Mikrokanal-CPU-Kühlsystem
Ob Rechenzentren, Supercomputer oder Laptops: Die große Wärmemenge, die von Chips und anderen Halbleiterbauelementen erzeugt wird, ist eines der größten Probleme moderner Elektronikprodukte. Zum einen begrenzt es die Leistungsfähigkeit und Strukturdichte von Bauteilen. Auf der anderen Seite verbraucht der Kühlprozess selbst viel Energie, die für Lüfter oder Flüssigkeitskühlpumpen verwendet wird.
Um dieses Problem zu lösen, haben Wissenschaftler untersucht, wie die Effizienz der Wärmeübertragung vom Chip zum Kühlmittel verbessert werden kann. Beispielsweise wird ein Metall mit besserer Wärmeleitfähigkeit als Kontaktfläche zwischen dem Kühlsystem und dem Chip verwendet. Die Effizienz aller Methoden in der Vergangenheit ist jedoch nicht sehr hoch, und mit der Verbesserung der Wärmeableitungseffizienz steigen auch die Komplexität und die Herstellungskosten des Wärmeableitungssystems exponentiell an.
Nun haben Schweizer Forscher endlich einen besseren Weg gefunden, einen Chip zu erfinden, der keine externe Kühlung benötigt. Die im Halbleiter integrierten Mikrotubuli bringen die Kühlflüssigkeit direkt um den Transistor, was nicht nur die Wärmeableitungswirkung des Chips erheblich verbessert, sondern auch Energie spart und zukünftige elektronische Produkte umweltfreundlicher macht. Die Herstellung dieser integrierten Kühlung ist günstiger als das bisherige Verfahren.
Das Prinzip dieser Lösung besteht darin, dass der Chip nicht von außen gekühlt wird, sondern direkt im Inneren. Das Kühlmittel strömt von unten durch die im Halbleitermaterial integrierten Mikrotubuli, so dass die vom Transistor als Wärmequelle erzeugte Wärme direkt abgeführt wird. Der Mikrokanal steht in direktem Kontakt mit den Transistoren im Chip, wodurch eine bessere Verbindung zwischen der Wärmequelle und dem Kühlkanal hergestellt wird. Die dreidimensionalen Äste des Kühlkanals tragen ebenfalls zur Verteilung des Kühlmittels bei und reduzieren den für die Kühlmittelzirkulation erforderlichen Druck.
Der Vortest des Kühlsystems zeigt, dass es mehr als 1,7 kW Wärme pro Quadratzentimeter und nur 0,57 Watt Pumpleistung pro Quadratzentimeter abführen kann. Das ist deutlich weniger als die Leistung, die für externe Ätzkühlkanäle benötigt wird. "Die beobachtete Kühlleistung übersteigt ein Kilowatt pro Quadratzentimeter, was einer 50-fachen Verbesserung der Effizienz gegenüber der externen Wärmeableitung entspricht", sagten die Forscher.
Die integrierte Mikrochip-Kühlung hat noch einen weiteren Vorteil: Sie ist günstiger als die extern hinzugefügte Kühleinheit. Da kühlende Mikrokanal- und Chipschaltungen in der Produktion direkt in Halbleiter eingeführt werden können, sind die Herstellungskosten niedriger. Dieser intern gekühlte Mikrochip wird zukünftige elektronische Produkte kompakter und energiesparender machen.
