Mikrokanäle steigern Prozessorleistung erheblich

Verfasst von Fügemann/pte am 03.10.2017 - 10:38

Fraunhofer-Forscher vom Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) haben eine neue, effektive Kühlmethode entwickelt. Durch die Integration von Mikrokanälen in den Silizium-Interposer ist es möglich, Hochleistungsprozessoren auch von der Unterseite her zu kühlen. Zusätzlich haben die Wissenschaftler passive Bauelemente für Voltageregulatoren, photonische ICs und optische Wellenleiter in den Interposer integriert.

Interposer sind für die elektrische Versorgung und die Kühlung des Prozessors zuständig, liegen wie eine Schicht zwischen Leiterplatte und Chip und sind von oben nach unten alle 200 Mikrometer von elektrischen Kontakten durchzogen, die die Stromversorgung und Datenübertragung des Prozessors gewährleisten. Um auch Hitze aufzunehmen und diese vom Prozessor weg zu transportieren, haben die IZM-Experten quer zu den Durchkontaktierungen Mikrofluidkanäle eingebaut, durch die das Kühlmittel geleitet werden kann.

Der Interposer wird aus zwei Silizium-Platten gefertigt. In diese werden sowohl die horizontal verlaufenden Kühlkanäle als auch die vertikal verlaufenden Kanäle für die elektrischen Leitungen komplementär eingearbeitet. Um einen Kontakt des Wassers mit den elektrischen Durchkontaktierungen auszuschliessen, wird jeder einzelne Kontakt speziell versiegelt.

Deutlich mehr Power

"Bislang gehen die Kühlstrukturen nicht so nah an den Rechnerkern selbst. Das heisst, Kühler werden meist additiv von oben aufgebracht", weiss IZM-Gruppenleiter Hermann Oppermann. "Je näher man mit der Kühlung aber an die Hitzequelle geht, desto besser kann die Temperatur begrenzt beziehungsweise die Leistung erhöht werden. Gerade beim High Performance Computing gibt es immer höhere Datenraten. Entsprechend wichtig ist eine effektive Kühlung, die eine hohe Taktrate gewährleistet", sagt Oppermann. So lasse sich die Leistung steigern.

Zusätzlich haben die Forscher auch Voltageregulatoren für die Spannungsversorgung sowie optoelektronische Bauteile zur Datenübertragung in den Interposer integriert. Während der Voltageregulator den Prozessor mit der passenden Betriebsspannung versorgt, wandelt die Optoelektronik elektrische Signale aus dem Prozessor in Lichtsignale um. Dadurch können auch grosse Datenmengen verlustarm mit hoher Signalqualität übertragen werden - im Gegensatz zu Kupferleitungen, in denen die Verluste mit wachsender Datenrate zunehmen.
http://izm.fraunhofer.de