Canale Grande im 3D-Prozessor

Vor etwa einem Jahr hat IBM erstmals mehrlagige Prozessoren, sogenannte 3D-Chips, präsentiert. Bei ihnen liegen die verschiedenen Prozessor-Kerne und Caches nicht nebeneinander auf einer Fläche, sondern werden vergleichbar eines Sandwichs gestapelt. Die Vorteile: Die Chips benötigen weniger Fläche und werden deutlich leis­tungsfähiger. Denn «im Sandwich» sind gemäss Big Blue die Signalwege zwischen den einzelnen Komponenten nur ein Tausendstel so gross und ausserdem sind einhundertmal mehr Verbindungen möglich. Einen Nachteil haben die 3D-Chips aber: Wegen der grossen Wärme­entwicklung – IBM rechnet mit einem Kilowatt auf einem halben Kubikzentimeter Volumen – der einzelnen Lagen können sie mit herkömmlichen Kühlmethoden nicht vor dem Hitzetod bewahrt werden.



Forscher des IBM-Labors in Rüschlikon haben deshalb in Zusammenarbeit mit Kollegen vom Fraunhofer Institut in Berlin ein neues Verfahren auf Wasserbasis entwickelt, das die Ebenen einzeln kühlen kann. Es basiert auf Kanälen mit einem Durchmesser von
50 Mikrometern, was etwa der Dicke eines Haares entspricht, durch die Wasser gepumpt werden kann.

Die Herausforderung bestand gemäss der Wissenschaftler darin, die Kontaktbrücken zwischen den einzelnen Ebenen hermetisch abzuschliessen, sodass kein Wasser eindringen und für Kurzschlüsse sorgen kann. Sie haben dazu beim Herstellen der Verbindungen, was mittels Bohren oder Ätzen geschieht, nicht nur rundherum kleine Silizium-Wände stehen- gelassen, sondern sie mit einer zusätzlichen Schicht Silizium-Oxid isoliert. Da dieser Prozess eine sehr hohe Präzision von 10 Mikrometern erfordert, musste eine spezielle Dünnfilm-Löttechnik entwickelt werden.
Wirkungsvoll scheint die Technik jedenfalls zu sein. Bei einem Testchip mit einer Grösse von 4 Quadratzentimetern konnten die Wissenschaftler eine Kühlleistung von 180 Watt pro Quadratzentimeter und Ebene erreichen.