Nanotechnik für Kühlsysteme
Heiße Aussicht auf coole Chips

Kühlung wird zum Problem

Nanotechnik für Kühlsysteme

Die Schwierigkeit, Computerchips zu kühlen, gehört derzeit zu den dringlichsten Herausforderungen der IT-Industrie. Die Forscher in IBMs Züricher Laboratorien setzen Nanotechnologie ein, um in sich abgeschlossene Wasserkühlsysteme zu produzieren, die zum einen viel kleiner sind als die luftgekühlten Kühlkörper aus Kupfer, die heute üblicherweise verwendet werden, und zum anderen mit wesentlich höheren Chipleistungen zurechtkommen (Aktueller Vergleichstest hier).

Nano-Geräte werden aus Komponenten hergestellt, die weniger als 100 nm (Nanometer) groß sind. Ein Nanometer ist ein Milliardstel eines Meters.

Dr. Bruno Michel, Manager des Züricher Labors von IBM für Thermoforschung, erklärte uns, dass die Wärmeleitpaste zwischen dem Chip und dem Kühlkörper, genannt Thermo Interface Material (TIM), derzeit etwa 50 Prozent des Wärmewiderstands der Chipkühlsysteme schluckt. Das TIM wird benötigt, weil Siliziumchip und Kühlkörper unterschiedliche Wärme-Ausdehnungskoeffizienten haben und deshalb nicht direkt aneinandergefügt werden können.

IBM arbeitet nun an TIMs mit Nano-Partikeln zur Wärmeleitung. Werden so winzige Bestandteile verwendet, bringt man die beiden Oberflächen näher aneinander und kann sie mit Material überbrücken, das ein hervorragender Wärmeableiter ist.

Zukunftschips sind noch heißer

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Aber noch ein weiteres Problem mit TIMs muss gelöst werden, um die Verlässlichkeit und Lebensdauer von Kühlkörpern zu optimieren. Derzeit entstehen im Laufe der Nutzungszeit kleine Zwischenräume innerhalb des TIM, in denen es aufgrund der wiederholten Aufwärm- und Abkühlphasen zu Luftbewegungen kommt – was die Wirksamkeit des Wärmeleiters reduziert. Michel sagte, dass man bei IBM herausgefunden habe, dass durch das Anbringen von kleinsten Kanälen in einer der Oberflächen erwärmtes Material wieder zurückfließen kann, was die Bildung von Zwischenräumen verhindert.

Weitere Technologien werden benötigt, um mit den Chips der Zukunft umgehen zu können, die noch heißer werden als heutige Chips, wie Bruno Michel auf einer Veranstaltung in der Schweiz erklärte (PDF zum Thema hier). Vor allem steigt mit der Chipleistung auch die Zahl von Connectoren, die man braucht, um die Chips mit der Motherboard zu verbinden. So waren zum Beispiel in Pentium III-Chips 370 Pins und in den frühen Pentium 4-Chips 423 Pins nötig, während moderne Single-Core Xeon-Prozessoren bereits 604 Pins verwenden. Das Problem ist: Je mehr Pins angebracht werden, desto weniger Zwischenräume bleiben für die Kühlung.

Kleinere Technik bringt größere Kühlleistung

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Ein interessanterer Ansatz sind hier mikroskopisch kleine Wasserkühlsysteme. Wasser hat eine wesentlich höhere Wärmespeicherfähigkeit. Man braucht etwa 4000 Mal weniger Wassermenge als Luftmenge für eine vergleichbare Kühlung. IBM entwickelt Wasserkühlungs-Kühlkörper, die kleiner sind als die heutigen Luftkühlungssysteme. Die neuen Kühlkörper verwenden mikroskopisch kleine Leitungen, um den Wasserfluss in eine versiegelte Kammer in seinem Inneren zu leiten. Die Leitungen haben einen Durchmesser von 30 bis 50 Mikrometer. Bei einer Weiterentwicklung dieser Technologie werden Düsen verwendet, die die Flüssigkeit auf die Rückseite des Chips lenken, sodass diese Systeme überhaupt kein TIM benötigen.

Solche Systeme sollten dann in der Lage sein, mit den höheren Wärmewerten umzugehen, die in den Multiprozessoren der Zukunft produziert werden. So können passive Luftkühlungssysteme etwa 35 Watt auf 2 cm bewältigen, solche mit leistungsstarken Gebläsen etwa 90 Watt. Mikrochannel-basierte Kühlsysteme sind dagegen in der Lage, ganze 300 Watt auf 2 cm zu kühlen, und bei düsengesteuerten Systemen sind es sogar bis zu 500 Watt auf 2 cm.