Neue Kühlkörper für mehr Computer-Leistung

Es wird Computer und vor allem KI-Hardware wesentlich effizienter arbeiten lassen, sagen die Forscher. Denn es transportiert für Mikroprozessoren äusserst schädliche Wärme fast dreimal schneller ab als Kupfer. Es handelt sich um Tantalnitrid, dem die Entwickler eine besondere Struktur verpasst haben.

Schwache Wechselwirkungen

Das neue Material ist wie ein hexagonales Gitter aufgebaut. Im englischen Sprachgebrauch wird es "metallic theta-phase tantalum nitride" genannt. Mithilfe von Molekülstrukturanalysetechniken wie synchrotronbasierter Röntgenstreuung und ultraschneller optischer Spektroskopie haben die Forscher ungewöhnlich schwache Elektron-Phonon-Wechselwirkungen in dieser spezifischen Konfiguration von Tantalnitrid gefunden. Dies ermöglicht einen hocheffizienten Wärmefluss.

Angesichts des grossen Fortschritts der KI-Technologien stossen herkömmliche Metalle wie Kupfer als Baustoff für Kühlkörper bei der Wärmeableitung an ihre Leistungsgrenzen. Zudem wird die weltweit starke Abhängigkeit von Kupfer zu einem kritischen Problem", so UCLA-Forscher Yongjie Hu. Kupfer dominiert derzeit den globalen Markt für Kühlkörper. Es hat eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 400 Watt pro Meter und Kelvin (W/mK). Das Spezial-Tantalnitrid erreicht 1.100 W/mK.

Innovativer Wärmetransport

In metallischen Werkstoffen wird Wärme sowohl durch frei bewegliche Elektronen als auch durch atomare Schwingungen, sogenannte Phononen, transportiert. Starke Wechselwirkungen zwischen Elektronen und Phononen sowie Phonon-Phonon-Wechselwirkungen begrenzen die Effizienz des Wärmeflusses. Diese Wechselwirkungen werden durch die besondere Struktur des neuen Materials minimiert, sodass die Wärme leichter abfliessen kann.

Als führender Wissenschaftler im Bereich des thermischen Managements in der Elektronik war Hu 2018 Vorreiter bei der Entdeckung von Borarsenid. Dieses Material weist ebenfalls eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Später kamen Galliumnitrid-Bauelemente mit Borarsenid hinzu. Mit Tantalnitrid hat er sich nun selbst übertroffen. (pressetext.com)