Neue Kühler für mehr Prozessorleistung

Die Rechenleistung von Prozessoren wird unter anderem durch die Betriebstemperatur limitiert. Wird ein Prozessor zu heiß, drosselt er Taktfrequenz und Betriebsspannung. Die Rechengeschwindigkeit sinkt oder der Prozessor schaltet sich sogar ganz ab. Techniker des Fraunhofer-Instituts haben eine neue, effektive Kühlmethode entwickelt.

Wärme und Kühlung sind wichtige Faktoren, wenn es um die Rechenleistung geht. Bisher arbeiten Computer meist mit Kühlkörpern, die Hitze von den Prozessoren ableiten. Gleichzeitig werden die wärmeempfindlichen Bauteile von oben mit Lüftern gekühlt. Ein Forscherteam des Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM in Berlin und Dresden hat jetzt einen Weg gefunden, Mikrochips mit einem flüssigkeitsbasierten Kühlsystem sowohl von der Oberseite als auch von der Unterseite zu kühlen. So wird eine effektivere Kühlung und damit mehr Leistung möglich.

Um das zu erreichen, bauen die Forscher in den Silizium-Interposer, der sich zwischen Prozessor und Leiterplatte befindet, Mikrokanalstrukturen mit hermetisch versiegelten Durchgangskontakten ein. Durch die Mikrokanäle wird Kühlmittel gepumpt, das die unliebsame Wärme vom Prozessor abtransportiert.

Interposer aus zwei Silizium-Platten

Interposer sind für die elektrische Versorgung und die Kühlung des Prozessors zuständig. Sie liegen wie eine Schicht zwischen Leiterplatte und Chip und sind von oben nach unten alle 200 Mikrometer von elektrischen Kontakten durchzogen, die die Stromversorgung und Datenübertragung des Prozessors gewährleisten. Um auch Hitze aufnehmen zu können und diese vom Prozessor weg zu transportieren, haben die Wissenschaftler quer zu den Durchkontaktierungen Mikrofluidkanäle eingebaut, durch die das Kühlmittel geleitet werden kann.

Die besondere Herausforderung war es, die kleinen Kanäle in dem Interposer hermetisch abzudichten und so von den elektrischen Bahnen zu trennen. Die Lösung: Der Interposer wird aus zwei Silizium-Platten gefertigt. In diese werden sowohl die horizontal verlaufenden Kühlkanäle als auch die vertikal verlaufenden Kanäle für die elektrischen Leitungen komplementär eingearbeitet. Um einen Kontakt des Wassers mit den elektrischen Durchkontaktierungen auszuschließen, wird jeder einzelne Kontakt speziell versiegelt.

„Bislang gehen die Kühlstrukturen nicht so nah an den Rechnerkern selbst. Das heißt, Kühler werden meist additiv von oben aufgebracht“, weiß Dr. Hermann Oppermann, Gruppenleiter am Fraunhofer IZM. „Je näher man mit der Kühlung aber an die Hitzequelle geht, desto besser kann die Temperatur begrenzt beziehungsweise die Leistung erhöht werden. Gerade beim High Performance Computing gibt es immer höhere Datenraten. Entsprechend wichtig ist eine effektive Kühlung, die eine hohe Taktrate gewährleistet. Bisherige Kühlsysteme sind in diesem Zusammenhang begrenzt. Mit dem neuen Kühlsystem kann die Leistung deutlich gesteigert werden.“

Große Datenmengen verlustarm übertragen

Zusätzlich zum Kühlsystem haben die Forscher Voltageregulatoren für die Spannungsversorgung sowie optoelektronische Bauteile zur Datenübertragung in den Interposer integriert. Während der Voltageregulator den Prozessor mit der passenden Betriebsspannung versorgt, wandelt die Optoelektronik elektrische Signale aus dem Prozessor in Lichtsignale um. Dadurch können auch große Datenmengen verlustarm mit hoher Signalqualität übertragen werden – im Gegensatz zu Kupferleitungen, in denen die Verluste mit wachsender Datenrate zunehmen. „Mit dem Zusammenfassen von Interposer, Kühlung, Voltageregulatoren und optischer Verbindungstechnik haben wir eine neue Stufe der Integration erreicht, die kleinere Schaltkreise mit mehr Leistung ermöglicht“, führt Oppermann aus. „Gerade im High Performance Computing ist dies ein wichtiger Schritt, da wir eine höhere Taktrate auf gleichem Raum erzielen.“