Elektronischer Blutkreislauf für 3D-Computerchips
Ein Zusammenschluss von Schweizer Wissenschaftlern m?chte neuartige dreidimensionale Computerchips mit einem Fl¨¹ssigkeitskreislauf gleichzeitig k¨¹hlen und mit Energie versorgen. Pate stand dabei das menschliche Gehirn.
Leistungsf?higere Computer der Zukunft sollen nicht mehr wie heute aus zwei-, sondern aus dreidimensionalen Chips bestehen. Die Entwicklung hin zu solchen Chip-Stapeln ist daher vielversprechend, weil damit nicht nur die Chip-Grundfl?che reduziert, sondern auch die Datenverbindungen verk¨¹rzt und die Bandbreite f¨¹r die Daten¨¹bertragung um ein Vielfaches erh?ht werden kann. Allerdings erschweren zwei Herausforderungen die Entwicklung von komplexen 3D-Chips: Zum einen werden solche Chips extrem heiss, und es ist schwierig, die Hitze abzuf¨¹hren. Zum anderen ist die Energiezufuhr ¨¹ber den Chipsockel mit herk?mmlichen elektronischen Anschl¨¹ssen nicht ausreichend, um den Chip mit gen¨¹gend Energie zu versorgen.
Ein Zusammenschluss von Schweizer Wissenschaftlern unter massgeblicher Beteiligung von Forschern der ETH Z¨¹rich und unter der Leitung von IBM Research Zurich m?chte nun mit einem neuartigen Ansatz solche 3D-Chipstapel gleichzeitig k¨¹hlen und mit Energie versorgen. Sie lassen sich dabei vom Aufbau des menschlichen Gehirn inspirieren, das von feinsten Gef?ssen durchzogen ist, in denen zirkulierendes Blut sowohl k¨¹hlt als auch Energie an die Nervenzellen liefert. Das Gehirn ist rund 10'000-mal dichter und 10'000-mal energieeffizienter als die besten heutigen Computer.
Chip und Batterie verschmelzen zur Einheit
Die Wissenschaftler von IBM und der ETH Z¨¹rich haben unter anderem dank des Projekts Aquasar bereits mehrj?hrige Erfahrung mit wassergek¨¹hlten Computern (ETH Life berichtete). Ausserdem haben sie im Projekt CMOSAIC bereits erste Testsysteme f¨¹r die K¨¹hlung von 3D-Computerchips entwickelt, in denen Fl¨¹ssigkeit in haarfeinen Strukturen durch die einzelnen Schichten des Chip-Stapels geleitet wird. Basierend auf diesem System wollen die Forschenden im neuen Projekt mit dem Namen ?Repcool?, an dem auch Wissenschaftler des Paul Scherrer Instituts und der Universit?t der italienischen Schweiz beteiligt sind, auch die Energieversorgung ¨¹ber die Fl¨¹ssigkeitsschichten realisieren: Statt K¨¹hlfl¨¹ssigkeit soll im ?elektronischen Blutkreislauf? eine Elektrolytl?sung durch den Chip-Stapel fliessen. Damit sollen Elektronen von einer zentralen Elektrode zu dezentralen Empf?ngerelektroden auf den einzelnen Schichten im 3D-Stapel gelangen. Computerchip und Batterie verschmelzen so quasi zu einer Einheit.
Supercomputer in PC-Gr?sse
Ultimatives Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines Supercomputers in PC-Gr?sse: W?hrend heutige Supercomputer mit der Rechenleistung von einem PetaFLOPS (das sind eine Billiarde Rechenoperationen pro Sekunde) ein ganzes Schulzimmer f¨¹llen, soll die neue Technik dies in einem Volumen von 10 Liter erm?glichen. Um das zu erreichen, m¨¹ssen die einzelnen Elemente des 3D-Chips ¨C die Prozessorschichten, die Elektroden, Elektrolyte und die zwischen den einzelnen Schichten liegenden Membranen ¨C optimiert werden.
Die einzelnen Schichten des Stapels sind nur rund 100 Mikrometer d¨¹nn, was dem Durchmesser eines menschlichen Haares entspricht. ?Eine der Hauptschwierigkeiten des Projekts ist es, gen¨¹gend elektrische Leistung in diesen engen Raum zu bringen?, sagt Dimos Poulikakos, Professor am Institut f¨¹r Energietechnik der ETH Z¨¹rich. Die Leistungsdichte der batterieartigen elektrochemischen Fl¨¹ssigkeitszelle m¨¹sse gegen¨¹ber dem heute M?glichen auf mehr als das Zehnfache gesteigert werden.
?Das Beste aus Natur und Technologie vereinen?
Dazu arbeitet Poulikakos, dessen Projektbeitrag die Optimierung der Fliesseigenschaften der zirkulierenden Fl¨¹ssigkeit und die Stoff- und W?rme¨¹bertragung im Kreislauf ist, eng mit Thomas Schmidt, Professor am Laboratorium f¨¹r Physikalische Chemie der ETH Z¨¹rich und am Paul Scherrer Institut, zusammen. Schmidts Gruppe befasst sich mit der Verbesserung der elektrochemischen Eigenschaften der Fl¨¹ssigkeitszelle. Michele Parinello, Professor f¨¹r Computational Science an der ETH Z¨¹rich und an der Universit?t der italienischen Schweiz, erforscht Materialien auf der molekularen Ebene. In seinem Projektbeitrag geht es darum zu untersuchen, welche Materialien verwendet werden sollen, um die elektrochemischen Reaktionen an der Grenzfl?che von Fl¨¹ssigkeit und Chip zu verbessern. Am IBM-Forschungzentrum in R¨¹schlikon schliesslich arbeitet die Gruppe von Bruno Michel, Leiter Forschungsgruppe Advanced Thermal Packaging, an der Integration der diversen Systeme in einen Prototypen. Dort werden zudem die einzelnen Komponenten als auch das integrierte System getestet und optimiert.
?Wenn wir Wissen aus der Biologie mit unserer Expertise in Chiptechnologie verbinden, sind wir f?hig, effiziente und leistungsf?hige Computersysteme zu entwickeln, die das Beste aus Natur und Technologie in sich vereinen?, sagt Michel laut einer Medienmitteilung von IBM.
Dieser Text basiert auf einer Medienmitteilung von IBM.