Optimierte Stromversorgung und Kühlung erlauben Supercomputer in PC-Größe

Der 3D-Chip nimmt Gestalt an

| Redakteur: Jürgen Sprenzinger

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adfadsfdasfdasf (Bild: Thomas Schlund)

Im Rahmen des „Sinergia-Programms“ fördert der Schweizerische Nationalfonds das Projekt „REPCOOL“. Unter der Leitung von IBM Research arbeiten an diesem Projekt Wissenschaftler der ETH Zürich, des Paul-Scherrer-Instituts in Villigen und der Universität Lugano an der Erforschung eines „elektronischen Blutkreislaufs“ für zukünftige 3D-Computerchips.

Vom menschlichen Gehirn inspiriert, entwickeln die Forscher ein Mikrokanalsystem mit einer elektrochemischen Flussbatterie, die 3D-Chipstapel gleichzeitig kühlen und mit Energie versorgen kann. Ultimatives Ziel ist die Entwicklung eines Supercomputers in PC-Größe.

Vorbild: das menschliche Gehirn

Dieser Ansatz nimmt sich den Aufbau und die Versorgung des Gehirns als Vorbild, das über Blutkapillaren einerseits gekühlt und andererseits mit Energie versorgt wird. Dadurch ist unser Gehirn rund 10.000-mal dichter und auch 10.000-mal Energie-effizienter als die besten existierenden Computer.

„Wenn wir das Wissen aus der Biologie mit unserer Expertise in Chip-Technologie verbinden, sind wir fähig, effiziente und leistungsfähige Computersysteme zu entwickeln, die das Beste aus Natur und Technologie in sich vereinen“, erklärt Bruno Michel, Leiter der Forschungsgruppe Advanced Thermal Packaging am IBM Forschungszentrum in Rüschlikon. Die Forscher seien überzeugt, dass mit ihrem Ansatz ein heutiger Computer mit einer Leistung von einem Petaflop/s von der Größe eines Schulzimmers auf die Größe eines durchschnittlichen PCs oder auf rund zehn Liter Volumen reduziert werden könne.

Bisher verdoppeln sich nach dem Mooreschen Gesetz etwa alle 18 Monate die Transistorenanzahl auf einem Chip und damit die Computerleistung – doch gleichzeitig wächst auch der Stromverbrauch. In den nächsten Jahrzehnten soll diese Entwicklung bis hin zu Zetascale-Systemen vorangetrieben werden. Solche Systeme sind in der Lage, zehn hoch 21 – (eine eins mit 21 Nullen) – Rechenoperationen pro Sekunde durchzuführen – rund 30.000-mal mehr als derzeitige Spitzensysteme. Basierend auf aktuellen Technologien würde ein solcher Supercomputer mehr als die heutige Weltproduktion an elektrischer Energie verschlingen.

Die Herausforderungen sind enorm

3D-Chiparchitekturen – dreidimensional aufeinander gestapelte Chips – bilden einen vielversprechenden Ansatz, um die Energie-Effizienz und Leistung von Computern zukünftig zu steigern. Diese Architekturen reduzieren die Chip-Grundfläche, verkürzen die Datenverbindungen und erhöhen die Bandbreite für die Datenübertragung im Chip um ein Vielfaches. Dabei bestehen aber zwei veritable Herausforderungen:

Zum einen tritt in komplexeren Chip-Stapeln eine extreme Hitze-Entwicklung von mehreren Kilowatt pro Kubikzentimeter auf – eine Leistungsdichte, die diejenige eines heutigen Verbrennungsmotors weit übertrifft. Zum anderen ist die Energiezufuhr über den Chip-Sockel mittels elektronischer Anschlüsse – den sogenannten „Pins“ – nicht mehr ausreichend, um die erforderliche Energie in den Chip-Stapel zu liefern.

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