Besser als Flüssigmetall: Mit Mechanochemie zum besten Wärmeleiter
Die Kühlung von CPUs und GPUs wird zunehmend zur Herausforderung. Eine wichtige Rolle spielt dabei der Übergang zwischen Kühler und dem zu kühlenden Chip: Hier soll ein sogenanntes Thermal Interface Material (TIM), oft als Wärmeleitpaste, für einen guten Übergang sorgen. In der Praxis klappt das allerdings schlechter, als die Theorie erwarten ließe. Forscher der Universitäten von Texas, Austin sowie Sichuan und Huazhong in China berichten in der Fachzeitschrift Nature Nanotechnology(öffnet im neuen Fenster) eine deutliche Verbesserung.
Sie entwickelten ein Material, das aktuell erhältliche TIMs deutlich in den Schatten stellen soll. Dabei handelt es sich um eine kolloidale Paste aus dem Flüssigmetall Galinstan(öffnet im neuen Fenster) und der Keramik Aluminiumnitrid. Galinstan, eine Legierung aus Gallium, Indium und Zinn, hat einen Schmelzpunkt von -19 °C, Aluminiumnitrid eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit, weshalb es auch in vielen Wärmeleitpasten enthalten ist. Das Aluminiumnitrid ist dabei zu feinen, als Kolloide bezeichneten Partikeln mit wenigen Mikrometern Durchmesser zermahlen.
Der große Unterschied zu kommerziellen TIMs - der Anhang der Veröffentlichung (PDF)(öffnet im neuen Fenster) gibt einen umfangreichen Überblick - ist die Art der Herstellung. Über ein mechanochemisches Verfahren werden bei der Neuentwicklung Atome des Flüssigmetalls in die Oberfläche der Kolloide eingebracht. Das soll, so die Forscher, nicht nur die Wärmeleitfähigkeit, sondern auch die sogenannte Thixotropie(öffnet im neuen Fenster) des Materials verbessern.
Die beschreibt eine Veränderung der Viskosität eines Materials durch mechanische Beanspruchung. Die Kolloide im neu entwickelten TIM sollen sich so auch unter Druck besser bewegen und Unebenheiten ausgleichen können.
Wesentlich besser als Wärmeleitpasten und Flüssigmetalle
Insbesondere im Vergleich zu herkömmlichen Wärmeleitpasten erreichten die Forscher in Messungen um einen Faktor 10 geringere Wärmeübergangswiderstände. Auch mit drei kommerziell erhältlichen Flüssigmetallen von Thermalright, Thermal Grizzly und Coollaboratory vergliche sie ihn. Diese gelten aktuell als das Nonplusultra der TIMs und werden etwa in der Overclocking-Szene genutzt.
Abhängig von der Kolloidgröße erreichte das Material der Forscher zwischen 56 und 72 Prozent geringere Wärmeübergangswiderstände als das beste verglichene Flüssigmetall. Die werden von den Forschern für ihre Entwicklung mit 0,43 und 0,67 mm 2 K/W bei 5 und 30 μm Kolloidgröße angegeben. Laut Pressemitteilung der Universität Texas(öffnet im neuen Fenster) arbeiten die Forscher an einer Kommerzialisierung des entwickelten Flüssigmetalls. Es soll zunächst in Rechenzentren zum Einsatz kommen, wo besonders als KI-Beschleuniger genutzte GPUs permanent höhere Ansprüche an die Kühlung stellen.
In Kombination mit fortschrittlichen Wärmetauschern mit Mikrokanälen soll so der Energieaufwand für die Kühlung um bis zu 65 Prozent sinken. Möglich wird das, da ein niedrigerer Volumenstrom des Kühlmediums erforderlich ist und Pumpen somit weniger Leistung benötigen.