Robert Klatt
Chips haben eine immer höhere Leistungsdichte und produzieren dadurch immer mehr Abwärme. Eine neue Zwei-Phasen-Kühlung übertrifft bisherige Kühlmethoden deutlich und kann in Zukunft dabei helfen, die Leistung von Prozessoren zu erhöhen.
Tokio (Japan). Das Mooresche Gesetz (Moore’s law) beschreibt, dass die Anzahl der Transistoren von Mikrochips sich bei minimalen Komponentenkosten regelmäßig verdoppelt und damit die Leistungsfähigkeit erhöht. Die zunehmende Leistungsdichte von Prozessoren und anderen Chips führt jedoch auch zu mehr Abwärme, die nur schwer abgeführt werden kann. Herkömmliche Kühlmethoden stoßen deshalb immer öfter an ihre Grenzen.
Viele heutige Chips nutzen zur Kühlung integrierte Mikrokanäle, durch die Wasser fließt, das die Wärme aufnimmt und abtransportiert. Die Methode stößt aber an ihre physikalische Grenze, konkret an die sensible Wärme von Wasser, also die Wärmemenge, die nötig ist, um Wasser zu erwärmen, ohne es zu verdampfen. Die latente Wärme, also die Energie, die Wasser beim Verdampfen oder Sieden aufnehmen kann, ist rund siebenmal höher.
Forscher der Universität Tokio haben laut einer Publikation im Fachmagazin Cell Reports Physical Science deshalb eine Kühlung entwickelt, bei der Wasser gezielt zum Verdampfen gebracht.
„Durch die Nutzung der latenten Wärme von Wasser kann eine Zwei-Phasen-Kühlung erreicht werden, die die Effizienz der Wärmeableitung erheblich steigert.“
Das Funktionsprinzip ist nicht grundsätzlich neu, konnte bisher aber nur schwer umgesetzt werden, weil vor allem die Steuerung der Dampfblasen nach dem Erhitzen komplex ist. Um die maximale Kühlleistung zu erreichen, sind unter anderem die Geometrie der Kanäle, die Flussregulierung und der hydraulische Widerstand entscheidend.
Die neue Kühlung der Universität Tokio nutzt erstmals eine Kombination aus kapillaren Elementen und dreidimensionalen Mikrokanalstrukturen. Um die maximale Kühlleistung zu erreichen, haben die Forscher zunächst unterschiedliche kapillare Designs entwickelt und ihre thermischen Eigenschaften erprobt. Dabei stellten sie fest, dass die Leistung des Kühlsystems vor allem durch die Form der Mikrokanäle und die Struktur der Verteilerschicht bestimmt wird.
Das finale Design der Zwei-Phasen-Kühlung erreicht eine rund siebenmal höhere Effizienz bei der Wärmeableitung als zuvor entwickelte Kühlungen. Die Kühlung erreicht damit einen neuen Rekord beim Leistungskoeffizienten (COP), also dem Verhältnis von Kühlleistung zur eingesetzten Energie.
„Das thermische Management von Hochleistungs-Elektronik ist entscheidend für die Entwicklung künftiger Technologien. Unser Design könnte neue Wege eröffnen, um die dafür nötige Kühlleistung zu erzielen.“
Laut den Forschern könnte die neue Kühlung in Zukunft dabei helfen, die Leistung von Mikrochips deutlich zu erhöhen.
Cell Reports Physical Science, doi: 10.1016/j.xcrp.2025.102520
