Künstliche Intelligenz treibt die Rechenzentren an ihre thermischen Grenzen. Microsoft hat nun ein Kühlsystem auf Basis von Mikrofluidik vorgestellt, das die Hitzeentwicklung direkt im Silizium adressiert und bis zu dreimal bessere Ergebnisse liefern soll als bisherige Verfahren.

Foto: Dan DeLong für Microsoft Microsoft hat einen neuen Weg demonstriert, Silizium-Chips mithilfe von Mikrofluidik zu kühlen. Dabei werden Kanäle in das Silizium eingeätzt, durch die Kühlflüssigkeit direkt über den Chip fließt und Wärme effizienter abführt. Das Team nutzte zudem Künstliche Intelligenz, um die einzigartigen Wärmesignaturen eines Chips zu identifizieren und das Kühlmittel gezielter einzusetzen. Foto: Dan DeLong für Microsoft Sashi Majety, Senior Technical Program Manager bei Microsoft Cloud Operations and Innovation Foto: Dan DeLong für Microsoft Husam Alissa, Director of Systems Technology bei Microsoft Foto: Dan DeLong für Microsoft Judy Priest, Corporate Vice President und CTO bei Microsoft Cloud Operations and Innovation Künstliche Intelligenz braucht enorme Rechenleistung – und diese erzeugt enorme Mengen an Wärme. Chips der neuesten Generation werden zunehmend heißer, als es heutige Kühlsysteme abführen können. Microsoft hat nun eine neue Technik erprobt, die den Wärmestau im Kern des Siliziums verhindern soll: Mikrofluidik. Dabei wird Kühlflüssigkeit durch mikroskopisch feine Kanäle direkt im Chip geleitet. Erste Tests zeigen deutliche Effizienzgewinne und eröffnen Perspektiven für kompaktere, leistungsstärkere und nachhaltigere Datacenter-Infrastrukturen.

Flüssigkeit im Silizium

Bislang nutzen die meisten Rechenzentren Cold Plates – Kühlplatten, die auf den Chips aufliegen, aber durch mehrere Materialschichten von den eigentlichen Hotspots getrennt sind. Mit steigender Leistungsdichte stößt diese Methode an ihre Grenzen. „In spätestens fünf Jahren, wenn man immer noch stark auf herkömmliche Cold-Plate-Technologie setzt, ist man festgefahren“, warnt Sashi Majety, Senior Technical Program Manager bei Microsoft Cloud Operations and Innovation.

Die nun getestete Mikrofluidik-Technologie bringt die Kühlflüssigkeit direkt in den Chip. Auf der Rückseite des Siliziums werden Kanäle in Haarbreite eingeätzt, durch die das Kühlmittel strömt. Künstliche Intelligenz hilft dabei, die charakteristischen Hitzeprofile einzelner Chips zu erkennen und den Kühlstrom gezielt auf besonders belastete Bereiche zu lenken. In Labortests konnte so die maximale Temperatur im GPU-Silizium um bis zu 65 Prozent gesenkt werden.

Technische Hürden und Designfragen

Die Umsetzung ist komplex. Die Mikrokanäle sollten tief genug sein, um Kühlmittel zirkulieren zu lassen, gleichzeitig darf das Silizium nicht geschwächt werden. „Systemdenken ist entscheidend, wenn man eine Technologie wie Mikrofluidik entwickelt. Man muss die Wechselwirkungen über Silizium, Kühlmittel, Server und das Rechenzentrum hinweg verstehen, um das Beste daraus zu machen“, erklärt Husam Alissa, Director of Systems Technology bei Microsoft.

Zusätzlich mussten dichte Chip-Verpackungen, geeignete Kühlmittel und präzise Ätzverfahren entwickelt werden. Gemeinsam mit dem Schweizer Startup Corintis testete Microsoft auch bio-inspirierte Kanaldesigns, die den Verästelungen von Blättern oder Flügeln ähneln. Diese Strukturen ermöglichen eine effizientere Verteilung der Flüssigkeit über die gesamte Chipfläche.

Perspektiven für Datacenter und Chip-Designs

Die Technologie eröffnet neue Möglichkeiten: dichtere Serveranordnungen im Rechenzentrum, effizientere Nutzung von Abwärme und sogar neue Chip-Architekturen. „Mikrofluidik würde leistungsdichtere Designs ermöglichen, die mehr Funktionen bieten, die den Kunden wichtig sind, und bessere Leistung auf kleinerem Raum“, sagt Judy Priest, Corporate Vice President und CTO bei Microsoft Cloud Operations and Innovation.

Auch für Spitzenlasten – etwa zu Beginn von Microsoft Teams-Meetings – könnte Mikrofluidik Vorteile bringen. „Immer wenn wir Spitzenlasten haben, wollen wir übertakten können. Mikrofluidik würde uns erlauben, zu übertakten, ohne befürchten zu müssen, dass der Chip durchschmort, weil sie den Chip effizienter kühlt“, erklärt Jim Kleewein, Technical Fellow bei Microsoft 365 Core Management.

Microsoft plant, die Technologie in zukünftige Generationen seiner eigenen Chips – darunter Cobalt und Maia – zu integrieren und gemeinsam mit Fertigungspartnern weiterzuentwickeln. „Wir wollen, dass Mikrofluidik zu etwas wird, das alle einsetzen, nicht nur wir“, so Kleewein.