Coole Elektronik: Forscher haben einen Mikrochip entwickelt, der keine externe Kühlung braucht – er trägt seine Kühlung in sich. In den Halbleiter integrierte Mikrokanäle bringen Wasser direkt an die Transistoren und leiten die Wärme dort ab, wo sie entsteht. Das spart Energie und könnte künftige Elektronik „grüner“ machen. Zudem sei die Produktion dieser integrierten Kühlung günstiger als bisherige Verfahren, so die Forscher im Fachmagazin „Nature“.
Ob Datenzentrum, Supercomputer oder Notebook: Die starke Wärmeentwicklung von Mikrochips und anderen Bauteilen ist eines der größten Probleme der modernen Elektronik. Zum einen begrenzt sie die Leistung und Baudichte der Komponenten, zum anderen verbraucht die Kühlung große Mengen an Energie – für Lüfter oder die Pumpen für die Wasserkühlung.
Um Abhilfe zu schaffen, arbeiten Wissenschaftler an Methoden, um die Wärmeübertragung vom Chip auf das Kühlmittel möglichst effektiv zu machen. Möglich wird dies beispielsweise durch besonders wärmeleitfähige Metall-Kontaktflächen zwischen Kühlsystem und Chip. Auch erste Ansätze mit direkt in die Chipoberfläche eingelassenen Kanälen für die Kühlflüssigkeit gibt es bereits. Diese erfordern jedoch einen hohen Druck und sind in der Herstellung aufwändig.
Kühlkanäle im Halbleiter
Einen anderen Ansatz haben Remco van Erp und sein Team von der Polytechischen Hochschule Lausanne (EPFL) entwickelt. Statt die Kühlung außen auf den Chip aufzubringen, kühlen sie ihren Chip direkt von innen. Über verzweigte Mikrokanäle im Halbleitermaterial strömt Kühlflüssigkeit in Form von demineralisiertem Wasser von unten an den Transistoren vorbei. Dadurch leiten sie die Hitze direkt dort ab, wo sie entsteht.
„Die Mikrokanäle sind in direktem Kontakt mit dem aktiven Areal der Mikrochips“, erklären die Forscher. „Dadurch kommt es zu einer exzellenten Verbindung zwischen den Hitze-Spots und den Kühlkanälen.“ Die dreidimensionale Verzweigung der Kühlkanäle erleichtert zudem die Verteilung des Kühlmittels und senkt den für dessen Zirkulation nötigen Druck, wie van Erp und seine Kollegen berichten.
Effizient und sparsam
Erste Tests mit diesem chipinternen Kühlsystem ergaben, dass es Wärmeflüsse von mehr als 1,7 Kilowatt pro Quadratzentimeter ableiten kann und dafür nur 0,57 Watt pro Quadratzentimeter an Pumpleistung benötigt. Das sei deutlich weniger als beispielweise bei den nur außen eingeätzten Kühlkanälen früherer Verfahren. „Die beobachtete Kühlleistung von mehr als einem Kilowatt pro Quadratzentimeter entspricht einer 50-fachen Effizienzsteigerung gegenüber solchen geraden Mikrokanälen“, so die Forscher.
Würde man diese innengekühlten Chips in großen Datenzentren einsetzen, könnte der Anteil der Kühlung an ihrem Energieverbrauch von 30 Prozent auf nur noch 0,1 Prozent verringert werden, wie van Erp und sein Team erklären. „Diese Kühltechnologie könnte zudem die weitere Miniaturisierung der Elektronik ermöglichen und damit Moores Gesetz erweitern“, ergänzen sie.
Integrierte Produktion
Und noch einen Vorteil hat die integrierte Mikrochip-Kühlung: Ihre Produktion ist günstiger als die nachträglich von außen ergänzter Kühlaggregate, weil die Kühlkanäle gemeinsam mit den Chipschaltkreisen quasi in einem Arbeitsgang in den Halbleiter eingebracht werden. Dabei werden zunächst schmale Schlitze in das mit Galliumnitrid beschichtete Siliziumsubstrat geätzt. Die Schlitze werden dann zu den Kühlkanälen erweitert, während die Öffnungen mit Kupfer versiegelt werden. Darauf kommen dann die Elektronikschaltkreise.
„Die gesamte Kühlstruktur kann direkt ins Substrat integriert werden, dafür werden nur konventionelle Fabrikationsmethoden benötigt – das macht dies auch wirtschaftlich machbar“, erklären die Wissenschaftler. Sie gehen davon aus, dass künftige Elektronik durch solche innengekühlten Mikrochips kompakter und energiesparender werden kann. (Nature, 2020; doi: 10.1038/s41586-020-2666-1)
Quelle: Nature, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne
