Innovation des Fraunhofer-IZM

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Berlin/Dresden (pte020/02.10.2017/11:30) –

Fraunhofer-Forscher vom Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) http://izm.fraunhofer.de 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.

Überall Kühlmittel

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.