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Kühlen von Chips mit einer Ionenbrise
Elektroden, die einen Strom ionisierter Luft über die Oberfläche eines Siliziumchips schicken, könnten die Lüfter in Computern und Laptops viel effektiver machen. Forscher der Purdue University und Intel fanden heraus, dass ein Gerät, das eine ionische Brise erzeugt, Computerchips um 25 °C kühler hält als Lüfter allein. Durch den Einsatz kleinerer Lüfter könnte das Gerät zu kompakteren Laptops führen.
Kühle Brise: Infrarotbilder der Oberfläche eines Mikrochips zeigen eine der beiden Elektroden, die in einem neuen Gerät, das an der Purdue University entwickelt wurde, eine kühlende Brise ionisierter Luft erzeugen. Im oberen Bild (rot) halten Lüfter die Oberflächentemperatur des Chips auf 60 °C. Im unteren Bild (blau) wird durch die Aktivierung der Elektroden die Temperatur auf 35 °C gesenkt.
Da Mikrochips mit immer mehr Komponenten überfüllt werden, werden die heutigen Kühlmethoden nicht mehr ausreichen. Derzeit wird die Wärme von den Chips durch Metallkühlkörper abgeführt – Platten, die an Anordnungen von Rippen oder Zinken angebracht sind, die die wärmeableitende Oberfläche maximieren. Die Lüfter in einem Computer kühlen die Kühlkörper und blasen die heiße Luft aus. Aber die Luftkühlung ist in ihrer Fähigkeit zur Wärmeabfuhr bis an ihre Grenzen gestoßen, sagt Suresh Garimella , ein Maschinenbau-Professor in Purdue. Außerdem können Lüfter sperrig und laut sein.
Das neue Gerät ist klein und kann direkt in einen Computerchip integriert werden. Durch die Platzierung an bestimmten Hotspots auf einem Chip könnten Ingenieure die Effektivität des Lüfters in diesen Bereichen verbessern. Dies könnte zu kleineren Lüftern führen, die genauso gut funktionieren wie aktuelle Lüfter, sagt Garimella, und damit zu dünneren, kleineren Laptops. Das letztendliche Ziel ist die Entwicklung von Kühltechnologien für kleine Notebooks und Handheld-Computer, sagt Rajiv Mongia, ein Intel-Forschungsingenieur, der mit den Purdue-Forschern an dem neuen Gerät zusammengearbeitet hat.
Garimella und seine Kollegen bauten ihr experimentelles Kühlsystem auf einem simulierten Computerchip. Das System besteht aus zwei Elektroden – einem Edelstahldraht, der als positiv geladene Anode fungiert, und einem Kupferband, das als Kathode dient –, die einige Millimeter voneinander entfernt sind.
Durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden kollidieren Elektronen in der Luft mit Sauerstoff- und Stickstoffmolekülen, entziehen ihnen Elektronen und erzeugen positiv geladene Ionen. Die Ionen bewegen sich in Richtung der negativ geladenen Kathode, ziehen umgebende Luftmoleküle mit sich und erzeugen eine Brise. Die Forscher fanden heraus, dass ein Lüfter, der über einen Kühlkörper bläst, die Oberfläche ihres Chips auf etwa 60 °C kühlt, während sie durch Hinzufügen der Ionenbrise auf 35 °C abgekühlt wird.
Garimella sagt, dass die Ionenbrise einen größeren Teil des Chips fegt, weil das Gerät Metallstreifen als Elektroden verwendet, im Gegensatz zu schärferen Spitzen – obwohl sie nicht genug Luftdruck erzeugt, um den Chip ohne Hilfe eines Lüfters zu kühlen.
Die Ionenbrise steht im harten Wettbewerb mit anderen experimentellen Chip-Kühltechniken. Computerhersteller haben vor kurzem damit begonnen, die Flüssigkeitskühlung zu erforschen, bei der eine Pumpe Wasser oder eine andere Flüssigkeit durch Rohre drückt. (Die Mac Pro-Computer von Apple verwenden dieses System.) Aber die meisten Flüssigkeitskühlsysteme sind kompliziert und erhöhen die Herstellungskosten; das Purdue-Gerät könnte eine billigere Alternative darstellen. Unsere Erfindung ermöglicht es uns, die Leistung der Luftkühlung zu erweitern, ohne auf aggressivere und teurere Methoden wie Flüssigkeitskühlung umsteigen zu müssen, sagt Garimella. Gleichzeitig fügen wir kein zusätzliches Volumen hinzu.
Ein Ansatz mit geringerem Volumen für die Flüssigkeitskühlung kann jedoch von Cooligy , mit Sitz in Mountain View, Kalifornien. Das Unternehmen entwickelt eine von der Stanford University lizenzierte Mikrokanal-basierte Kühltechnologie. Die Technologie ist eine kleinere On-Chip-Version des Pump-and-Pipe-Verfahrens zum Umwälzen von Flüssigkeiten. In Cooligys Gerät zirkuliert Kühlflüssigkeit durch winzige Kanäle, die in eine Siliziumschicht eingearbeitet sind, die sich auf einem Computerchip befindet.
Girish Upadhya, Direktor für Anwendungstechnik bei Cooligy, lobt vorsichtig die Ionen-Brise-Kühlung, die er als einen einzigartigen Ansatz bezeichnet, der spezifische Anwendungen bei der Punktkühlung haben kann. Er vermutet jedoch, dass sich das Purdue-Gerät als schwierig in Computerchips integrieren könnte. Der schwierige Teil besteht darin, mit einem solchen Ansatz ein bestimmtes Produkt zu entwickeln, sagt Upadhya.
Intel, das mit den Purdue-Forschern zusammengearbeitet hat, hält sich seine Optionen offen. Das Unternehmen hat auch mit Forschern der University of Washington in Seattle an einem ähnlichen Ionenpumpenansatz gearbeitet. (Siehe Winzige Pumpe kühlt Chips .)
Garimella ist jedoch zuversichtlich, dass das Purdue-Gerät praktische Anwendungen ergeben wird. Zunächst müssen die Forscher es jedoch kleiner und robuster machen. Das Gerät befindet sich im Millimeterbereich, und wir arbeiten daran, es auf die Skala von mehreren zehn Mikrometern zu reduzieren, sagt Garimella. Ein kleineres Gerät, sagt er, könne die gleiche Kühlwirkung mit niedrigeren Spannungen erzielen. Und das, fügt er hinzu, würde die Technologie kommerziell rentabel machen.