Mehr Leistung

Durchbruch in der Kühlung von 3D-Chips

(Bild: IBM)

Wissenschaftlern des IBM Forschungslabor Zürich und des Fraunhofer Instituts in Berlin ist es erstmals gelungen, einen neuartigen wassergekühlten gestapelten 3D-Chip zu entwickeln. Der Durchbruch der Forscher soll neue Perspektiven in der Entwicklung zukunftsweisender dreidimensionaler Chips eröffnen. Mit der neuen Kühltechnologie ist es möglich, durch haarfeine Wasserleitungen zwischen den einzelnen Prozessorebenen einen 3D-Chip effizient zu kühlen.

Die dreidimensionale Integration von Computerchips zählt zu den vielversprechendsten Ansätzen, um auch künftig Leistungssteigerungen zu erzielen. Eine 3D-Chip-Architektur reduziert nicht nur die Grundfläche des Chips, sondern verkürzt auch die Datenverbindungen und erhöht damit die Bandbreite für die Datenübertragung im Chip um ein Vielfaches. Zusätzlich trägt die neue Architektur dazu bei, den Energieverbrauch in Rechenzentren zu verringern.

Ein Durchbruch in der Entwicklung dreidimensionaler Chip-Layouts hängt wesentlich von der Kühlung bzw. Überwindung der Grenzen herkömmlicher Kühlungen ab. Gelingt die Entwicklung dreidimensionaler Chip-Türme, in denen die Prozessoren nicht nebeneinander auf Silizium-Oberflächen, sondern hauchdünn Lage für Lage übereinander liegen, dann können Chips in Zukunft eine Leistungsdichte erreichen, die selbst jene von Plasma- oder Atomreaktoren übertreffen kann.

Die Kühlung der neuen Chips erfordert allerdings extrem hohe Kühlleistungen. In dem nun von IBM entwickelten Prototypen wird Wasser in hauchdünnen Kühlelementen mit einem Durchmesser von ca. 50 Mikrometern verwendet. Mit der neuen Kühlung ist den Forschern die Überwindung gleich mehrerer technischer Hürden gelungen. So konnten sie ein System bauen, das sowohl den Wasserfluss durch dünnste Ebenen optimiert als auch die Elektronik gegen das Wasser isoliert - und das trotz zigtausender elektronischer Datenverbindungen, die einen 3D-Chip "spicken".

Die Komplexität dieses Systems ist der des menschlichen Gehirns vergleichbar, das einerseits von Millionen Nervensträngen für die Signalverarbeitung durchzogen ist und andererseits von zehntausenden Blutkapillaren für den Nährstoff- und Wärmetransport - ohne dass sich beide Systeme gegenseitig stören.