Bereits mehrfach haben Unternehmen neue Kühlmethoden entwickelt, die anstatt eines Kühlers auf dem Chip eine solche direkt in den Chip selbst integrieren sollten. Das Konzept sieht dabei meist eine direkte Flüssigkeitskühlung durch Mikrokanäle im Chip selbst vor. Bisher sind solche Technologien aber nicht über das Forschungsstadium hinaus gekommen.

Ende Februar, auf der Embedded World Conference 2019, stellte das belgische Unternehmen imec einen auf Silizium basierenden Flüssigkeitskühler mit Mikrokanälen vor, der in der Lage sein soll, eine größere Abwärme abzuführen. Eine Besonderheit der aktuellen Entwicklung von imec soll der niedrige Wärmewiderstand von 0,34 K/W bis 0,28 K/W sein. Dieser soll bei einer Pumpenleistung von gerade einmal 2 W erreicht worden sein.

Die Verwendung von Silizium als Material soll sich in vielerlei Hinsicht positiv auswirken. So soll die Fertigung recht einfach sein. Zudem sei damit eine direkte Integration auf oder in den Chips möglich. Die Kanäle haben derzeit eine Breite von 32 µm und können bis zu 260 µm tief sein. Damit soll es möglich sein bis zu 600 W/cm2 abzuführen.

Mit der Möglichkeit 600 W/cm² abzuführen, wäre eine solche Kühllösung in der Lage auch die aktuellen High-End-Designs zu kühlen. Die Energiedichte bei den Chips steigt. NVIDIAs GV100 kommt bei 815 mm² auf eine Leistungsaufnahme von 450 W. Gerade im Datacenter geht der Trend derzeit in Richtung einer immer größeren Leistungsaufnahme für ein Package. Mehrere hundert Watt sind keine Seltenheit.

Derzeit werden die Mikrokanäle noch in einem vom Chip getrennten Verfahren hergestellt und erst später auf diesen aufgebracht. Mit einem Cu/Sn-Au-Interfacematerial will imec aber einen möglichst idealen Wärmeübergang ermöglichen. Besser wäre es natürlich, die Mikrokanäle direkt in einem Layer des Chips unterzubringen.

"Imec’s microfluidic heat sink realized on a Si platform is a best-in-class technology demonstrating the lowest thermal resistance allowing a power dissipation of over 600W/cm2 in a very small form factor. It allows for an increase in heat flux by two orders of magnitude compared to classical metal heat sinks," sagt Philippe Soussan von imec. "Imec is working towards developing a next generation of this chip cooling solution, directly integrating the heat sinks and the IC at wafer scale, aiming at an additional cost of one USD."

Eine solche Kühlmethode bietet potenziell nicht nur die Möglichkeit einer effektiveren Kühlung im Vergleich zu aktuellen Verfahren, sondern könnte auch die Lösung für ein weiteres Problem sein:

Fast alle Chipunternehmen arbeiten derzeit an Chips, die aus mehreren Komponenten in verschieden vielen Layern bestehen. Dabei werden die Chips nicht mehr nebeneinander, sondern sollen übereinander gestapelt werden. TSMC will mehrere Wafer übereinander stapeln. Mit Foveros arbeitet Intel ebenfalls an einem Verfahren für 3D-Chips. In Form des Lakefield-Prozessor erwartet uns in diesem Jahr sogar schon ein erstes Produkt dieser Entwicklung. Allerdings sprechen wir hier von einem extrem kleinen und sparsamen SoC, der bei einer Größe von 12 x 12 x 1 mm im Idle-Betrieb gerade einmal 2 mW verbrauchen soll.

Werden in solchen 3D-gestapelten Chips aber Komponenten mit einer höheren Abwärme übereinander gestapelt, könnte eine Kühlung, wie die von imec, eine immer größere Rolle spielen. Neben der Integration der Mikrokanäle in den Chip selbst, müssen dann aber noch weitere Probleme behoben werden. So gehören zu einer Flüssigkeitskühlung auch noch eine Pumpe sowie ein Radiator und es gibt sicherlich auch noch weitere technische Hürden. Es dürften demnach noch ein paar Jahre vergehen, bis wir eine Flüssigkeitskühlung direkt in den Chip integriert sehen werden.