Auf der CEBIT hat das IBM Forschungslabor Zürich der Bundeskanzlerin Angela Merkel einen dreidimensionalen Chipaufbau vorgestellt, der durch lediglich 50 Mikrometer dünne Wasserkanäle gekühlt wird. Diese Art, Chipmodule zu kühlen, wurde zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM im Rahmen einer gemeinsam betreuten Promotion entwickelt und könnte zukünftig ganze Supercomputer auf Würfelzuckergröße schrumpfen lassen.

Anlässlich der diesjährigen CeBIT-Eröffnung überreichte IBM-Chef Sam Palmisano Bundeskanzlerin Angela Merkel den ersten Prototypen eines solchen Chip-Stapels. Der dreidimensionale Aufbau von Computerchips wird seit einigen Jahren verfolgt, um noch weitere Leistungssteigerungen auf Prozessorebene zu erzielen. Dabei werden nicht nur die Grundflächen der Chips reduziert, sondern auch die Datenverbindungen der Chipebenen untereinander können kürzer und damit schneller ausfallen. Einziges Problem: die gestapelten Rechenwunder sind zwar kleiner als ihre ungestapelten Konkurrenten, werden aber während ihres Betriebs extrem heiß. Herkömmliche Kühlerlösungen geraten deshalb schnell an ihre Grenzen. Der Durchbruch gelang IBM durch die enge Kooperation mit dem Berliner Fraunhofer IZM und der TU Berlin, die sich auf das thermische Management und die Zuverlässigkeit von Chiparchitekturen spezialisiert haben*.

Die nun von IBM vorgestellte Technologie basiert auf einem Wasserkühlsystem. Der Trick: Nicht der fertige Stapel wird von außen abgekühlt, sondern haarfeine Kühlleitungen werden in den Chipaufbau integriert. Eine besondere Schwierigkeit dabei ist der Elektronikaufbau, bei dem die winzigen Kühlkanäle die bestehenden zigtausend elektronischen Datenverbindungen umgehen müssen. Und noch einen Vorteil bietet die direkte Integration einer Wasserkühlung in den 3D-Chip: Dieses Entwärmungskonzept ist skalierbar, d.h. im Prinzip können beliebig viele Chips übereinander adaptiv an die jeweilige Leistungsverteilung auf den einzelnen Chips gekühlt werden. Der Prototyp erreicht eine Leistung von 180 Watt/cm² und bringt damit erstmals die erforderliche Leistung auf, um derart komplexe Architekturen ausreichend zu kühlen.

Angela Merkel zeigte sich beeindruckt, nahm den Prototypen dankend entgegen und konnte sicher sein, ein kleines – gut gekühltes – Stück IT-Zukunft mit nach Hause zu nehmen.

*Entwurf und Aufbau des 3D-Kühlungsprinzips basieren auf der Dissertation „Interlayer cooling of 3D-chip stacks“ von Dr. Thomas Brunschwiler bei IBM Research – Zürich, der von Prof. Herbert Reichl, Prof. Bernhard Wunderle sowie Dr. Hermann Oppermann vom Fraunhofer IZM betreut wurde.