Dreimal höhere Leistung: Microsoft will CPUs und GPUs mit Mikrokanälen kühlen
Mikrokühlkanäle direkt im Silizium eines Chips gelten seit über einem Jahrzehnt als der heilige Gral der Kühltechnik. Microsoft will mit dem Schweizer Start-up Corintis nun deren Einsatz in echten Produkten einen Schritt näher gekommen sein(öffnet im neuen Fenster) . Das Unternehmen zeigt Bilder einer CPU mit nachträglich eingeätzten Mikrokanälen, die verglichen mit einer regulären Wasserkühlung eine bis zu dreimal bessere Kühlleistung erreichen sollen.
Für eine GPU etwa gibt Microsoft eine Reduzierung der Maximaltemperatur um 65 Prozent an. Das soll sowohl eine dichtere Packung der Prozessoren in Racks ermöglichen und somit den Platzbedarf reduzieren als auch den Prozessoren erlauben, länger hohe Boost-Takte zu nutzen. Damit wollen Microsofts Forscher mit weniger Servern auf Lastspitzen reagieren können.
Die neue Generation an Prozessoren mit Mikrokanälen wirkt bereits deutlich professioneller als Microsofts erste Versuche(öffnet im neuen Fenster) : Anstelle einer 3D-gedruckten Abdeckung für die Zuführung der Kühlflüssigkeit gibt es eine CNC-gefräste aus Metall. Auf einem Bild ist zudem zu erkennen, dass mindestens zwei Server-CPUs, vermutlich ältere Xeons, mit Mikrokanälen versehen wurden. Die ersten Versuche fanden mit einem Intel Core i7 8700K statt.
Auffällig ist die Struktur der Kanäle: Sie bilden kein regelmäßiges Muster, sondern sollen die Kühlflüssigkeit entsprechend der Hitzeentwicklung über den Chip leiten. Für den Entwurf der Struktur war Corintis zuständig, das Muster hat eine KI entworfen. Es nimmt natürliche Strukturen wie die Leitbündel von Blättern oder die Flügeladern von Schmetterlingen als Vorbild.
Zerfurchen, aber nicht zerstören
Ziel ist es dabei, möglichst große Durchflussmengen zu erreichen, ohne die Stabilität des verbleibenden Siliziums zu beeinträchtigen. Damit hatten Microsofts Forscher bei den ersten Anläufen Probleme, die verbliebenen Mikrosäulen brachen teils, was die Kühlleistung lokal deutlich beeinträchtigte.
Die Lösung von Corintis soll nicht nur stabiler sein, sondern im Vergleich zu regulären Strukturen eine bessere Kühlleistung erreichen. Als Nächstes soll untersucht werden, wie die Mikrokanäle direkt während der Produktion gefertigt werden können. Erprobt werden soll das anhand selbst entwickelter Chips wie der CPU Cobalt 100 oder dem KI-Beschleuniger Maia 100 .
Herausforderung mit neuen Fertigungsprozessen
Auch über gestapelte Halbleiter mit Mikrokanälen denken Microsofts Forscher nach – bis dahin dürfte es aber noch ein langer Weg sein. Auch neue Fertigungsprozesse werden das Konzept verkomplizieren: Intel, Samsung und TSMC wollen alle perspektivisch auf Backside Power Delivery setzen, wobei die Spannungsversorgung über die bislang ungenutzte Rückseite des sogenannten Silizium-Dies erfolgt.
Dass sich überhaupt einfach Kanäle in einen Chip ätzen lassen, liegt daran, dass diese im Flip-Chip-Verfahren montiert werden. Die Seite mit Transistoren und Leitern liegt dabei auf der Unterseite. Sie ist zudem sehr dünn, der Großteil des Dies, der nach außen frei liegt, ist ohne Funktion und sorgt nur für ausreichende Stabilität bei Fertigung und Montage.