Mehr Datacenter-Effizienz über längeres Overclocking Microsoft: Mikrofluidik reduziert Chip-Erwärmung um zwei Drittel

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Flüssigkeitskühlung über Mikrokanäle direkt im Chip-Silizium senkt in Microsoft-Tests die Wärme-Entwicklung unter Vollast um zwei Drittel und ist deutlich performanter als gängige Cold Plates. Die Technologie soll in Microsoft-Chips und Partnerhardware zum Einsatz kommen. Langzeittests stehen noch aus.

Leistungsfähige Chips für KI-Workloads verändern die Anforderungen an Kühlung in Rechenzentren. Flüssigkeitskühlung wird zunehmend Pflicht. Darum, wie diese effizient und für große KI-Farmen skalierbar gestaltet werden kann, entspinnt sich ein hektischer Wettbewerb. Während Amazon auf bewährte Technologien mit besserer Skalierbarkeit setzt und Nvidia mit Partnern an der Alltagstauglichkeit von Immersionskühlung werkelt, verkündet Microsoft einen Durchbruch bei dem Einsatz von Mikrofluidik.

Kühltechnologie im Kleinen

Neue Technik, mehr Effizienz durch 3D-gedruckte Chipkühler

Dafür soll keine Cold Plate an den Chip angelegt werden. Stattdessen setzt Microsoft auf Mikrofluidik, eine Technik, die sehr Flüssigkeiten gezielt über mikroskopisch kleine Kanäle steuert. Konkret werden in die Rückseite des Chips in das Silizium selbst Mikrokanäle für die Kühlflüssigkeit in einem präzisen chemischen Verfahren durch die Erzeugung eines Hochfrequenzplasmas geätzt.

Der Verzicht auf Mittlerkomponenten steigert erwartbar die Effizienz der Kühlung signifikant. Wie stark dabei die Anforderungen an die Zusammensetzung der Flüssigkeit steigen, bleibt bislang unklar. Zudem muss so die Kühlung von Beginn an als Teil eines ohnehin hochkomplexen Chip-Designs projektiert oder nachträglich in bereits produzierte Chips eingearbeitet werden.

Microsoft berichtet, in den vergangenen zwölf Monaten an vier Iterationen der Kühlung das Design der Mikrokanäle abgestimmt zu haben. Diese sollten so tief wie möglich verlaufen, ohne das Silizium brüchig zu machen. Das Schweizer KI-Startup Corintis half Microsoft, Hotspots genauer abzubilden und die Kanalverlegung zu optimieren. Dabei sollen sich natürliche Muster, wie sie sich auf Blättern oder den Flügen von Schmetterlingen finden, am effizientesten für den Kanalverlauf erwiesen haben.

Bis zu drei mal performanter als marktgängige Cold Plates

Microsoft zufolge haben Labortests eine Reduzierung der Erhitzung des Siliziums einer GPU unter Vollast um bis zu 65 Prozent gezeigt, wobei die Ergebnisse je nach Chip und Arbeitslasttyp variieren. Dies sei im Schnitt eine um drei Mal bessere Leistung bei der Wärmeabführung als bei gängigen Cold Plates für Flüssigkeitskühlung. Zugleich seien mit Mikrofluidik höhere Eingangstemperaturen der Kühlflüssigkeit möglich.

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Der Markt für Flüssigkühlung in Rechenzentren

In einem Preprint eines noch nicht referierten und veröffentlichten Forschungsartikels betont ein Team aus Microsoft- und Corintis-Spezialisten Probleme früherer Ansätze mit Druckverlusten und Hotspots durch die von Corintis entwickelten Muster gelöst zu haben. Das im Frühjahr 2025 publizierte Preprint berichtet im Vergleich zur aktuellen Ankündigung etwas weniger spektakuläre Ergebnisse.

Zu dem Zeitpunkt ging es aber noch um nachträglich modifizierte CPUs statt spezielle GPU-Chip-Designs. Auf den Intel-Prozessoren „i7-8700K“ und „i9-9900K“ habe das Microsoft- und Corintis-Team mit gängigen Benchmarks eine um 55 Prozent geringere thermische Resistenz als bei gängigen Cold Plates und um bis zu 18 Grad niedrigere Hot Spot-Temperaturen im Vergleich zu Pin-Fin-Kühlkörpern erreichen können.

Mehr Effizienz durch längere Höchstleistung

Das System soll nicht nur selbst effizienter als andere Kühlleistungen sein, sondern auch den Bedarf an IT-Hardware für Lastspitzen verringern, da mit besserer Kühlung Chips schlicht länger mehr Leistung liefern können. „Immer wenn wir sprunghafte Workloads haben, möchten wir übertakten können“, erklärt der Microsoft-Ingenieur Jim Kleewein. „Mikrofluidik kann uns das Übertakten ermöglichen, ohne uns Sorgen zu machen, dass der Chip schmilzt“.

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Gerade KI-Workloads sind bekannt für ihre Leistungssprünge. Aber auch jenseits von KI-Leistungsspitzen soll der Einsatz von Mikrofluidik eine bessere Lastenverteilung im Rechenzentrum sicherstellen. So habe Microsoft die Kühlung mit simulierten „Microsoft Teams“-Workloads getestet, wo Calls üblicherweise zur ganzen oder halben Stunde starten und dann die Auslastung hochtreiben. Oft müssen Rechenzentren bislang für diese Spitzen ansonsten nicht genutzte Server bereithalten. Mit der effizienteren mikrofluiden Kühlung hingegen habe in Microsoft-Tests ein Server für die wichtigsten Dienste eines simulierten Team-Meetings länger im Overclocking-Modus die Höchstleistung ohne Bedarf an Entlastungsservern abrufen können.

Langzeittests stehen noch aus, zugleich großes Potenzial bei künftigen Chip-Generationen

Microsoft gibt keine Details zur eingesetzten Kühlflüssigkeit und zu den Betriebstemepraturen bei diesen Tests bekannt. Für die im Preprint aus Januar 2025 durchgeführten Tests mit Intel-CPUs nutzte das Team noch destilliertes und gefiltertes Wasser mit Zugabe von Inhibitoren gegen Korrosion und biologische Prozesse bei Eintrittstemperaturen von 21 und 34 Grad. Dabei habe das Team die Verbesserungen bei der Temperaturresistenz auch bei 34 Grad Eintrittstemperatur des Wassers erzielt.

Für die Serienproduktion sind spezielle Kühlflüssigkeiten wahrscheinlicher. Die Preprint-Autoren betonen, dass in jedem Fall mögliche Probleme mit Verstopfung, Erosion und Dichte im Langzeitbetrieb noch erforscht werden müssen.

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Der Redmonder Konzern verfolgt nun das Ziel, die mikrofluide Kühlung in künftige Generationen der unternehmenseigenen Chips einzubauen. Denn Microsoft arbeitet parallel an eigenen Prozessoren („Cobalt“) und KI-Beschleunigern („Maia“). Außerdem will Microsoft mit anderen Herstellern zusammenarbeiten, um Mikrofluidik breit in den eigenen Rechenzentren einzusetzen.

Zugleich plant Microsoft, die Mikrofluidik-Technologie weiterzuentwickeln. Künftige 3D-Chips, bei denen Transistoren und Schaltungen auch vertikal dicht gestapelt werden, müssen etwa eine besonders hohe Temperaturentwicklung bewältigen. Statt an der Chiprückseite zu kühlen, „könnten wir Flüssigkeit durch den Chip hindurch führen“, erklärt Ricardo Bianchini, Verantwortlicher für Compute Effizienz bei Microsoft Azure. Dafür sei aber eine nochmal komplexere Architektur nötig, bei der nicht Ritze, sondern zylindrische Stifte oder Säulen die Kühlflüssigkeit zwischen den dreidimensional gestapelten Chipkomponenten führen.

Forscher arbeiten seit mindestens 1981 an dem Ansatz, Kühlflüssigkeit über mikroskopische Kanäle an der Chipoberfläche zu leiten. Die Zahl der Publikationen und vorgestellten Prototypen hat in den letzten Zehn Jahren noch einmal zugenommen. IBM arbeitet an der Technologie und hat 2019 einen ähnlichen Ansatz patentiert. 2022 hat auch ein Microsoft-Team Forschungsergebnisse zum Einsatz mit Mikrofluidik-Kühlung an einem modifizierten handelsüblichen „Intel Core i7-8700K“-Prozessor veröffentlicht.

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