In-Chip-Mikrofluidik Kühlung direkt im Chip soll bis zu dreifach bessere Wärmeabfuhr bieten

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Microsoft zeigt Kühlkanäle, die direkt in die Rückseite des Chips geätzt sind. Die Mikrofluidik führt das Kühlmittel gezielt an Hotspots und senkt die Temperaturspitzen deutlich. Der Konzern prüft die Integration in künftige Eigenchips und spricht von einem realistischen Weg in Richtung Rechenzentrum.

KI‑Server laufen heiß. Mit jeder GPU‑Generation steigen TDP und Leistungsdichte, klassische Kaltplatten stoßen absehbar an Grenzen. In Microsofts Laboraufbau zirkuliert Kühlmittel durch fein strukturierte Kanäle im Silizium. Gemessen wurde eine bis zu dreifach höhere Wärmeabfuhr im Vergleich zu Kaltplatten. Teil der Versuche war ein Teams‑naher Workload. Die Geometrie der Kanäle entstand mit Unterstützung von Corintis, das Topologien per KI auf lokale Hotspots optimiert. Microsoft nennt außerdem 65 Prozent weniger maximale Temperaturerhöhung im GPU‑Silizium.

Mikrofluidik würde leistungsdichtere Designs erlauben, die mehr für Kunden relevante Funktionen ermöglichen und auf kleinerem Raum eine bessere Leistung bringen. „Wer weiterhin stark auf klassische Kaltplattentechnik setzt, kommt nicht weiter“, sagte Sashi Majety von Microsoft.

Status quo mit Kaltplatten: Zukunft vs. Heute

Heute dominiert Direct‑to‑Chip‑Flüssigkühlung mit Kaltplatten und einphasigem Wasser‑ oder Wasser‑Glykol‑Kreislauf in Hyperscaler‑ und zunehmend auch Colocation‑Umgebungen. Zwei-Phasen-Systeme ohne Wasser, etwa Zutacore, setzen auf kochende Dielektrika und adressieren deutlich höhere Chiplasten. Immersionskühlung legt komplette Server in ein Dielektrikum und skaliert thermisch stark, verlangt aber andere Servicemodelle und Infrastruktur.

Auf Packaging‑Ebene zeigen Foundries bereits siliziumintegrierte Kühler. TSMC etwa erprobt fusion‑gebondete Silizium‑„Lids“ mit Mikrokanälen (IMC‑Si), die Warmwasser erlauben und Kilowatt‑Leistungen je Bauteil abführen. Microsofts Ansatz zielt in die gleiche Richtung, rückt aber den Betreiberblick in den Vordergrund: Kühlung näher an die Verlustquelle, geringere thermische Widerstände (weniger TIM‑Schichten, kein klassischer Heatspreader) und dadurch höhere Eintrittstemperaturen des Kühlmittels.

Hürden: Fertigung, Service, Zuverlässigkeit

Die Idee ist nicht neu, der Schritt eines Hyperscalers mit konkreten Kennzahlen schon. Die eigentliche Arbeit liegt in der Industrialisierung: Mikrokanäle im Die oder in einem Silizium‑Lid verlangen stabile Ätz‑ und Bond‑Prozesse, strenge Partikelkontrolle und verlässliche fluidische Anschlüsse auf Package‑Ebene. Dienstbarkeit im Feld braucht Filtration, Leckerkennung, Korrosions‑ und Materialverträglichkeit sowie Monitoring gegen Erosion und Verstopfung. All das muss über Jahre sicher laufen – in Racks mit wachsender Leistungsdichte.

Auch die Metrik verschiebt sich. PUE allein greift zu kurz, wenn Kühlung in das IT‑Gerät wandert. Betreiber schauen stärker auf TUE/ITUE, auf die mögliche Anhebung der Vorlauftemperaturen und auf nutzbare Abwärme. Mikrofluidik direkt am Silizium kann hier einen Hebel liefern, weil höhere Eintrittstemperaturen wirtschaftlichere Rückkühlung und Wärmerückgewinnung begünstigen.

Dampfgekühlte Mikrokanäle

Ein eingebettetes 3D-Mikrokanalsystem für bessere Kühlung von Hochleistungschips

In Japan wird an Ähnlichem geforscht

Ein jüngst in Elektronikpraxis besprochenes Konzept aus Japan (Universität Tokio) verfolgt dieselbe Grundidee: Mikrokanäle im oder am Silizium. Dieses setzt jedoch auf ein zweiphasiges Regime: Wasser verdampft in einer eingebetteten 3D‑Kapillarstruktur direkt an den Hotspots. Das verspricht sehr hohe lokale Wärmeübergänge, basiert aber bislang auf Laboraufbauten und akademischen Prototypen.

Microsoft zeigt demgegenüber ein einphasiges System mit rückseitig geätzten Kanälen, optimierter Verteilung und einem klar adressierten Datacenter‑Kontext. Die dort genannten Vergleiche beziehen sich explizit auf heute übliche Kaltplatten, während die japanische Arbeit ihre Effekte gegenüber „herkömmlichen Methoden“ und mit Labor-Kenngrößen einordnet.

Beide Ansätze tragen die Kühlung näher an die Quelle; die zweiphasige Variante zielt auf maximale Leistungsdichte, die einphasige auf Integrationspfad, Servicefähigkeit und Vorlauftemperaturen. Für die Praxis zählt, ob Packaging, Dichtigkeit und Wartung über Jahre beherrschbar sind. Hier liefert Microsoft den greifbareren Pfad, während die japanische Lösung das theoretische Potenzial zeigt.

Was für Betreiber zählt

Kurzfristig bleibt D2C mit Kaltplatten der Standard, weil Retrofit und Betrieb erprobt sind und die Lieferkette steht. Zweiphasige Lösungen und Immersion erweitern die Optionen, wenn einzelne Chips oder ganze Racks über die einphasigen Grenzen hinausgehen. Mikrofluidik im oder am Die schafft zusätzlichen Spielraum: Sie entlastet Hotspots, erlaubt engere Leistungsbudgets und kann die Packungsdichte im Rack erhöhen, ohne extreme Kaltwassersätze zu verlangen. Der Preis dafür ist höhere Integrations‑ und Servicekomplexität sowie die Notwendigkeit, Packaging und Facility enger zu verzahnen.

Ausblick: Kühlmedium, Servicekonzept und Zeitplan

Microsoft positioniert Mikrofluidik als Kandidat für künftige Eigenchips und will mit Fertigungspartnern einen Pfad in Richtung Rechenzentrum erarbeiten. Offene Punkte bleiben: Handelt es sich im Zielzustand um geätzte Kanäle im aktiven Die oder um ein gebondetes Silizium‑Lid? Welches Kühlmedium ist geplant, deionisiertes Wasser oder ein Dielektrikum, und mit welcher Additivierung und Lebensdauer? Wie sieht das Servicekonzept für Filter, Sensorik und Leckage‑Detektion auf Package‑Ebene aus?

Einen Zeitplan nennt Microsoft nicht. Klar ist jedoch: Steigende Chip‑Lasten erzwingen Kühlung (noch) näher an der Quelle. Wer Leistungsdichte und Abwärmenutzung ausbauen will, benötigt Lösungen jenseits klassischer Kaltplatten: Mikrofluidik gehört nun sichtbar auf diese Liste. (mc)

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