IBM kühlt 3D-Chips mit H₂O

Zürich, Schweiz, 5. Juni 2008—Wissenschaftler aus dem IBM (NYSE: IBM) Forschungslabor Zürich haben in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) in Berlin erste Prototypen einer neuartigen und leistungsfähigen Wasserkühlmethode für gestapelte Chips vorgestellt. Der Durchbruch der IBM Forscher eröffnet neue Perspektiven für die Entwicklung von 3D-Chips.

Mit ihrer Kühltechnologie können die Forscher Wasser in haarfeinen Strukturen (von ca. 50 Mikrometern) direkt zwischen den einzelnen Prozessorebenen in einem 3D-Chip durchleiten und so den ganzen Chip effizient kühlen.

Die dreidimensionale Integration von Computerchips ist einer der vielversprechendsten Ansätze, um auch künftig noch Leistungssteigerungen gemäss dem Mooreschen Gesetz zu erzielen. 3D-Chip-Architekturen reduzieren nicht nur die Grundfläche des Chips, sondern verkürzen die Datenverbindungen und erhöhen die Bandbreite für die Datenübertragung im Chip um ein Vielfaches.

Die Entwicklung dreidimensionaler Chip-Layouts wird jedoch massiv eingeschränkt durch die Leistungsgrenzen herkömmlicher Kühler. Komplexere Designs, bei denen Prozessoren in hauchdünnen Lagen aufeinander gestapelt würden, erreichten eine Leistungsdichte, die selbst die von Plasma- oder Atomreaktoren überträfe.

IBM Forscher haben nun erstmals eine Kühlmethode demonstriert, die die erforderliche Leistung für solche Architekturen aufbringt. Mit der direkten Integration einer Wasserkühlung in den 3D-Chip haben die Forscher eine effiziente und mit den Chipebenen skalierbare Kühltechnologie präsentiert. Der Prototyp erreicht eine Leistung von 180 Watt/cm² pro Ebene — und könnte so selbst gestapelte Prozessoren ausreichend kühlen.

Bei der Realisierung des Prototypen haben die Forscher mehrere technische Hürden genommen und ein System entwickelt das sowohl den Wasserfluss durch die extrem dünnen Ebenen optimiert als auch die Elektronik gegen das Wasser isoliert. Eine besondere Schwierigkeit stellten hierbei die zigtausenden elektronischen Datenverbindungen dar, mit denen der 3D-Chip "gespickt" ist. Die Komplexität dieses Systems ist vergleichbar mit der des menschlichen Gehirns, das einerseits durchzogen ist von Millionen Nervensträngen für die Signalverarbeitung und andererseits mit zehntausenden Blutkapillaren für den Nährstoff- und Wärmetransport — ohne dass sie sich gegenseitig stören.

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