Ionenpumpe bläst Kühlluft durch Chips

Wissenschaftler erforschen neue Methode für On-Chip-Cooling

Das Konzept einer Luftkühlung direkt auf einem Chip geistert seit Jahren durch die Wissenschaft, jetzt konnte es an der Universität von Washington in den USA erstmals in einem Prototypen demonstriert werden. Auf einem Halbleiter bläst dabei eine mikromechanisch konstruierte Pumpe ionisierte Luft über den Chip, um ihn zu kühlen.

Artikel veröffentlicht am 25. August 2006, 12:00 Uhr, Nico Ernst

Für die Kühlung von Halbleitern, die auch in Zeiten steigender Rechenleistung pro Watt problematisch bleibt, gibt es inzwischen zahlreiche andere Ansätze, als die Hitze nur über einen Kühlkörper und dann über mehrere Ventilatoren aus dem Gehäuse zu befördern. Auch wenn moderne Prozessoren tendenziell weniger Leistung aufnehmen als ihre Vorgänger, ist besonders im Server-Bereich eine effiziente Kühlung weiterhin wichtig, weil sich nur so die Dichte der Rechenleistung auf einem vorgegebenen Raum erhöhen lässt.

Erst im Mai 2006 ließ die Universität Purdue im US-Bundesstaat Indiana aufhorchen, als sie eine mikromechanische Pumpe demonstrierte, die Wasser durch Kühlungskanäle auf einem Chip trieb. Wenig später zeigte dieselbe Forschungseinrichtung, wie ein Halbleiter mit Nanoröhrchen gekühlt wird - die Chipkühlung ist derzeit eines der interessantesten Forschungsgebiete, da sich mechanische Strukturen, auch "MEMS" genannt (mikroelektrisches mechanisches System) mit Fertigungsverfahren aus der Halbleiter-Produktion vergleichsweise günstig und einfach herstellen lassen.

Chip oben ohne, unten mit Luftstrom Ein solches Konzept verfolgt auch ein Team um Professor Alexander Mamishev an der Universität von Washington. Seine Wissenschaftler konstruierten jetzt eine Art Luftpumpe auf einem Chip. Dabei kommen wie bei einem Transistor ein Kollektor und ein Emitter zum Einsatz. Diese sind aber nicht elektrisch verbunden, zwischen den Elementen liegt Luft. Diese wird am Emitter ionisiert und strömt dann zum Kollektor - ein Luftstrom ohne bewegte Teile ist damit erzielt. Wie das nebenstehende Bild zeigt, lässt sich damit in einem Bereich des Chips die Temperatur um etwa 30° senken.

Laut Professor Mamishev sind jedoch noch einige Punkte ungeklärt, vor allem der Ladungsfluss auf einem Halbleiter bereitet ihm Kopfzerbrechen. Um die thermodynamischen Effekte zu kanalisieren, sieht er unter anderem Nanoröhrchen als mögliche Lösung an. Das Verfahren scheint dennoch für die kommerzielle Anwendung interessant. Für die Fortführung des Projekts erhält die Universität von Washington auf Grund der ersten Erfolge 100.000 US-Dollar Fördergelder, die unter anderem Intel beisteuert.