Diamantkühlung

[Sweepi]

Hi Forum,


Für Physik- und Chemie(?)-Enthusiasten ist es ein alter Hut, aber Diamant stellt das als das "beste vom Besten" Wärmleitmaterial bekannte Kupfer (oder für Snobs: Silber*) bei weitem in den Schatten (https://www.diamond-materials.com/cvd-diamant/thermisch/).

Mit 2000 W/mK übertrifft sie den Wert von Kupfer um das Fünffache.

in W/mk
Stoff | 0 C | 100 C
Diamant | 2300 | 1550
Silber | 430 | 425
Kupfer | 400 | 395


Wenn man so will ist das nicht überraschend, der beste Wärmleiter ist Graphen (>5000 W/mk), und Diamant ist "mehrlagiges"** Graphen.

PCGH hat einen Artikel zu Server-GPUs mit Diamanteinanteil im Halbleiter:
https://www.pcgameshardware.de/Grafikkarten-Grafikkarte-97980/News/Diamond-Cooling-GPUs-1459642/

Für mich jedoch die viel spannenderer Frage: Wann sehen wir den ersten Diamanten-DirectDie CPU/GPU Wasserkühlungs-Block?! :D
Die Energie muss ja "nur" vom vom Die zum Wasser, also kann es vergleichsweise dünn und leicht sein.
Diamant ist zudem elektrisch isolierend, extrem hart und ist immun gegen galvanische Korrosion (Kohlenstoff im Loop kann allerdings galvanische Korrosion bei anderen Materialien (sprich: Metallen) beschleunigen :freak:.)

Dafür spricht:
- ein deutlicher Trend zu mehr Verlustleistung / Quadratmillimeter Diefläche
- es scheint einen Markt für sehr teure Enthusiasten-Hardware zu geben
- Der Preis von künstlichen Diamanten ist im freien Fall:
https://www.forum-3dcenter.org/vbulletin/attachment.php?attachmentid=90241&stc=1&d=1731924916

https://www.forum-3dcenter.org/vbulletin/attachment.php?attachmentid=90240&stc=1&d=1731922890



https://www.paulzimnisky.com/Price-Evolution-of-Lab-grown-Diamond-2016-2023-Chart


PS:

*)
Manchmal gibt es im PC Bereich Kühler aus Silber zu erwerben. Da reines Silber sehr weich ist, werden jedoch fast immer 92,5% oder 95.8% Silberlegierungen verwendet. Bereits eine Legierung aus 97% Silber und 3% Kupfer leitet praktisch nicht besser als Kupfer von "üblicher Reinheit": 385 (https://www.electrical-contacts-wiki.com/index.php/Werkstoffe_auf_Silber-Basis) vs 380 (https://de.wikipedia.org/wiki/W%C3%A4rmeleitf%C3%A4higkeit) W/mk.
Leider bekommt man hier für ordentlich Aufpreis nicht einen geringen, aber theoretisch möglichen Vorteil (10-15% bessere Wärmeleitfähigkeit) sondern: Gar nichts :(
[abgesehen von ein paar Gram Silber]

**)
Stark, vll. schon unzulässig verkürzt.
Mehr Hintergrundwissen zu Diamanten:

https://cre.fm/cre218-diamanten

[Nightspider]

Ich verfolge das Thema seit einigen Jahren auch schon gespannt.

Diamant kann man nicht nur als Kühlerboden verwenden sondern auch als Wafer.
Erste Diamant-Wafer mit 100mm Durchmesser wurden schon erzeugt und 200mm sollen bald auch realisiert werden.

Die Kosten sollen sich sogar in gewissem Rahmen halten.

Erstmal sollen Siliziumchips abgeschliffen werden, ähnlich wie bei Zen 4 als Vorbereitung für den V-Cache und dann soll ein Diamant-Quader aufgesetzt werden der dem Siliziumplättchen Stabilität gibt und die Wärmeabfuhr drastisch verbessert.

In 5-10 Jahren will man es dann wohl schaffen direkt Halbleiterstrukturen in den Diamant-Wafer zu bekommen.

https://www.golem.de/news/bessere-waermeableitung-diamanten-fuer-dreimal-leistungsfaehigere-chips-2311-179135.html

https://www.elektronikpraxis.de/erster-100mm-diamantwafer-aus-einem-einzelkristalldiamanten-a-263c674740521bce8902acc299844410/

https://www.diamond-materials.com/unsere-produkte/scheiben-schichten-folien/scheiben-und-wafer/

[mboeller]

was anderes:

https://www.notebookcheck.com/Nanostruktur-kuehlt-Chips-zehnmal-besser-und-spart-riesigen-Strommengen.916804.0.html

[BlacKi]

das beste wäre sowieso das wasser direkt auf oder durch den Die zu leiten. frei nach der these, warum widerstand einbauen?

[mboeller]

das beste wäre sowieso das wasser direkt auf oder durch den Die zu leiten. frei nach der these, warum widerstand einbauen?

CPUs werden fast 100°C heiß (also so 90-95°C). Beim geringsten Druckabfall in den Leitungen bekommst du Dampf und damit jede Menge Probleme. Um das zu verhindern musst du die Wasserleitungen unter Druck setzen was wiederum andere Probleme verursacht.

Ersetze Wasser durch was anderes, Öl zB. das einen wesentlich höheren Siedepunkt hat. Dann funktioniert es gleich viel besser.

[Nightspider]

das beste wäre sowieso das wasser direkt auf oder durch den Die zu leiten. frei nach der these, warum widerstand einbauen?

Wasser ist kein guter Wärmeleiter.

Bei 20 °C weist Wasser eine Wärmeleitfähigkeit von 0,60 W/(m·K) auf. Zum Vergleich: Kupfer 394 W/(m·K) und Silber 429 W/(m·K).

Mit Diamant/Graphene usw bekommt man die Wärmeenergie schneller vom Chip weg und kann sie dann über eine größere Fläche an Wasser abgeben. Dafür sind ja dann die feinen Kühlerstrukturen im Kühler vorhanden, die mit Wasser in Berührung kommen.

[basix]

Diamant hätte schon einige Vorteile:
- Hot Spots werden entschärft
- Dünnere Wafer (hohe mechanische Stabilität), was zu einer nochmals besseren Wärmeabfuhr führt
- Integration mit Glas-Substraten und "Silicon Optics" wohl einfacher möglich als mit Silizium

das beste wäre sowieso das wasser direkt auf oder durch den Die zu leiten. frei nach der these, warum widerstand einbauen?
CPUs werden fast 100°C heiß (also so 90-95°C). Beim geringsten Druckabfall in den Leitungen bekommst du Dampf und damit jede Menge Probleme. Um das zu verhindern musst du die Wasserleitungen unter Druck setzen was wiederum andere Probleme verursacht.

Ersetze Wasser durch was anderes, Öl zB. das einen wesentlich höheren Siedepunkt hat. Dann funktioniert es gleich viel besser.

Dazu gibt es Research, z.B. von TSMC:
https://m.hexus.net/tech/news/cooling/148094-tsmc-reckons-intrachip-cooling-might-become-necessary-soon/
https://hexus.net/media/uploaded/2021/7/d93d6a4b-d472-4951-abe5-13ffe8fdb27d.jpg
https://hexus.net/media/uploaded/2021/7/6ce4d1e6-8739-4d80-b27e-85e4efabfba9.jpg

Hier werden nur an der Oberfläche Kühlstrukturen eingebracht. Das Thema Druck wäre damit kein Problem.

Und es würde sich mit dem "Diamanten-Ansatz" kombinieren lassen. Man ersetze das "Si-Lid" einfach mit einem Diamanten. Vielleicht ist das am Schluss sogar am einfachsten und ergänzt sich mit 3D-Stacking Verfahren (z.B. V-Cache):
- Normaler Si Wafer
- Wafer wird aufs Minimum abgeschliffen (20um?)
- Oben drauf kommt ein Diamant-Wafer mit diesen Kühlstrukturen
- Optional 1: Heatspreader mit eingebauter Vapor-Chamber drüber
- Optional 2: Keine Kühlstrukturen und herkömmlich kühlen (Direct Die bei GPUs oder mit Cu-Heatspreader). Wird immer noch besser kühlbar sein als Si.

Wenn der Wafer selbst aus Diamant besteht, wäre es natürlich das Optimum hinsichtlich thermischer Leitfähigkeit. Doch das wäre ein grösserer Eingriff in die ganzen Fertigungsprozesse

Edit:
Bei mehreren gestackten Chips könnte man dünne Diamant-Zwischenschichten einfügen. Diese dienen dazu, die Wärme der unteren Chips besser auf die Fläche zu verteilen. Zuoberst kommt dann wieder eine Diamantschicht und allenfalls diese Kühlstrukturen. Die Kilowatt Angaben oben gelten für einen 760mm2 Chip mit 540mm2 Heizfläche. Das ist also gut 3-4x mehr W/mm2 als das, was man heute erlaubt. Interessant wäre hier, wie viel kleiner man die thermischen Widerstände von "Bulk Si" (Wafer dünn schleifen) und "Si/Water" -> "Diamond/Water" hinkriegen würde.

[Badesalz]

Das ist nicht einfach so gewesen, wie die erwähnte mal abging und das weiterhiin tut :wink:
https://www.igorslab.de/oldies-but-goldies-innovation-cooling-ic-diamont-24-im-testund-ihrer-zeit-weit-voraus/

Allgemein bin ich aber auf Anhieb noch nicht hinter dem Sinn dessen gestiegen. Also so sehe ich das natürlich schon, aber ist das eine Entwicklung für Sam Altman usw.? Wir fahren jetzt schon bis zu 500W pro CPU-Sockel und 750W auf OAM/SXM.
Geschweige beim Consumer eine 4090 oder ein Threadripper...

Der ganze Aufwand jetzt, um? Die Kühlereinheiten können kleiner sein? Das senkt ja nicht die Ströme und mehr als all das oben erwähte (pro Sockel oder Steckplatz) will man eigentlich nicht betreiben.
Ich glaub, geht mit der gleichen Kühlung 700W auf CPU-Sockel und 1KW auf SXM, ist nicht die Stelle wo einen Betreiber der Schuh drückt. Der will sowas eigentich garnicht :freak:

Ggf. viele Switche könnten ohne Lüfter auskommen? Hmm...

[BlacKi]

CPUs werden fast 100°C heiß (also so 90-95°C). Beim geringsten Druckabfall in den Leitungen bekommst du Dampf und damit jede Menge Probleme. Um das zu verhindern musst du die Wasserleitungen unter Druck setzen was wiederum andere Probleme verursacht. die temperaturbereiche die du nennst, entstehen durch mangelhafte abführung der wärme, weil man einen widerstand einbaut. eigentlich sogar 3. wärmeleitpaste + heatspreader + wärmeleitpaste und dann wird erst das wasser erreicht.


bei wasser hat man keinen widerstand. dass das funktioniert sieht man auch an der8auers Aqua-Exhalare-System.
https://www.pcgameshardware.de/Nvidia-Geforce-Grafikkarte-255598/News/Aqua-Exhalare-20-der8auer-Titan-RTX-1280703/


und dieses system hadert mit der abführung vom Die dem abgeben der flüssigkeit an die aussenluft.


das kann man mit einem Direct Water on Die system, das ich mal selbst vorhatte zu bauen, ausmerzen. ich hab leider keine zeit dazu das umzusetzen.

[Badesalz]

@blacki
Ich hab z.B. auf der (B)H200 noch keine Heatspreader gesehen ;) Daukappen benutzt man nur da wo sie nötig erscheinen.

[Sweepi]

bei wasser hat man keinen widerstand. dass das funktioniert sieht man auch an der8auers Aqua-Exhalare-System.
https://www.pcgameshardware.de/Nvidia-Geforce-Grafikkarte-255598/News/Aqua-Exhalare-20-der8auer-Titan-RTX-1280703/


Ich stehe vermutlich auf dem Schlauch, aber das verlinkte System nutzt doch gar kein Wasser, sondern eine Flüssigkeit, welche bei 34 C verdampft?
Folglich "nutzt" es auch nicht die Wärmeleitfähigkeit von Wasser/dieser Flüssigkeit, sondern die Verdunstungskälte/Verdampfungsenthalpie.

Hat jemand zum Thema "effektive" Wärmeleitfähigkeit (aus Wärmeleitfähigkeit+Verdunstungskälte) ein Rechenbeispiel o.ä.?

[BlacKi]

ihr versucht lediglich vom thema abzulenken. mein beitrag zum thema war, das man den wärmeleitwiderstand auf 0 setzen sollte. wasser oder allgemein kühlflüssigkeit ist keine wärmeleitpaste und das war auch so nicht gemeint.

meine aussage war lediglich, die beste wärmeleitpaste ist keine. wasser direkt auf den Die.

Ich stehe vermutlich auf dem Schlauch, aber das verlinkte System nutzt doch gar kein Wasser, sondern eine Flüssigkeit, welche bei 34 C verdampft?

der grund für meine anführung war nur der punkt, das man keine heatspreader benötigt um die hitze zu verteilen. mehr nicht. nicht das projekt als ganzes.

[Sweepi]

. mein beitrag zum thema war, das man den wärmeleitwiderstand auf 0 setzen sollte. [...]

meine aussage war lediglich, die beste wärmeleitpaste ist keine. wasser direkt auf den Die.


der grund für meine anführung war nur der punkt, das man keine heatspreader benötigt um die hitze zu verteilen.

Ich verstehe leider immer noch nicht.
Afaik hat Wasser im Vergleich zu Metallen etc einen sehr schlechten Wärmeleitung (Faktor 500-1000*). Im Vergleich zu Luft einen sehr guten (Faktor 25).

Als Konsequenz kühlt man Systeme, bei denen viel Energie über eine kleine Fläche abgeben wird, dass auf die Hitzequelle ein Metallkörper gesetzt wird, der die Oberfläche stark vergroessert. Diese Oberfläche wird dann wiederum von Wasser gekühlt.
Wo liegt der postulierte Vorteil, den Die direkt mir Wasser zu kühlen?



*) Als kleinen Vorteil für das Wasser kann noch angeführt werden, dass es im Gegensatz zum Metall ständig erneuert wird.
Im günstigen Fall hat der Die 100 C, das Wasser 20 C, also ein Unterschied von 80 K. D.h. ab 99.84 C (<0.16 K Differenz Die <--> Metallkörper) leitet das Wasser besser, aber das ist ein Mood point, da natürlich der Metallkörper selbst auch (Wasser-) gekühlt wird.

[Gipsel]

Wenn man so will ist das nicht überraschend, der beste Wärmleiter ist Graphen (>5000 W/mk), und Diamant ist "mehrlagiges"** Graphen.Mal als Nitpick, "mehrlagiges Graphen" ist stinknormales und langweiliges Graphit (das ist ziemlich weich und was völlig Anderes als Diamant). Graphen/Graphit mit seinen 2D-Strukturen unterscheidet sich fundamental von der 3D-Diamant-Struktur (die Elektronenorbitale sind anders hybridisiert, sp² vs. sp³). Der einfachste Weg, um kleine Graphenstückchen zu Hause zu produzieren, ist schlicht einen Tesa-Film zu nehmen, den auf einen Graphitblock zu kleben und dann abzuziehen (am Tesa-Film bleiben dann ein paar kleine Fleckchen Graphen hängen).
Achja, und der allerbeste Wärmeleiter ist Helium bei Temperaturen unter 2,1K (ist eng verbunden mit der Superfluidität von Helium bei den Temperaturen, im gewissen Sinne wird das Helium zu einem thermischen Supraleiter [praktisch nicht ganz, aber oft nennt man Zahlen wie >100000 W/mK, also mehrere hundert bis 1000 mal besser als Kupfer]). Das benutzt man zum Kühlen supraleitender Beschleuniger oder auch der supraleitenden Magnete z.B. beim LHC am CERN (die laufen genau deswegen typischerweise bei ~1,8K, auch wenn das in den Beschleunigern und Magneten verbaute Niob schon bei ~9K supraleitend wird, man also naiv denken würde, daß das die Kühlkosten unnötig erhöht [1/5 der Temperatur bedeutet über den Daumen 5facher Energieaufwand für die Kühlung], der Vorteil der hohen Wärmeleitfähigkeit wiegt das aber wieder auf).

/OT

Übrigens mal so nebenbei, Heatpipes/Vaporchambers erreichen nominell auch deutlich höhere Wärmeleitfähigkeiten als massives Kupfer/Silber, und wenn richtig dimensioniert auch höher als Diamant. Und die sind deutlich billiger als Diamant, weswegen man deren Einsatz wohl häufiger sieht. ;)

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Als kleinen Vorteil für das Wasser kann noch angeführt werden, dass es im Gegensatz zum Metall ständig erneuert wird.Das ist kein kleiner Vorteil, das ist der Vorteil. Das ist der Unterschied zwischen passiver und aktiver Kühlung, natürlicher oder erzwungener Konvektion. Der Transfer mittels eines gut wärmeleitenden Interfaces bringt nur etwas, wenn die Kühlung durch die größere Oberfläche soviel besser wird, daß es den Wärmewiderstand des Interfaces überwiegt.

[bloodflash]

BTW:
Wenn man mit Diamanten einen ganzen Planeten kühlen kann, dann sollte eine CPU/GPU doch ein Klacks sein:
https://www.heise.de/news/Gegen-die-Erderwaermung-Diamantstaub-soll-den-Planeten-kuehlen-10045363.html
:biggrin:

[Sweepi]

Das ist kein kleiner Vorteil, das ist der Vorteil. Das ist der Unterschied zwischen passiver und aktiver Kühlung, natürlicher oder erzwungener Konvektion. Der Transfer mittels eines gut wärmeleitenden Interfaces bringt nur etwas, wenn die Kühlung durch die größere Oberfläche soviel besser wird, daß es den Wärmewiderstand des Interfaces überwiegt.

Ich glaube, mir fehlt hier essentielles Wissen:
Der Wärmeleitfähigkeit von Wasser ist wie gesagt vergleichsweise schlecht. Gibt es eine andere Kenngrosse von Stoffen "Wärmeaufnahmegeschwindigkeit bei direktem Kontakt"?

Anders gefragt: Wenn ich Stoff A mit einer Temperatur von X auf Stoff B mit Termperatur X + 50 stellen, von welchen Eigenschaften der Stoffe A und B hängt ab, wie langes es dauert, bis beide Kontaktflächen die gleiche Temperatur haben?


(Das die Aufnahmefähigkeit (Energie pro Grad K Differenz * Masse) von Wasser sehr hoch ist, ist mir bekannt.)

[Gipsel]

Ich glaube, mir fehlt hier essentielles Wissen:
Der Wärmeleitfähigkeit von Wasser ist wie gesagt vergleichsweise schlecht.Und irrelevant, weil das Wasser nicht steht und somit auch die Wärme nicht durchleiten muß. Entscheidender ist da der Wärmeübergangskoeffizient (https://en.wikipedia.org/wiki/Heat_transfer_coefficient), der beschreibt, wie gut Wärme von einer Oberfläche (z.B. dem Die) auf das Kühlmedium (Wasser, Luft, Öl) übertragen werden kann. Und der ist bei Oberflächen, über die Wasser gepumpt wird, typischerweise relativ hoch, insbesondere wenn es mit beträchtlicher Geschwindigkeit durch irgendwelche Mikrokanäle gepresst wird (je höher die Flußgeschwindigkeit, desto besser die Wärmeübertragung). Die hohe Wärmekapazität des Wassers unterstützt das noch, weil man dadurch mit einem deutlich geringeren Volumen an Kühlmittel auskommt (im Vergleich zu Luft z.B.), daß pro Zeiteinheit in Kontakt mit der zu kühlenden Oberfläche gebracht werden muß und es ermöglicht auch ein deutlich kleineres Interface, über das die Wärmeübertragung erfolgt (die zu kühlende Fläche kann also bei gleicher Kühlleistung kleiner sein oder die Kühlleistung wird größer).

[Platos]

Was denkst du, wäre eine Vaporchamber zwischen DIE und Wakü-Block besser als eine Direct-DIE kühlung mit selber Wakü? Angenommen die Wakü hätte einen Block, dessen Fläche auch genug gross ist, so dass die Vaporchamber auch was nützt.

[Gipsel]

Was denkst du, wäre eine Vaporchamber zwischen DIE und Wakü-Block besser als eine Direct-DIE kühlung mit selber Wakü? Angenommen die Wakü hätte einen Block, dessen Fläche auch genug gross ist, so dass die Vaporchamber auch was nützt.Nein. Vaporchambers oder auch Heatpipes sind optimal, um Wärme relativ weit zu transportieren, z.B. weil man den eigentlichen Kühler (Wärmetauscher) woanders haben will oder man viel Fläche für einen Luftkühler benötigt. Ein paar hundert Watt von weniger Quadratzentimetern sind am besten mit einer Direct-Die-WaKü bedient. Am besten natürlich, wenn deren (Mikro-)Kanäle halbwegs auf die Die-Größe untendrunter zugeschnitten sind. Die Vergrößerung der Fläche durch eine Vaporchamber hilft bei Wasserkühlung nicht (oder viel zu wenig, um die zusätzlichen Interfaces zu kompensieren), weil die Wasserkühlung auch große Wärmemengen von einer kleinen Fläche abführen kann. Bei einer Luftkühlung ist das anders.

[BlacKi]

Ich verstehe leider immer noch nicht.
Afaik hat Wasser im Vergleich zu Metallen etc einen sehr schlechten Wärmeleitung (Faktor 500-1000*). Im Vergleich zu Luft einen sehr guten (Faktor 25).

Als Konsequenz kühlt man Systeme, bei denen viel Energie über eine kleine Fläche abgeben wird, dass auf die Hitzequelle ein Metallkörper gesetzt wird, der die Oberfläche stark vergroessert. Diese Oberfläche wird dann wiederum von Wasser gekühlt.
Wo liegt der postulierte Vorteil, den Die direkt mir Wasser zu kühlen?


ich würde mal behaupten, gute wärmeleitpaste wird dort gebraucht wo die temperaturdifferenz besonders groß ist. das ist bei wasserkühlungen meist der fall, denn wasserkühlungen setzt man nicht bei einfach zu kühlenden flächen ein. soviel erstmal zu der ausgangsbasis.


als nächstes versuchst du herauszufinden was die optimale wärme abfuhr von den hitzequelle zum wasser sicherstellt. dazu verwendet man möglichst wärmeleitende materialien. aber genau hier setzt die Direct Water on Die methode an.


denn, statt nur den kupferboden eines wasserkühlers zu kühlen, ist es besser den Die selbst mit dem wasser in kontakt zu bringen. statt durch wärmeleitpaste durch zu müssen geht die wärme direkt ins wasser, und die pumpe kann dann das wasser sogar ohne zusätzliche durchflussminderung durch den kühler noch schneller wegbringen von der hitzequelle.


das kann man dann nachträglich noch weiter optimieren durch lasergravur auf dem Die, um eine höhere oberfläche zu erzeugen, so wie basix das mit den bildern gepostet hat.