rule of thumb is that distributing 1 W of power over 1 square millimeter of silicon provides effective cooling. However, power density jumps with smaller process nodes, making the ability to dissipate heat from higher power concentrations critical to being able to unleash additional power.It is important to note that higher power consumption is often accompanied by higher chip performance, but efficiency losses can occur in the process. Researchers at imec state that they can cool up to 1,000 W per square centimeter (100 W per mm²) or even up to 500 W per mm².In conventional applications, these chip coolers could enable cooling power of up to 350 W per square centimeter or about 3.5 W per mm². This would be an increase by a factor of 3.5 compared to the current usual values. As can be seen from the graph above, this allows chip designers to push the power envelope further using a comparatively conservative method than the single- and two-phase cooling solutions that would be required to go beyond 4 W per mm².

Of course, this is a simplified representation of the performance of these cooling solutions, as many other variables such as temperature differences and other factors must be considered to properly evaluate the various benefits of the approach. However, one thing is certain: this approach offers one of the simplest ways to increase cooling performance at a reasonable additional cost. Other techniques, such as TSMC’s proposed research in which the coolant is pumped through microchannels in the chip itself, are of course far more exotic and expensive, and will only be implemented in the distant future.Imec’s efforts are still in the research phase, where researchers are working to identify the appropriate materials, fluids and designs to produce production-ready cooling solutions. The first products from this research are not expected to hit the market for another five years.

Source: 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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727 Kommentare 677 Likes

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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7,763 Kommentare 3,563 Likes

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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1,483 Kommentare 749 Likes

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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1,355 Kommentare 1,355 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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2,485 Kommentare 782 Likes

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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1,464 Kommentare 823 Likes

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

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About the author

Igor Wallossek

Editor-in-chief and name-giver of igor'sLAB as the content successor of Tom's Hardware Germany, whose license was returned in June 2019 in order to better meet the qualitative demands of web content and challenges of new media such as YouTube with its own channel.

Computer nerd since 1983, audio freak since 1979 and pretty much open to anything with a plug or battery for over 50 years.

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