Kühlchips, die Zukunft leichter Computergeräte
Einer der Hauptfaktoren, die die Entwicklung von Chips mit hoher Rechenleistung einschränken, ist ihre Fähigkeit zur Wärmeableitung. Das Problem der Chip-Wärmeableitung beschäftigt die Branche seit jeher. Ein nagelkappengroßer Chip ist eigentlich eine 300-Watt-Wärmequelle, in Wirklichkeit ist der Chip aber bereits glühend heiß, wenn er weit unter dieser Leistungsaufnahme liegt. Die Miniaturisierung und hohe Integration von Chips kann zu einer deutlichen Erhöhung der lokalen Wärmestromdichte führen. Die Verbesserung der Rechenleistung und -geschwindigkeit bringt einen enormen Stromverbrauch und eine enorme Wärmeentwicklung mit sich.
Ein von TSMC veröffentlichter Bericht zeigt, dass in Zukunft einige „große Chips“ mit einer Fläche von mehr als 500 Quadratmillimetern einen geplanten Stromverbrauch von über 2000 Watt haben könnten. Trotz der kontinuierlichen Reduzierung der Chip-Prozessgröße nimmt die Leistungsdichte ständig zu . Sobald der Halbleiterprozess 2 nm erreicht, werden die Anzahl der Transistoren und die Rechenleistung des Chips natürlich deutlich zunehmen. Der rasante Anstieg der KI-Rechenleistung wird die Kühlung und Kühlung von Ultra-High-Power-Chips weiterhin vor große Herausforderungen stellen. Derzeit befindet sich die gesamte Chipindustrie der Unterhaltungselektronik tatsächlich in einem Teufelskreis aus „erheblich verbesserter Leistung und schnell steigendem Stromverbrauch“, der einen Trend zum „Austausch von Stromverbrauch gegen Leistung“ zeigt.
Kürzlich gab Frore Systems, eine innovative Festkörper-Kühllösung auf Basis piezoelektrischer MEMS, bekannt, dass Anfang 2023 Laptops auf den Markt kommen werden, die mit seiner aktiven MEMS-Kühlchip-Lösung (AirJet) ausgestattet sind und eine bessere Kühlleistung als herkömmliche Lüfter bieten und gleichzeitig die Geräuschentwicklung reduzieren Der AirJet-Kühlchip ist eine Lösung für das Kühlproblem, das die CPU-Leistung in heutigen Laptops einschränkt. Es handelt sich um eine sogenannte „Solid-State-Kühllösung“, die auf herkömmliche Lüfterkühlungsmethoden komplett verzichtet.
Darüber hinaus haben Huawei und das Harbin Institute of Technology gemeinsam ein Patent namens „Diamond Chip“ angemeldet. Hierbei handelt es sich um einen effizienten Wärmeableitungschip aus Diamantmaterialien, der das Erwärmungsproblem von Hochleistungschips lösen und einen neuen Weg zur Verbesserung der Chipleistung eröffnen kann. Diamant ist ein Kristall aus Kohlenstoffelementen mit hervorragenden physikalischen und chemischen Eigenschaften. Diamant hat als natürliches Mineral eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit. Der Einsatz von Diamant zur Wärmeableitung elektronischer Chips kann deren Wärmeableitungseffizienz erheblich verbessern. Im Vergleich zu herkömmlichen Materialien werden die Probleme, die durch den Langzeitbetrieb von Chips bei hohen Temperaturen entstehen, wirksam gemindert.
Obwohl in einigen Anwendungen einzigartige Lösungen zum Einsatz kommen können, müssen die meisten Märkte Wege finden, mit weniger Ressourcen mehr zu erreichen, was bedeutet, dass mehr Funktionalität pro Watt zur Verfügung steht. Der damit verbundene Aufwand ist deutlich höher als bei bisherigen Lösungen.
