Coole Computerchips

Von unten immer schön kühl

Von Manfred Lindinger
03.10.2020
, 10:00
Die wassergekühlten Rechnersysteme des Green-Cube-Rechenzentrums der GSI in Darmstadt sind sparsam und energieeffizient.
Wie schützt man Computerchips effizient und möglichst ökonomisch vor Überhitzung? Schweizer Forscher haben eine elegante Lösung gefunden. Sie leiten das Kühlmittel direkt dorthin, wo die Wärme entsteht.
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Moderne Computerchips erzeugen große Mengen an Wärme und müssen ständig gekühlt werden, um sie vor Überhitzung zu schützen und so Fehlfunktionen zu vermeiden. Herkömmliche Kühlaggregate und Ventilatoren brauchen viel Platz, klimatisierte Rechenzentren viel Energie. Die fortschreitende Miniaturisierung der elektrischen Schaltkreise dürfte das Problem noch verschärfen. Deshalb sind neue Lösungen gefragt, die günstiger und effizienter sind, als die althergebrachten Kühlverfahren. Forscher von der Polytechnischen Hochschule in Lausanne haben nun eine elegante und preiswerte Kühlmöglichkeit gefunden, die schnell die Wärme an den Hotspots eines Computerchips ableitet.

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Das Verfahren der Forscher um Elison Matioli beruht auf einem Kühlmittel, dass den Computerchip gewissermaßen von innen kühlt. Während bei vielen Kühltechniken die Kühlflüssigkeiten außen vorbei geführt werden, was eine Pumpleistung und entsprechend große Pumpen benötigt, strömt hier das Kühlmittel über verzweigte Mikrokanäle dicht unter den Bauteilen des Chips. Die Kühlkanäle hätten dadurch direkten Kontakt mit den heißen Stellen des Chips, so dass die Wärme rasch abgeführt werden könne, schreiben Elison Matioli und seine Kollegen in der Zeitschrift „Nature“. Die Art und Weise wie die Kühlflüssigkeit auf dem Chip umher geleitet werde, erfordere zudem keinen hohen Druck.

Mikrochip mit integrierter Wasserkühlung. Die Mikrokanäle mit der Kühlflüssigkeit verlaufen unterhalb der Schaltkreise.
Mikrochip mit integrierter Wasserkühlung. Die Mikrokanäle mit der Kühlflüssigkeit verlaufen unterhalb der Schaltkreise. Bild: EFPL

Als Kühlflüssigkeit nutzen die Forscher demineralisiertes Wasser, also elektrisch nicht leitfähiges Wasser. Es kommen aber auch andere effiziente Kühlmittel in Frage, wie erste Tests gezeigt haben. Ein weiterer Vorteil: Im Gegensatz zu anderen Kühlsystemen erfolgt die Fertigung der elektrischen Schaltkreise und der Kühlkanäle in einem einzigen Arbeitsschritt. Zunächst werden schmale Schlitze senkrecht in einen mit Gallium-Arsenid beschichteten Siliziumträger geätzt. Diese werden dann zu dünnen Kanälen für die Kühlflüssigkeit erweitert. Anschließend erfolgt die Versiegelung der Kanalöffnungen mit Kupfer. Nun können die elektrischen Schaltkreise lithografisch aufgebracht werden. Weil Kanäle und die Schaltungen mit der gleichen lithografischen Technik hergestellt werden, könnte sich die Miniaturisierung von Computerchips künftig einfacher gestalten, so die Forscher.

Blauer Engel für wassergekühltes Rechenzentrum

Würde man die Kühltechnik in großen Rechenzentren verwenden, könne der Anteil am Energieverbrauch, den die Kühlung verschlingt, von bisher 30 Prozent auf nur 0,01 Prozent reduziert werden, so die Forscher um Matioli. Das würde jede Menge Kosten sparen. Allerdings muss das Kühlsystem aus Lausanne erst noch den Praxistest bestehen und zeigen, dass es nicht nur bei einem einfachen Chip funktioniert, sondern auch bei leistungsfähigen Prozessoren.

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Auch andere Kühltechniken werden erprobt, um die Stromkosten zu verringern. Dazu zählen kompakte Kühlmodule aus besonderen Materialien, die schnell die Wärme vor Ort abführen, oder Computerchips aus organischen Halbleitern, die deutlich mehr Hitze vertragen als Silizium. Aber auch mit neuen Designs, die die Pfade der klassischen Computerarchitektur verlassen, versucht man die Wärmeproduktion zu vermindern und gleichzeitig die Leistungsfähigkeit der Chips hoch zu halten.

Das Green-Cube-Rechenzentrum an der GSI in Darmstadt
Das Green-Cube-Rechenzentrum an der GSI in Darmstadt Bild: GSI

So baut man Prozessoren, bei denen Rechnen und Datenspeicherung nicht mehr räumlich getrennt voneinander stattfinden, sondern an einem Ort. Dadurch müssen die Daten nicht mehr für jeden Schritt über Leiterbahnen zwischen Recheneinheit und Datenspeicher hin und her transportiert werden, was üblicherweise viel Wärme erzeugt, je dünner die Drähte sind. Ob die Ansätze zum großen Durchbruch führen, ist unklar.

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Aber auch mit reiner Wasserkühlung lässt sich Energie und Geld sparen. Nur acht Prozent der üblichen Kühlkosten fallen pro Computer im Rechenzentrum „Green Cube“ auf dem Gelände der Gesellschaft für für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt an. Dort werden die vielen Rechner, mit dem die Physiker ihre komplexen Simulationen und Berechnungen zu ihren Experimenten an den Teilchenbeschleunigern der GSI ausführen, mit einer Kombination von Luft- und Wasserkühlung vor Überhitzung bewahrt. An den Rückwänden der Rechnersysteme wird die warme Abluft mit Wärmetauschern direkt mit Wasser gekühlt. Die Rückkühlung erfolgt durch einfaches Verdunsten von Wasser. Für dieses Konzept ist der GSI kürzlich der Blaue Engel als Auszeichnung für besondere Umweltfreundlichkeit verliehen worden.

Quelle: F.A.Z.
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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