Eine Reihe 3D-gedruckter Prozessorkühler gehörte zu den interessantesten Präsentationen auf der ITF World, einer Konferenz des Chipforschungsgiganten imec in Antwerpen, Belgien. Diese Prototyp-Wasserblöcke steigern die Fähigkeit, dichte Prozessoren wie CPUs und GPUs zu kühlen, um das bis zu 3,5-fache im Vergleich zu den Lösungen, die wir heute in den besten CPU-Kühlern sehen, und ermöglichen so eine höhere Leistungsdichte und erschließen ungenutzte Leistung in modernen Chips. Die Ergebnisse dieser Forschung könnten zu radikal neuen Wasserkühlern für alle Arten von Chips führen.
Bare-Die-Kühlung, die Flüssigkeit erzwingt direkt Die Überschreitung des Prozessorchips erweist sich als einer der naheliegendsten Schritte zur Bewältigung der überschüssigen Wärme, die von neueren Chips erzeugt wird, und imec ist mit neuen Techniken führend, um die volle Leistung der dichtesten Prozessknoten freizusetzen. Dies wird mit jeder neuen Generation von Chips immer wichtiger, da der Stromverbrauch aufgrund der abnehmenden Skalierung der Leistungsreduzierung bei kleineren Knoten sprunghaft ansteigt. Darüber hinaus erhöhen kleinere Transistoren die Leistungsdichte, was den Kühlaufwand erschwert und letztendlich die Chipleistung einschränkt.
Das ultimative Ziel für Chipdesigner besteht darin, mehr Arbeit auf kleinerem Raum zu erledigen. Dennoch unterliegen heutige Chips bereits einer Leistungsbeschränkung und Bereiche mit „dunklem Silizium“ werden während des Betriebs des Chips abgeschaltet, um bestimmte TDP- und Temperaturgrenzen einzuhalten. Das bedeutet, dass die meisten Chips im Normalbetrieb nur einen Teil ihres Potenzials nutzen. Darüber hinaus verschärft sich das Problem mit jeder Chipgeneration – moderne CPUs wie AMDs Epyc Genoa erreichen bereits eine Spitzenleistung von 400 W, und Roadmaps deuten darauf hin 600-W-Serverchips in der Zukunft.
Im Gegensatz zu den Standard-Wasserkühlungsansätzen, die einen eigenständigen Wasserblock mit einer Kühlplatte und einem Chip-Heatspreader zum Kühlen des Prozessors verwenden, drücken die im Album unten abgebildeten Prototypen von 3D-gedruckten Kühlern die Flüssigkeit direkt über den nackten Prozessorchip Verbesserung der Kühlleistung durch direktes Pumpen von Kühlmittel auf die Oberfläche des Prozessors.
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Die 3D-gedruckten Wasserblöcke ermöglichen ein schnelles Prototyping, und imec verwendet verschiedene Arten von Standardpolymeren, die im 3D-Druck verwendet werden, um sicherzustellen, dass die Wasserblöcke den Temperaturbelastungen standhalten. Es ist unklar, ob man diese Designs auf einem der besten 3D-Drucker drucken könnte.
Die 3D-gedruckten Wasserblöcke können auf verschiedene Arten angepasst werden, mit benutzerdefinierten Düsenanordnungen (Sie können diese auf den Bildern sehen), die Flüssigkeit in bestimmten Bereichen direkt auf die Chipoberfläche strahlen, beispielsweise direkt über einzelne Kerne oder Bereiche mit hoher Wärmeentwicklung des für Vektoroperationen verwendeten Chips, um die Kühlleistung zu verbessern.
Die Wasserblöcke sind außerdem individuell angepasst, um möglichst wenig Platz zu beanspruchen, und verwenden derzeit einen O-Ring, um das Austreten von Flüssigkeit aus der Umgebung des Wasserblocks zu verhindern. Natürlich experimentiert Imec mit verschiedenen Arten von Dichtungsmechanismen und verschiedenen Arten von 3D-Druckmaterialien für die Blöcke.
Mit diesen Kühlern kann nahezu jede dielektrische Flüssigkeit verwendet werden, beispielsweise aufbereitetes Wasser oder Kältemittel. Auch wenn die Flüssigkeit nicht leitend ist, erfordert die Bare-Die-Flüssigkeitskühlung natürlich die Abdichtung der Bereiche rund um den Chip, wie z. B. Kondensatoren und andere elektronische Schaltkreise auf der Leiterplatte. Um das Kühlmittel jedoch so nah wie möglich am Chip zu halten, ist die Oberseite der Matrize völlig frei von Dichtmittel. Die Forscher pumpen die Flüssigkeit direkt über die glatte Oberfläche des Chips, aber auch andere Ansätze, wie das Hinzufügen von Streifen auf der Oberseite des Chips, können eine noch höhere Kühlleistung ermöglichen.
Aufgrund der schnellen Temperaturwechsel und Wechselwirkungen mit den verschiedenen im System verwendeten Kühlmitteln stellen Dichtstoffe eine langfristige Herausforderung dar. Dennoch arbeitet imec methodisch daran, die richtige Mischung aller Materialien zu finden, um eine langfristige Zuverlässigkeit zu gewährleisten.
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Das obige Album enthält mehrere Folien, die die Experimente des Forschers skizzieren. Im Allgemeinen hat sich die Kühlung von mehr als 100 W Leistung pro Quadratzentimeter als äußerst problematisch erwiesen, was zu einer allgemeinen Faustregel führt, dass die Verteilung von 1 W Leistung auf 1 Quadratmillimeter Silizium eine effektive Kühlung ermöglicht. Allerdings steigt die Leistungsdichte bei kleineren Prozessknoten sprunghaft an. Daher ist die Verbesserung der Fähigkeit, Wärme aus höheren Leistungskonzentrationen abzuleiten, von größter Bedeutung, um weiterhin zusätzliche Leistung zu erschließen.
Denken Sie daran, dass ein höherer Stromverbrauch häufig mit einer höheren Chipleistung einhergeht (es gibt Einschränkungen – die Effizienz kann darunter leiden). Die imec-Forscher sagen uns, dass sie bis zu 1.000 W pro Quadratzentimeter (100 W pro mm^2) oder sogar bis zu 500 W pro mm^2 kühlen können, aber diese Art der Kühlleistung ist nicht repräsentativ für die typische Leistung Leistung, da es sich nicht gut auf einen gesamten Chip skalieren lässt.
In gängigen Anwendungen könnten diese Chipkühler eine Kühlleistung von bis zu 350 W pro Quadratzentimeter oder etwa 3,5 W pro mm^2 ermöglichen – eine 3,5-fache Steigerung gegenüber dem, was heute üblich ist. Wie im obigen Album gezeigt, wird dies es Chipdesignern ermöglichen, die Leistungsgrenzen mit einer vergleichsweise konservativeren Methode weiter zu verschieben als mit ein- und zweiphasigen Kühllösungen, die erforderlich wären, um über 4 W pro mm^2 hinauszugehen.
Dies ist natürlich eine vereinfachte Sicht auf die Leistung dieser Kühllösungen, wobei viele andere Variablen wie Temperaturdeltas und andere Faktoren erforderlich sind, um die verschiedenen Vorzüge des Ansatzes richtig zu messen. Eines ist jedoch sicher: Dieser Ansatz stellt eine der einfachsten Möglichkeiten dar, die Kühlleistung bei vertretbarem Mehraufwand zu steigern. Andere Techniken, wie etwa die TSMC-Forschung, die vorschlägt, Kühlmittel durch Mikrokanäle im Inneren des Chips selbst zu pumpen, sind offensichtlich weitaus exotischer und daher kostspieliger und liegen weiter in der Zukunft.
Die Bemühungen von Imec befinden sich noch in der Forschungsphase, während die Forscher daran arbeiten, die richtigen Materialien, Flüssigkeiten und Designs zu identifizieren, die die Entwicklung massenproduzierter Kühllösungen ermöglichen, wobei die ersten Produkte dieser Forschung wahrscheinlich fünf Jahre dauern werden, bis sie herauskommen Markt.