Kühltechnologie im Kleinen Neue Technik, mehr Effizienz durch 3D-gedruckte Chipkühler

Flüssigkühlung ist noch immer eher exotisch. Doch die Technik wird stetig weiterentwickelt, um sie für breitere Einsatzfelder fit zu machen. Jüngstes Beispiel: effiziente, platzsparende Kühlplatten aus dem 3D-Drucker.

Laut dem Borderstep Institut verbrauchten deutsche Rechenzentren 2022 rund 17,9 Milliarden Kilowattstunden (kWh) und damit mehr als die gesamte Stadt Berlin. 2010 waren es noch 11,8 Milliarden kWh – Tendenz weiter steigend. Da Rechner die meiste Input-Energie in Wärme umwandeln, stellt sich mehr denn je die Frage, wie diese Abwärme wegzubekommen ist.

Ganz abgesehen von der Frage, wie man die abzukühlenden Wärme anschließend nutzen könnte, ist es nicht unerheblich, dass das Kühlen selbst möglichst effizient erfolgt. Denn Überhitzung führt bei Chips zu Leistungsverlusten und am Ende dazu, dass sie ihren Geist ganz aufgeben beziehungsweise zumindest Lebensdauer einbüßen.

Der Kühlkörper sammelt die Wärme ein

Am unmittelbarsten wird die Effizienz der Chipkühlung von den Kühlkörpern beeinflusst, die die Wärme am Chip einsammeln und dann ableiten. Gerade hier gibt es neue Technik, die einen Schritt vorwärts bedeuten können.

Ein Beispiel dafür ist die monolithische, additive Fertigung ultradünner Kühlkörper mit neuartigen internen Strukturen. Entwickelt hat dieses Verfahren IQ Evolution aus Aachen.

Vom Laser zum Chip

Gründer und CEO Thomas Ebert ist Maschinenbauer. „Ich bin sehr früh auf die Möglichkeiten des 3D-Drucks bei der Erstellung von Kühlkörpern aufmerksam geworden und bei dem Thema geblieben.“

2016 gründete er seine Firma IQ Evolution, die sich zunächst auf 3D-gedruckte Kühlkörper für Laserdioden und andere Laserelemente fokussierte. Später kamen Kühlkörper für Leistungselektronik hinzu, insbesondere für die Automotive-Industrie. Ebert: „Dort gelten sehr hohe Anforderungen an die Kühlperfomance, die Fertigungsqualität und die Sicherheit von Bauteilen und dies bei sehr großen Stückzahlen.“

Reizvoller Datacenter-Markt

Nun nimmt Ebert den Rechenzentrumsmarkt aufs Korn. „Mit den steigenden Rechnerleistungen dürfte die Luftkühlung ihre Leistungsgrenzen erreichen, und dann ist Flüssigkühlung nötig“, sagt er. Tatsächlich schätzen die meisten Fachleute, dass spätestens bei 30 kW Rack-Leistung auch die leistungsfähigste Luftkühlung nicht mehr mit der Wärmelast fertig wird.

Doch nach Meinung von Ebert sind die heutigen Kühlkörper für Computerchips alles andere als optimal. „Die Fertigungsverfahren begrenzen die Vielfalt der möglichen Innenstrukturen. Nahtlose Elemente aus einem Stück lassen sich damit nur schwierig herstellen.“

Außerdem würden, so Ebert, solche Kühlkörper in der Regel subtraktiv gefertigt. Das heißt, aus einem Metallblock wird die gewünschte Form Stück für Stück herausgefräst. Mit entsprechenden Abfallmengen.

Verfahren fast ohne Abfall

IQ Evolution verwendet dagegen seit jeher das so genannte Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Dieses Verfahren lässt sich mit beliebigen Metallen durchführen. Dabei wird das Metallpulver flächig in einer sehr dünnen Schicht auf den Arbeitstisch aufgebracht. Dann wird es selektiv mit einem Laser belichtet.

Wo das Licht auf das Pulver trifft, schmilzt dieses genau da, wo sich später eine Wand oder Fläche befinden soll, verbindet sich mit den bereits vorhandenen Schichten und erstarrt hinterher wieder. Dann wird der Arbeitstisch um 20 Mikrometer abgesenkt, die gesamte Fläche wieder mit einer ebenmäßigen Pulverschicht bedeckt, und die nächste Schicht wird gedruckt.

Am Ende befinden sich die fertigen Bauteile im Inneren der Maschine. Da die Kühlkörper nur wenige Quadratzentimeter groß sind, werden immer mehrere gleichzeitig gefertigt.

Automatisierung beschleunigt den Druck

Je nach Größe und Anzahl der Bauteile dauert ein Druckjob zwischen wenigen Stunden und bis zu 15 Stunden. Zur Reduzierung der Dauer eines Baujobs mit vielen Bauteilen werden in der Serienfertigung Maschinen verwendet, in denen mehrere Laser parallel arbeiten.

Die Rüstzeiten sinken, weil die Bestückung und das weitere Handling der Maschinen vollautomatisch stattfinden. Insgesamt steigen so Kapazitäten.

Ultradünne Wände

Die Vorteile der Technologie sind beeindruckend: Die Kühlkörper, sonst oft recht massig, sind sehr dünn – die Wandstärken betragen oft nur 150 µm ( 1μm=10⁻⁶m oder 1 μm = 0,001 mm (ein Tausendstel Millimeter) bei einer Druckbeständigkeit von 60 bar. „Wir wollen das Kühlmittel immer so dicht wie möglich an die Wärmequelle bringen, ohne natürlich die Sicherheit zu beeinträchtigen“, erläutert Ebert. Die internen Strukturen können genau an den jeweiligen Kühlbedarf angepasst werden.

Das bedeutet: Soll ein Multicore-Prozessor gekühlt werden, können die kühlenden Strukturen direkt über den Cores leistungsfähiger ausgelegt werden als in den übrigen Bereichen des Chips. Auch bei der Form des Innenlebens geht IQ Evolution eigene Wege, die sich nach den Charakteristiken der jeweiligen Kühlaufgabe richten.

Begrenzungen der Form gibt es dank des verwendeten Verfahrens so gut wie nicht. Es ist sogar möglich, einen Kühlkörper direkt in Platinen zu integrieren.

Weniger Platzverbrauch

Diese Kühlkörper könnten im Rechenzentrum gleich mehrere vorteilhafte Effekte haben: Dass sie extrem flach sind, spart Platz, eine wertvolle Ressource in den Racks.

Wird die Wärme effizienter von den Chips abgeführt, bleiben sie kühler und können wahrscheinlich häufig mit einer höheren Taktrate betrieben werden, ohne zu überhitzen, sprich: schneller und mehr rechnen.

Mehr Rechen-Power, weniger Chips, keine Hilfsstrukturen, weniger Ventilatoren

Das kann in manchen Fällen sogar die Menge der notwendigen Rechenressourcen für die gleiche Rechenleistung beeinflussen. Außerdem steigert eine gleichmäßigere Chiptemperatur die Lebensdauer.

Weiter fallen bei der Produktion weniger Abfälle an. Reste des Pulvers lassen sich auch aus dem Inneren der Kühlkörper herausschütteln und unmittelbar weiter verwenden. Es wird immer nur das gedruckt, was für den Kühlkörper nötig ist.

Häufig benötigte Hilfsstrukturen, die für das eigentliche Bauteil überflüssig sind, werden hier aufgrund langjähriger Erfahrungen im Umgang mit dem Verfahren weitestgehend vermieden. Ventilatoren für Chips entfallen, so dass nur noch die für andere Bauteile bleiben.

Keine Angst vor neuen Konkurrenten

Noch sind die Verfahren von IQ Evolution patentgeschützt, allerdings ist Ebert nicht Bange vor dem Tag an dem diese auslaufen. Denn das Verfahren ist ein komplexes Zusammenspiel von Material, Struktur, der verwendeten Korngröße und Details des Belichtungsvorgangs.

„Es kommt bei unseren Kühlern sehr auf praktisches Know-how zum Fertigungsprozess an. Das haben wir uns in Jahrzehnten angeeignet, und das ist so schnell nicht aufzuholen. Wir sind froh, wenn mehr Hersteller auf die Technologie einsteigen. Der potentielle Markt ist riesig, und je mehr mitmachen, desto eher wird sich diese Technologie ausbreiten“, sagt Ebert optimistisch.

Skalierungsressourcen vorhanden

Bisher umfasste die größte von IQ Evolution produzierte Serie 2.500 Bauelemente pro Monat. Das dürfte kaum reichen, wenn das Unternehmen, wie geplant, in den Datacenter-Markt einsteigt. Erste Verhandlungen mit großen Playern im Rechnermarkt laufen, vorläufig allerdings noch nicht für die Ohren der Öffentlichkeit bestimmt.

Doch Ebert macht auch die Skalierungsfrage keine Sorgen. „Innerhalb von zwei Jahren können wir die Produktion auf Millionen-Stückzahlen skalieren.“ Der nötige Platz, entsprechende Maschinen aufzustellen und die nötigen Mittel, sie zu finanzieren, seien bereits vorhanden.

Threadripper schneller und kühler

Und auch erste Praxiserfahrungen mit Computerkühlung klingen positiv. So probierte IQ Evolution seine Kühlkörper aus, um einen normalerweise mit einem „Dynatron A 38“ gekühlten „AMD Ryzen Threadripper Pro“ zu kühlen.

Das Ergebnis: Mit dem neuen Kühlkörper passte das System auf eine Höheneinheit. Der Kühler „Flat Squirrel“ (siehe: Abbildung) konnte 310 Watt kühlen (Dynatron:275 W), der Chip hatte bei 4,3 Gigahertz (GHz) eine Temperatur von 44 Grad (Dynatron: 4 Ghz/75 Grad).

Auch preislich sei sein Angebot konkurrenzfähig, betont Ebert. „Unsere Kühler kosten nicht mehr als andere, leisten aber mehr. Schon jetzt konnten 2 kW pro Kühler nachgewiesen werden“, sagt er. Zusammen mit den oben genannten Vorteilen sei das ein sehr attraktives Paket. Derzeit sucht Ebert weitere Kooperationspartner, um seine Kühlkörper-Monolithen im Rechenzentrumsmarkt zu verankern.

Metall-3D-Druck auf Keramik

Technisch läuft die Entwicklung bereits weiter. Ebert: „Es hieß immer, Metallstrukturen ließen sich nicht direkt auf Keramik drucken. Wir können das aber dank der Genauigkeit unserer Prozesse.“

Damit ließe sich der Kühlkörper direkt außen am Chipgehäuse befestigen – mit stabiler Durchkontaktierung zur Metallschicht und ohne die Keramik zu beschädigen. Das würde gegebenenfalls neuartige Strukturen ermöglichen.

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