Chips im Wasserbad
Das IBM-Forschungslabor Zürich stellt ein Verfahren zur Kühlung von Chip-Stacks vor, bei denen Wasser durch die Zwischenlagen des Stapels fließt.
Das Übereinanderstapeln von Silizium-Halbleiterbauelementen in einem gemeinsamen Gehäuse spart nicht nur Platz, sondern macht durch extrem kurze Chip-zu-Chip-Verbindungen manche Schaltungskombinationen überhaupt erst möglich. Wenn aber im Chip-Stapel (Stack) etwa auch Hochleistungsprozessoren stecken, die viel Abwärme erzeugen, wird die Kühlung zum Problem. Einen Lösungsansatz präsentieren nun Forscher vom IBM-Labor Zürich, die schon in der Vergangenheit neue Verfahren zur Chip-Kühlung entwickelt haben.
In Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IZM in Berlin stellen die IBM-Forscher nun ein Verfahren vor, bei dem Wasser durch die Zwischenlagen des Chip-Stapels fließt. Als Testobjekt haben sie einen Chip-Stack mit 4 Quadratzentimetern Grundfläche mit Zwischenlagen von jeweils etwa 100 Mikrometern Stärke aufgebaut. Die einzelnen Silizium-Dice waren dabei untereinander mit rund 10.000 vertikalen Leitungsverbindungen pro Quadratzentimeter verbunden.
Eine Schwierigkeit bestand darin, dass die vertikalen Interconnects sicher isoliert sein müssen, damit das in den Zwischenlagen zirkulierende Wasser keine Kurzschlüsse verursacht. Die Chip-Verbindungen oder "Through-Silicon Vias" wurden dazu jeweils mit einer Siliziumschicht umgeben, die wiederum eine dünne, isolierende Siliziumoxidschicht trägt.
Das neue Kühlverfahren soll 180 Watt an Abwärme pro Quadratzentimeter sicher bewältigen; leider wird aus der Meldung nicht ganz deutlich, ob sich diese spezifische Wärmelast auf jedes einzelne Die im Stack oder den gesamten Stack bezieht. Zum Vergleich: Für einen Xeon X5482, der aus zwei 45-nm-Dice mit jeweils 1,07 Quadratzentimetern Fläche besteht, nennt Intel eine Thermal Design Power (TDP) von 150 Watt, das ergibt also rund 70 Watt/Quadratzentimeter.
Ein Team der US-amerikanischen Purdue University arbeitet übrigens schon seit einigen Jahren an einer direkten Wasserkühlung von Halbleiterbauelementen, bei denen die Flüssigkeit durch Mikrokanäle im Silizium selbst fließt. Sun wiederum hat sich ein Verfahren patentieren lassen, bei dem ein Magnetfeld die Kühlflüssigkeit antreibt, was eine separate Pumpe mit beweglichen Teilen überflüssig macht. (ciw)
