Mit der steigenden Nachfrage nach immer kleineren Mikrochips drehen sich die Probleme bei der Erfüllung dieser Nachfrage vor allem um die Fähigkeit, die von ihnen erzeugte Wärme abzuleiten. Doch das Hinzufügen selbstkühlender Elemente zu den Chips ist eine Lösung, die derzeit getestet wird.

„Diese grundlegende Einschränkung steht dem Mooreschen Gesetz im Weg, das vorhersagt, dass Mikrochips und Transistoren mit zunehmendem Rechenbedarf und steigender Leistung immer kleiner werden. Wenn es nicht gelingt, diese Hitzeschübe in den Griff zu bekommen, stellt die fortschreitende Miniaturisierung von Mikrochips ein Problem für die Computertechnik dar,“ stellt die Website Inverse fest.

Schweizer Forscher arbeiten daran, das Kühlsystem direkt in den Chip selbst zu integrieren. Wie Inverse berichtet: „Dieser Ansatz könnte Verbesserungen um Größenordnungen in der Effizienz gegenüber zuvor vorgeschlagenen Kühlmodellen bringen und die Computertechnik in ein neues Zeitalter der Innovation führen.“

Derzeit ist die Wärmeabfuhr grundsätzlich durch den thermischen Widerstand zwischen der Hardware – einem Halbleiter – und der Verpackung begrenzt. Die Schweizer Forscher arbeiten an einem Chip, der die Kühlelemente direkt in den Chip integrieren kann. Dieses „mikrofluidisch-elektronische Co-Design“, wie sie es nennen, soll eine kontrollierte Wärmeableitung und -verwaltung ermöglichen.

Aktuelle Kühlmethoden benötigen große Mengen Wasser. Jede Kilowattstunde Energie erfordert 2 Gallonen Wasser zur Kühlung. Da US-Rechenzentren voraussichtlich 73 Milliarden Kilowattstunden verbrauchen werden, würden sie allein 220.000 olympische Schwimmbecken voller Wasser benötigen, erklärt Inverse.

Frühere Versuche, selbstkühlende Chips zu entwickeln, bestanden darin, die Kühlelemente getrennt von den elektronischen Elementen herzustellen und sie nach der Fertigung zusammenzufügen. Diese Methoden hatten Probleme mit den Kosten und thermisch bedingten Belastungen.

„Leistungselektronik besteht aus elektronischen Halbleiterbauelementen, die elektrische Energie in unterschiedliche Formen umwandeln, und wird in einer Vielzahl von alltäglichen Anwendungen eingesetzt – von Computern bis zu Batterieladegeräten, von Klimaanlagen bis zu Hybrid-Elektrofahrzeugen und sogar Satelliten. Die steigende Nachfrage nach immer effizienteren und kleineren Leistungselektronik-Bauteilen bedeutet, dass die pro Volumeneinheit dieser Geräte umgewandelte Leistung drastisch zugenommen hat. Dies wiederum hat den Wärmefluss der Geräte erhöht – die pro Flächeneinheit erzeugte Wärmemenge,“ berichtet Nature Magazine. 

„[Dieses Team] hat einen Durchbruch erzielt, indem es … ein System entwickelt hat, in dem [Kühlkanäle] in einem einzigen Chip integriert und mitgefertigt werden“, schreibt der Autor des Berichts und Maschinenbauingenieur Tiwei Wei. „Die eingebetteten Kanäle liegen somit direkt unter den aktiven Bereichen des Chips, sodass das Kühlmittel unmittelbar unter den Wärmequellen vorbeifließt.“

Das Team begann damit, das eingebettete Kühlsystem herzustellen und verbreiterte Kühlmittelkanäle auf das Substrat des Mikrochips aufzubringen. Die Kanäle wurden mit Kupfer verschlossen, und die übrigen elektronischen Komponenten wurden direkt auf dem Chip aufgebaut.

Mit Wasser als Kühlmittel entwickelte das Team eine elektronische Komponente, die Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) umwandelte, und testete sie im Vergleich zu einer ähnlichen Komponente ohne eingebettete Kühlung. Dabei zeigten sich deutlich höhere Wirkungsgrade, und die Forscher gehen davon aus, dass dieses System eine bis zu 50-mal höhere Kühlleistung als herkömmliche Modelle bietet.

Und da der Fertigungsansatz bestehende Systeme nutzt, ist er nach Angaben der Forscher bereits wirtschaftlich tragfähig.

Zu den Einschränkungen, die Wei nennt, gehört, dass die verwendeten Materialien noch langfristig unter verschiedenen Umgebungsbedingungen getestet werden müssen und Wasser als Kühlmittel möglicherweise nicht die richtige langfristige Lösung ist

 

EINIGE EINSCHRÄNKUNGEN — Doch dieses Design ist laut Wei nicht gerade ein Volltreffer. Wei weist in seinem Bericht auf einige strukturelle Bedenken bei dem Design hin, insbesondere auf das für die Substratoberfläche verwendete Material und einen Klebstoff, der während der Fertigung zur Verbindung der Kühlmittelkanäle verwendet wird. Bei beiden geben die langfristige Stabilität und Wirksamkeit unter verschiedenen Umgebungsbedingungen – etwa bei Temperaturen, wie sie bei typischen Mikrochip-Fertigungsprozessen auftreten – Anlass zur Sorge.

Ebenso ist Wasser als Kühlmittel für dieses System möglicherweise keine langfristige Lösung, da Elektronik und Wasser in der Regel nicht gut zusammenpassen. „Trotz der Herausforderungen, die noch zu bewältigen sind, ist [diese] Arbeit ein großer Schritt hin zu kostengünstigen, extrem kompakten und energieeffizienten Kühlsystemen für Leistungselektronik“, fügte Wei hinzu.

Kleiner als eine Münze, birgt dieser selbstkühlende Mikrochip einige verborgene Geheimnisse.Van Erp et al. / Nature