Mikrokanal-Chip-Kühltechnologie
Flüssigkeitskühlung ist die Zukunft von Rechenzentren. Da die Luft die Leistungsdichte, die in die Datenhalle gelangt, nicht bewältigen kann, strömt eine dichte Flüssigkeit mit hoher Wärmekapazität in die Verbindung. Mit zunehmender Wärmedichte von IT-Geräten kommt die Flüssigkeit näher an diese heran. Doch wie weit können Flüssigkeiten herankommen? Es ist allgemein anerkannt, ein Wasserzirkulationssystem durch die Hintertür von Rechenzentrumsschränken zu betreiben. Als nächstes zirkuliert das System bei besonders heißen Komponenten wie GPUs oder CPUs kontinuierlich Wasser zur kalten Platine. Darüber hinaus versenkt das Tauchsystem das gesamte Rack in der dielektrischen Flüssigkeit, sodass das Kühlmittel mit jedem Teil des Systems in Kontakt kommen kann. Die Hauptanbieter bieten mittlerweile für Immersion optimierte Server an.
1981 schlugen die Forscher David Tuckerman und RF Pease von der Stanford University vor, winzige „Mikrokanäle“ in Kühlkörper zu ätzen, um Wärme effektiver abzuleiten. Kleine Kanäle haben eine größere Oberfläche und können Wärme effektiver abführen. Sie schlagen vor, dass Kühlkörper Bestandteil von VLSI-Chips werden können, und ihre Demonstration zeigt, dass Mikrokanal-Kühlkörper einen beeindruckenden Wärmefluss von 800 W pro Quadratmeter unterstützen können.
Mit der Entwicklung der Halbleiterfertigung und ihrem Einzug in dreidimensionale Strukturen ist die Idee der integrierten Kühlung und Verarbeitung praktischer geworden. Ab den 1980er Jahren versuchten Hersteller, mehrere Komponenten auf Siliziumchips zu überlagern. Die Schaffung von Kanälen auf mehrschichtigen Siliziumchips kann eine schnelle und optimale Methode zur Kühlung sein, da sie mit der einfachen Implementierung kleiner Rillen, ähnlich den Rippen auf einem Kühlkörper, beginnen kann. Diese Idee hat jedoch nicht viel Beachtung gefunden, da Chiplieferanten die 3D-Technologie zum Stapeln aktiver Komponenten nutzen möchten. Diese Methode wird mittlerweile von Speichersystemen mit hoher Speicherdichte akzeptiert, und Nvidia-Patente deuten darauf hin, dass sie möglicherweise zum Stapeln von GPUs gedacht ist.
Forscher arbeiten seit mehreren Jahren daran, mikrofluidische Kanäle in die Oberfläche von Siliziumchips zu ätzen. Ein Team des Georgia Institute of Technology arbeitete 2015 mit Intel zusammen, um möglicherweise als erstes Unternehmen einen FPGA-Chip mit einer integrierten mikrofluidischen Kühlschicht herzustellen, die sich nur wenige hundert Mikrometer von der Stelle entfernt befindet, an der der Transistor auf Silizium arbeitet. „Wir haben den Kühlkörper auf der Oberseite des Siliziumchips eliminiert, indem wir die Flüssigkeit nur wenige hundert Mikrometer vom Transistor entfernt gekühlt haben“, sagte Professor Muhannad Bakir, Teamleiter am Georgia Institute of Technology, in einer Pressemitteilung. Wir glauben, dass die direkte und zuverlässige Integration mikrofluidischer Kühlung in Silizium zu einer bahnbrechenden Technologie für die nächste Generation elektronischer Produkte werden wird.
Im Inneren des Chips wurde ein 3D-Netzwerk mikrofluidischer Kühlkanäle entwickelt, das sich nur wenige Mikrometer unter dem aktiven Teil jedes Transistorgeräts befindet und von wo aus Wärme erzeugt wird. Diese Methode kann die Kühlleistung um das 50-fache verbessern. Mikrokanäle transportieren Flüssigkeiten direkt zu Hotspots und bewältigen eine erstaunliche Leistungsdichte von 1,7 kW pro Quadratzentimeter. Dies entspricht 17 MW pro Quadratmeter, was einem Vielfachen des aktuellen GPU-Wärmeflusses entspricht.
Die Schwierigkeit der Wärmeableitung führt dazu, dass die größten Chips heute nicht alle Transistoren gleichzeitig nutzen können, da sie sonst überhitzen. Der Einsatz von Mikrofluidik kann die Leistung und Effizienz von Chips verbessern. Es ist möglich, Rechenzentren effizienter zu betreiben, ohne dass energieintensive Kühlsysteme erforderlich sind.
