Mehr Prozessorleistung mit Mikrokanalkühlern

15.1.2018

Im Rahmen des Projekts »CarriCool« haben Fraunhofer-Forschende eine neue, effektive Kühlmethode entwickelt: Durch die Integration von Mikrokanälen in den Silizium-Interposer ist es erstmals möglich, Hochleistungsprozessoren auch von der Unterseite her zu kühlen. Zusätzlich integrierten die Wissenschaftler passive Bauelemente für Voltageregulatoren, photonische ICs und optische Wellenleiter in den Interposer.

© Fraunhofer IZM / Volker Mai

Präzisionsbonden von Silizium-Photonik- Chip auf Silizium-Interposer mittels lotunterstützender Selbstjustage.

© Fraunhofer IZM

Die Integration von Mikrokanälen in den Silizium-Interposer erlaubt es erstmals, einen Prozessor auch von der Unterseite effektiv zu kühlen und dadurch die Rechenleistung zu erhöhen.

Wird ein Prozessor zu heiß, drosselt er Taktfrequenz und Betriebsspannung. Dadurch sinkt die Rechengeschwindigkeit oder der Prozessor schaltet sich ganz ab, um CPU und Mainboard vor Hitzeschäden zu schützen. Effektive Kühlung ist daher ein wichtiger Faktor für die Rechenleistung. Bisher übernehmen das meist Kühlkörper, die die Hitze von den Prozessoren ableiten. Gleichzeitig werden die wärmeempfindlichen Bauteile von oben mit Lüftern gekühlt. Ein Forscherteam vom Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM in Berlin und Dresden hat nun im Rahmen des Projekts CarriCool unter der Federführung von IBM ein flüssigkeitsbasiertes Kühlsystem entwickelt, das Mikrochips sowohl von der Oberseite als auch von der Unterseite kühlt. Dafür werden in den Silizium-Interposer, der sich zwischen Prozessor und Leiterplatte befindet, Mikrokanalstrukturen mit hermetisch versiegelten Durchgangskontakten eingebaut. Durch die Mikrokanäle wird dann Kühlmittel gepumpt, das die Wärme vom Prozessor abtransportiert. Diese im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen deutlich effektivere Kühlung steigert die Prozessorleistung nachweislich.

Kühlung nah am Rechnerkern

Die besondere Herausforderung war es nicht nur, die kleinen Kanäle in den Interposer einzubauen, sondern diese auch abzudichten und so von den elektrischen Bahnen zu trennen. Die Lösung der Forschenden: Der Interposer wird aus zwei Silizium-Platten gefertigt. In diese werden sowohl die horizontal verlaufenden Kühlkanäle als auch die vertikal verlaufenden Kanäle für die elektrischen Leitungen komplementär eingearbeitet. Um einen Kontakt des Wassers mit den elektrischen Durchkontaktierungen auszuschließen, wird jeder einzelne Kontakt speziell versiegelt. Bislang kamen die Kühlstrukturen gar nicht so nah an den Rechnerkern selbst ran. Je näher sich die Kühlung aber an der Hitzequelle befindet, desto effektiver die Kühlung. Gerade beim High Performance Computing mit immer höheren Datenraten wird diese Thematik noch einmal an Bedeutung gewinnen

Zusätzliche Optoelektronik für verlustarme Datenübertragung

Neben dem innovativen Kühlsystem haben die Fraunhofer-Forschenden im Rahmen der Projektarbeiten zusätzlich auch Voltageregulatoren für die Spannungsversorgung sowie optoelektronische Bauteile zur Datenübertragung in den Interposer integriert. Während der Voltageregulator den Prozessor mit der passenden Betriebsspannung versorgt, wandelt die Optoelektronik elektrische Signale aus dem Prozessor in Lichtsignale um. Dadurch können auch große Datenmengen verlustarm mit hoher Signalqualität übertragen werden – im Gegensatz zu Kupferleitungen, in denen die Verluste mit wachsender Datenrate zunehmen.