Microfluid Cooling: Flüssigkeitskanäle im Chip sollen Kühlung drastisch verbessern
Um die stetig ansteigende Leistungsdichte in der Mikroelektronik kontrollierbar zu machen, müssen neue Kühllösungen her. Eine davon ist die Microfluid-Kühlung, bei der eine Kühlflüssigkeit direkt durch den Chip geleitet wird. Derzeit gibt es aber noch Probleme, die es zu überwinden gilt.
Die technischen Fortschritte in der Halbleiterfertigung ermöglichen immer wieder eine deutliche Verkleinerung der verbauten Analog- und Digitalschaltungen. Der daraus resultierende, immense Stromverbrauch auf einer nur kleinen Chipfläche wird aber immer mehr zu einem Problem. Abhilfe könnten Flüssigkeitskühlungen schaffen, die direkt in den Chip integriert werden.
Ein Problem der Integration von solchen Flüssigkeitskühlungen direkt in den Chip sind die Fertigungskosten. Mikromechanische Strukturen werden schon seit langem in großer Zahl gefertigt, doch selbst bei in der im Vergleich zu Digitalschaltungen groben Leistungs-Halbleitertechnik ist die Integration solcher Fertigungsschritte schwierig und dementsprechend teuer.
Microfluid Cooling (zuerst?) nur für Leistungshalbleiter
Eine (Teil-)Lösung für dieses Problem will ein Forscherteam gefunden haben, dessen Ergebnisse in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurden. Demnach können entsprechende Kühllösungen nun auch durch kostengünstige Fertigungsschritte in Chips integriert werden. Auf digitale Chips bezieht sich die Arbeit aber offenbar nicht: Die Rede ist zwar von großen Vorteilen für Rechenzentren, allerdings wird als Einsatzgebiet zunächst offenbar nur die Leistungselektronik vorgesehen. Hier kommen deutlich gröbere Fertigungsprozesse zum Einsatz, um beispielsweise Leistungstransistoren wie etwa für die Spannungswandlung auf Mainboards zu fertigen.
Quelle: Nature
Um die Microfluid-Kühlung zu ermöglichen werden Kanäle in die Rückseite des Wafers geätzt, durch die die Kühlflüssigkeit fließt.
Die Forscher haben drei unterschiedliche Varianten vorgestellt, wie eine Microfluid-Kühlung erreicht werden kann. Die erste beschreibt einen Chip, bei dem die Kühlung durch eine Schutzschicht von den Schaltungen getrennt ist. Zwischen den beiden Übergängen (Chip → Schutzschicht → Kühlung) muss ein Wärmeleitmittel wie Wärmeleitpaste eingesetzt werden. Es scheint also im Prinzip einfach das gängige Wasserkühlungs-Konzept in kleiner zu sein.
Die zweite Variante lässt die Schutzschicht weg und hat somit nur noch einen Wärmeübergang direkt vom Chip zum Kühler. Doch auch hier ist noch ein Wärmeleitmittel erforderlich, das die Eigenschaften deutlich verschlechtert. Das löst die dritte Variante, bei der die Kühlflüssigkeit direkt durch den Chip geleitet wird. Gekühlt wird dabei aber nicht die Schaltungsseite, auf der die Strukturen aufgebracht sind, sondern die Rückseite, die aus weitgehend unbehandeltem Silizium besteht.
In der Mikroelektronik gibt es mehr als Transistoren: [PLUS] Wissen: Analoge Bauteile auf Mikrochips
In dieses Silizium können nun noch zusätzliche Kühlkanäle eingeätzt werden, um die Oberfläche zu erhöhen und die Kühleigenschaften zu verbessern. Dafür werden aber zusätzliche Fertigungsschritte und aufgrund der kleinen Kanaldurchmesser sehr starke Pumpen benötigt.
Auch wenn bereits erfolgreich ein Analogchip gefertigt wurde, der auf ebendieses Konzept setzt, gibt es bei der Lösung leider noch einige Probleme. Beispielsweise ist die mechanische Langzeitstabilität noch unklar, und zudem ist die Kühlflüssigkeit mit einer maximalen Einsatztemperatur von 120°C noch nicht robust genug. In der Praxis müsste ein entsprechender Chip große Temperaturschwankungen aushalten, denn beim Löten muss der Chip einer Temperatur von rund 250°C ausgesetzt werden. Andererseits darf für den massenhaften Einsatz auch ein Betrieb (deutlich) unter dem Gefrierpunkt kein Problem sein
Quelle: Nature via Computerbase
Es gab allerdings in den 0er Jahren schon mal den Vorschlag, Teile der Metalllayer durch Flüssigmetallkanäle zu ersetzen, die sowohl Wärme- als auch Strom-Transport übernehmen. Das wäre dann eine platzneutrale Flüssigkeitskühlung auf der Chipvordeseite, aber wie man so etwas fertigen und kontaktieren soll und wie es mit der heutigen Feinheit überhaupt funktionieren soll, ist mir nicht bekannt. Die Leiterbahnen der untersten Metalllayer dürften nur eine handvoll Atomlagen der in Frage kommenden Metalle dick sein, da wird es schwierig mit einer Legierung zu arbeiten.
Ja kühkanäle in der nanostruktur sind warscheinlich echt wunschdenken aber bin halt n Träumer
Und dann halleluja denn hitze an den Absouluten hotspots in der nanostruktur sind ja n großer faktor was spannung und somit takt angeht....
Ich finds mega auf alle fälle
Es gab allerdings in den 0er Jahren schon mal den Vorschlag, Teile der Metalllayer durch Flüssigmetallkanäle zu ersetzen, die sowohl Wärme- als auch Strom-Transport übernehmen. Das wäre dann eine platzneutrale Flüssigkeitskühlung auf der Chipvordeseite, aber wie man so etwas fertigen und kontaktieren soll und wie es mit der heutigen Feinheit überhaupt funktionieren soll, ist mir nicht bekannt. Die Leiterbahnen der untersten Metalllayer dürften nur eine handvoll Atomlagen der in Frage kommenden Metalle dick sein, da wird es schwierig mit einer Legierung zu arbeiten.
Was ist damit zu verdienen, wie groß ist die Haltbarkeit, wie sieht es mit dem Ausschuß aus, welche Rohstoffe, ist die Gesetzeslage zu berücksichtigen, die Handhabung in Laienhand, Lagerfähigkeit, Patentprobleme usw.?
Die Lichtgeschwindigkeit und die Trägheit von Bauteilen begrenzen die Geschwindigkeit. Lichtgeschwindigkeit insofern, daß der el. Strom nicht einmal diese erreicht bei der Geschwindigkeit aber bei langenWegen doch eine ordentliche Zeit benötigt. Miniaturisierung verbessert diese Situation aber die ist natürlich nicht endlos möglich.
Was sich durchsetzen wird muß nicht die beste Lösung sein, da viele Faktoren mit einfließen.
Ausschlaggebend ist etwas zu verkaufen, das muß nicht per se das Beste oder Sinnvollste sein.
Das gehört in der Cpu abgegrenzt und über den (meinetwegen dann deutlich dickeren, muss ja noch ne Pumpe drunter) an den normalen Kühler abgegeben.