Flüssigkühlung im Prozessor: Microsoft will Mikrofluidik salonfähig machen

Microsoft will Prozessoren mit Mikrokanälen in den Siliziumchips deutlich effizienter kühlen als bisher. In mehreren Testläufen hat die Firma die sogenannte Mikrofluidik für eigene Server ausprobiert: Zusammen mit einem ungenannten Fertigungspartner ätzt Microsoft Kanäle in die Oberseite der Chips. Durch sie fließt Kühlflüssigkeit, die ansonsten durch Kupferplatten (Coldplates) oberhalb eines Prozessors oder Beschleunigers läuft.

Kühlflüssigkeit direkt im Chip umgeht mehrere Wärmeübergänge: zwischen Chip und Kühlplatte sowie zwischen Kühlplatte und Wasser. In einem Beitrag geht Microsoft leider nur auf relative Verbesserungen ein: Die Wärmeabfuhr gegenüber bisheriger Wasserkühlung soll dreimal besser sein. „Der maximale Temperaturanstieg des Siliziums im Inneren einer GPU“ soll um 65 Prozent sinken.

Die aktuelle Mikrofluidik-Iteration soll von Pflanzenblättern inspiriert sein: Statt ein einheitliches Gatter in Chips zu ätzen, setzt Microsoft auf asymmetrische Kanäle. Die Anordnung soll Hotspots wie Rechenkerne nochmals besser kühlen. Die feinsten Kanäle sind etwa so breit wie ein Haar.

Altes Konzept

Hersteller forschen derweil schon seit Jahrzehnten an Kühlkanälen in Chips. IBM etwa veröffentlichte 2006 erste Forschungsarbeiten dazu. Bisher haderte es jedoch an der Umsetzung: Kühlsysteme müssen grundlegend umgestaltet werden, vor allem müssen sie direkten Kontakt zum Chip haben, drumherum aber gründlich abgedichtet sein. Mikrokanäle dürfen nicht durch Unreinheiten verstopfen. Chipauftragsfertiger wie TSMC müssen zudem ihre Produktion anpassen.

Das Thema kommt jetzt wieder auf, weil insbesondere bei KI-Beschleunigern die Energiedichte rasant ansteigt. Nvidias Blackwell-GPUs etwa überschreiten bereits die 1000 Watt; in den nächsten Jahren dürften die 2000- und 3000-Watt-Marken fallen.

Microsoft strebt Serienproduktion an

Bisher handelt es sich lediglich um Prototypen. Als Nächstes will Microsoft untersuchen, ob und wie sich die Mikrofluidik im großen Stil in die eigenen Chips integrieren lässt. Im Fokus stehen ARM-Prozessoren der Cobalt-Familie und KI-Beschleuniger der Maia-Familie, die TSMC für Microsoft herstellt. Im Idealfall könnten Partner ihre eigenen Chips ebenfalls umstellen, also etwa Nvidia. Bis es so weit ist, dürften allerdings mindestens noch Jahre vergehen.

Langfristig könnten Mikrokanäle die Kühlung in gestapelten Prozessoren erleichtern, schreibt auch Microsoft. Die Hitzeentwicklung ist eins der größten Probleme bei Stapelchips: Bei bisherigen Kühlsystemen muss die Abwärme der untersten Chips erst durch die oberen Lagen gehen, bevor sie abgeführt werden kann. Mikrokanäle im Chip könnten die parallele Kühlung mehrerer Chiplagen ermöglichen – sinnierte auch schon IBM im Jahr 2008. Die Umsetzung wäre allerdings noch komplizierter als bei normalen Prozessoren.

(mma)