DE112011102577B4 - An integrated circuit module with electrochemical power supply, computer system, comprising an integrated circuit module with electrochemical power supply and method of operating the same - Google Patents

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Abstract

Integriertes Schaltungsmodul (10a bis 10n), das aufweist: – eine Schichtstruktur mit: – Elektroden (17), die auf einer Schicht (11, 16) davon angeordnet sind; und – integrierten Schaltungen (16), die mit den Elektroden in elektrischer Verbindung stehen, und – einen oder mehrere Flüssigkeitskreislaufabschnitte (19, 19', 191', 192'), die jeweils dazu eingerichtet sind, zumindest eine jeweilige Elektrolytlösung (29, 29', 29'') mit löslichen elektroaktiven Spezies darin aufzunehmen und der Lösung zu ermöglichen, mit zumindest einigen der Elektroden (17) in Kontakt zu treten, um die integrierten Schaltungen im Betrieb mit Leistung zu versorgen und, wobei zumindest der eine Flüssigkeitskreislaufabschnitt (19, 19', 191', 192') oder einer der mehreren Flüssigkeitskreislaufabschnitte (19, 19', 191', 192') gemäß einer entsprechenden Elektrolytlösung konzipiert ist, um die integrierten Schaltungen im Betrieb abzukühlen.An integrated circuit module (10a-10n) comprising: a laminated structure comprising: electrodes (17) disposed on a layer (11, 16) thereof; and - integrated circuits (16) in electrical communication with the electrodes, and - one or more liquid circuit sections (19, 19 ', 191', 192 ') each adapted to receive at least one respective electrolyte solution (29, 29 ', 29' ') having soluble electroactive species therein and allowing the solution to contact at least some of the electrodes (17) to power the integrated circuits and at least one liquid circuit section (19 19 ', 191', 192 ') or one of the plurality of fluid circuit sections (19, 19', 191 ', 192') is designed in accordance with a corresponding electrolyte solution to cool the integrated circuits during operation.

Description

GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION

Die Erfindung bezieht sich auf integrierte Schaltungsmodule mit elektrochemischer Leistungsversorgung, wie sie z. B. in Computersystemen wie beispielsweise einem Rechenzentrum bereitgestellt werden. Insbesondere bezieht sie sich auf ein integriertes Schaltungsmodul, das über Elektrolytlösungen mit löslichen elektroaktiven Spezies mit Leistung versorgt wird, um z. B. integrierte Schaltungen des Moduls mit Leistung zu versorgen. In Übereinstimmung damit betrifft die Erfindung des Weiteren ein Computersystem, das mit solchen Schaltungsmodulen ausgestattet ist, und ein Verfahren zum Betreiben desselben.The invention relates to integrated circuit modules with electrochemical power supply, as z. In computer systems such as a data center. In particular, it relates to an integrated circuit module which is powered by electrolyte solutions with soluble electroactive species to provide e.g. B. to power integrated circuits of the module with power. In accordance therewith, the invention further relates to a computer system equipped with such circuit modules and a method of operating the same.

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Die Erhöhung der Integrationsdichte in planaren integrierten Schaltungen (integrated circuits, ICs) führt zu einer Verringerung von Strukturgrößen und zu einer dichteren Packung von Komponenten. Wenngleich die Schaltgeschwindigkeit von Transistoren von dieser Entwicklung profitiert, steigt die Verzögerungszeit aufgrund von Verdrahtungen auf dem Chip beträchtlich und begrenzt die Leistungsfähigkeit von ICs insgesamt.Increasing the integration density in planar integrated circuits (ICs) leads to a reduction of feature sizes and a denser packing of components. Although the switching speed of transistors benefits from this development, the delay time due to on-chip wiring significantly increases and limits the overall performance of ICs.

Bekanntlich verringert die dreidimensionale (3D-)Integration von ICs die Verdrahtungslänge erheblich, indem vertikale Pfade für die Signal- und Leistungsübertragung bereitgestellt werden. Die Stapelmethode ist hochgradig modular und ermöglicht die Integration unterschiedlicher Technologien in einem einzigen Kubus und stellt eine erhebliche Verbesserung der Bandbreite durch Stapeln von Cachespeicher auf Prozessoreinheiten bereit. Demgegenüber sind für die 3D-Integration eine höhere Leistung pro Flächeneinheit und Verbindungsstifte erforderlich. Ein weiteres Problem besteht in dem hohen Kühlungsbedarf pro Flächeneinheit. Siliciumdurchkontaktierungen (through-silicon vias, TSVs) sind ein bedeutender Aspekt der 3D-Integration; sie stellen eine vertikale Signal- und Leistungsübertragung bereit, verringern jedoch die aktive Siliciumoberfläche und führen zu übermäßiger Verdrahtung. Das Ausmaß vertikaler Integration wird durch die akkumulierte Leistungsdichte erheblich beschränkt, sodass mehr als zwei Schichten einer gestapelten Hochleistungslogik nicht leicht gekühlt werden können und nicht mit ausreichend Leistung versorgt werden können. Es sind skalierbare Lösungen zum Kühlen großer Anzahlen von gestapelten Prozessoren aufgezeigt worden. Es bleibt jedoch das Problem eines umsetzbaren Ansatzes für die Zufuhr von elektrischer Leistung bestehen. Allgemeiner ausgedrückt, Leistungsversorgung und Kühlung sind zwei Anliegen im Zusammenhang mit IC-Chips.As is known, the three-dimensional (3D) integration of ICs significantly reduces the wiring length by providing vertical paths for signal and power transmission. The stacking approach is highly modular, allowing for the integration of disparate technologies in a single cube, and provides significant bandwidth improvement by stacking caches on processor units. In contrast, higher power per unit area and connector pins are required for 3D integration. Another problem is the high cooling requirement per unit area. Through-silicon vias (TSVs) are an important aspect of 3D integration; they provide vertical signal and power transfer, but reduce the active silicon surface and result in excessive wiring. The amount of vertical integration is significantly limited by the accumulated power density, so that more than two layers of high performance stacked logic can not be cooled easily and can not be powered on enough power. Scalable solutions for cooling large numbers of stacked processors have been demonstrated. However, there remains the problem of a viable approach to the supply of electrical power. More generally, power supply and cooling are two concerns associated with IC chips.

US 2006 / 0 267 167 A1 beschreibt eine Vorrichtung, welche ein elektronisches Gerät mit einer Vielzahl von Komponenten umfasst, einschließlich einer Antenne, einer Energieversorgung und eines integrierten Schaltkreises, welcher elektrisch mit der Antenne und der Energieversorgung verbunden ist. US 2006/0 267 167 A1 describes an apparatus that includes an electronic device having a plurality of components, including an antenna, a power supply, and an integrated circuit that is electrically connected to the antenna and the power supply.

US 2008 / 0 292 964 A1 beschreibt weiter eine Energieversorgung in Form einer Redox Fluss-Batterie mit einer verbesserten Membran zur Trennung Redox-Elektrolyte. US 2008/0 292 964 A1 further describes a power supply in the form of a redox flow battery with an improved membrane for separating redox electrolytes.

US 5 300 370 A beschreibt eine elektrochemísche Brennstoffzelle und deren Herstellung in Form einer Strömungsfeldanordnung. US 5,300,370 A. describes an electrochemical fuel cell and its manufacture in the form of a flow field arrangement.

Lösungen nach dem Stand der Technik beinhalten die folgenden:

  • – US 2009 / 0 092 862 A1 („lntegrated Self Contained Sensor Assembly“), die sich im Allgemeinen auf Methanol-Brennstoffzellen mit einer porösen Protonenaustauschmembran bezieht. Sie offenbart insbesondere eine unabhängige Sensorbaugruppe, die ein Hybridleistungsmodul, einen Sender/Empfänger und einen oder mehrere Sensoren oder Detektoren beinhaltet. Das Hybridleistungsmodul der Sensorbaugruppe beinhaltet eine Brennstoffzelle und eine elektronische Speichereinheit, die durch die Brennstoffzelle geladen werden kann. Die Membran der Brennstoffzelle und die Mikrobrennstoffzelle können direkt in eine elektronische Einheit integriert werden;
  • – Die Veröffentlichung, MOORE, Christopher W.: Microfabricated Fuel Cells to Power Integrated Circuits, Dissertation, Seiten 1 - 210, herausgegeben am 12. Mai 2005 vom Georgia Institute of Technology, offenbart insbesondere in 2.9 eine schematische Darstellung einer lC mit einer integrierten Mikrobrennstoffzelle. Dieser Entwurf zeigt, dass der Brennstoff durch Abwärme verdampft wird, ein Prozess, der auch dazu dient, die integrierte Schaltung zu kühlen.
Prior art solutions include the following:
  • - US 2009/0 092 862 A1 ("Integrated Self-Contained Sensor Assembly"), which generally refers to methanol fuel cells with a porous proton exchange membrane. In particular, it discloses an independent sensor assembly including a hybrid power module, a transceiver, and one or more sensors or detectors. The hybrid power module of the sensor assembly includes a fuel cell and an electronic memory unit that can be charged by the fuel cell. The membrane of the fuel cell and the micro fuel cell can be integrated directly into an electronic unit;
  • - The publication, MOORE, Christopher W .: Microfabricated Fuel Cells to Power Integrated Circuits, Dissertation, pp. 1-210, issued on May 12, 2005 by the Georgia Institute of Technology, discloses in particular in US Pat 2.9 a schematic representation of a lC with an integrated micro fuel cell. This design shows that the fuel is vaporized by waste heat, a process that also serves to cool the integrated circuit.

Es bleibt ein Bedarf bestehen, bekannte Lösungen zum Zuführen von elektrischer Leistung zu IC-Chips oder innerhalb der Chip-Stapel zu verbessern.There remains a need to improve known solutions for supplying electrical power to IC chips or within the chip stacks.

Sonstige Offenbarungen wie diejenigen von WO 2008 / 133 655 A2 , US 2007 / 0 148 527 A1 und BAKIR, M., HUANG, G., SEKAR, D., KING, C.: 3D Integrated Circuits: Liquid Cooling and Power Delivery. In: IETE Technical Review 2009; Vol. 26, No. 6, S. 407- 416, veranschaulichen verwandte Aspekte des Standes der Technik.Other revelations like those of WO 2008/133 655 A2 . US 2007/0 148 527 A1 and BAKIR, M., HUANG, G., SEKAR, D., KING, C .: 3D Integrated Circuits: Liquid Cooling and Power Delivery. In: IETE Technical Review 2009; Vol. 26, no. 6, pp. 407-416 illustrate related art aspects.

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNGBRIEF SUMMARY OF THE INVENTION

Gemäß einem ersten Aspekt hiervon stellt die vorliegende Erfindung ein integriertes Schaltungsmodul bereit, das aufweist: eine Schichtstruktur mit: Elektroden, die auf einer Schicht davon angeordnet sind; und integrierten Schaltungen, die mit den Elektroden in elektrischer Verbindung stehen, und einen oder mehrere Flüssigkeitskreislaufabschnitte, die jeweils dazu eingerichtet sind, zumindest eine jeweilige Elektrolytlösung mit löslichen elektroaktiven Spezies darin aufzunehmen und der Lösung zu ermöglichen, mit zumindest einigen der Elektroden in Kontakt zu treten, um die integrierten Schaltungen im Betrieb mit Leistung zu versorgen und wobei

  • – zumindest der eine Flüssigkeitskreislaufabschnitt oder einer der mehreren Flüssigkeitskreislaufabschnitte ist gemäß einer entsprechenden Elektrolytlösung konzipiert, um die integrierten Schaltungen im Betrieb erheblich abzukühlen.
According to a first aspect thereof, the present invention provides an integrated one A circuit module comprising: a layered structure including: electrodes disposed on a layer thereof; and integrated circuits in electrical communication with the electrodes and one or more fluid circuit sections each configured to receive at least one respective electrolytic solution having soluble electroactive species therein and to allow the solution to contact at least some of the electrodes to power the integrated circuits during operation, and wherein
  • At least one of the liquid circuit sections or one of the plurality of liquid circuit sections is designed in accordance with a corresponding electrolyte solution in order to considerably cool down the integrated circuits during operation.

Bei Ausführungsformen kann das integrierte Schaltungsmodul eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen:

  • – zumindest einer des einen oder der mehreren Flüssigkeitskreislaufabschnitte ist dazu eingerichtet, einer entsprechenden Lösung zu ermöglichen, entlang einer Schicht der Schichtstruktur zu fließen;
  • – zumindest der eine Flüssigkeitskreislaufabschnitt oder einer der mehreren Flüssigkeitskreislaufabschnitte ist dazu eingerichtet, einer entsprechenden Lösung zu ermöglichen, zwischen zwei Schichten der Schichtstruktur zu fließen, wobei es sich bei den beiden Schichten bevorzugt um zwei Schichten von integrierten Schaltungen handelt, die als 3D-Stapel von Schichten von integrierten Schaltungen angeordnet sind;
  • – zumindest einige der Elektroden sind als Distanzstücke konzipiert, die Schichten der Schichtstruktur einschränken;
  • – zumindest einige der Elektroden sind auf einer Seite einer Schicht der Schichtstruktur angeordnet, wobei einer Lösung durch den zumindest den einen Flüssigkeitskreislaufabschnitt oder einen r der mehreren Flüssigkeitskreislaufabschnitte ermöglicht wird, entlang dieser Seite zu fließen;
  • – zumindest einige der Elektroden sind auf jeder der beiden Schichten angeordnet, zwischen denen einer Elektrolytlösung eines entsprechenden des einen oder der mehreren Flüssigkeitskreislaufabschnitte zu fließen ermöglicht wird;
  • – Elektroden, die auf einer Seite einer der beiden Schichten angeordnet sind, weisen sowohl Kathoden als auch Anoden auf;
  • – die Schichtstruktur weist auf: eine Leiterplatte; eine Substratverbindung; und einen integrierten Schaltungs-Chip, der zumindest einige der integrierten Schaltungen aufweist, und wobei zumindest einige der Elektroden und zumindest der eine Flüssigkeitskreislaufabschnitt oder einer der mehreren Flüssigkeitskreislaufabschnitte auf einer Seite von einem von: der Leiterplatte; der Substratverbindung; oder dem integrierten Schaltungs-Chip, angeordnet sind;
  • – der eine oder die mehreren Flüssigkeitskreislaufabschnitte sind dazu eingerichtet, eine einzige Elektrolytlösung aufzunehmen, und wobei die Elektroden selektive Kathoden und Anoden aufweisen, wobei der eine oder die mehreren Flüssigkeitskreislaufabschnitte dazu eingerichtet sind, der einzigen Elektrolytlösung zu ermöglichen, mit den selektiven Kathoden und Anoden in Kontakt zu treten, wodurch ein Einzelstrom-Redoxsystem ausgebildet wird;
  • – der eine oder die mehreren Flüssigkeitskreislaufabschnitte sind dazu eingerichtet: zwei Elektrolytlösungen aufzunehmen, und weisen bevorzugt eine Membran auf, die so angeordnet ist, dass sie die beiden Elektrolytlösungen in dem einen oder den mehreren Flüssigkeitskreislaufabschnitten trennt, und ermöglichen den beiden Elektrolytlösungen, mit jeweiligen Teilmengen der Elektroden in Kontakt zu treten, und eine der Teilmengen weist Kathoden auf, und eine weitere der Teilmengen weist Anoden auf, wodurch ein Doppelstrom-Redoxsystem ausgebildet wird;
  • – der eine oder die mehreren Flüssigkeitskreislaufabschnitte sind jeweils mit einer entsprechenden Elektrolytlösung gefüllt, wobei: die jeweilige Elektrolytlösung ein Redoxpaar, das sowohl in seiner oxidierten Form als auch in seiner reduzierten Form löslich ist; ein Trägerelektrolyt, das bevorzugt keine Redoxprozesse in einem Potenzialbereich zeigt, der zum Zuführen von Leistung zu den integrierten Schaltungen verwendet wird; und Zusätze zum Einstellen eines Redoxpotenzials und/oder einer Umkehrbarkeit des Redoxpaars aufweist; und
  • – die jeweiligen Elektrolytlösungen weisen auf: ein beliebiges der folgenden Redoxpaare oder ein Derivat davon: Fe2+/Fe3+, V2+/V3+, VO2 +/VO2 +, Ce3+/Ce4+, Co2 +/Co3+, Cr2+/Cr3+, Ti3+/TiOH3+, Cr3+/Cr2O7 2–, BH4 –/BO2, OH–/H2O2, Br–/Br3 Mn2+/Mn3+, Ru2 +/Ru3+; und einen Zusatz wie zum Beispiel Acetat, o-Phenanthrolin, Methylphenanthrolin, Dimethylphenanthrolin, Bipyridin, Ethylendiamin, und die jeweiligen Elektrolytlösungen weisen bevorzugt auf: ein beliebiges der folgenden Trägerelektrolyte: H2SO4, HCl, Na2SO4, NaCl, NaOH, K2SO4, KOH und Wasser als Lösungsmittel.
In embodiments, the integrated circuit module may include one or more of the following features:
  • At least one of the one or more liquid circulation sections is adapted to allow a corresponding solution to flow along a layer of the layer structure;
  • At least one of the liquid circulation section or one of the plurality of liquid circulation sections is adapted to enable a corresponding solution to flow between two layers of the layer structure, the two layers preferably being two layers of integrated circuits, which are in the form of a 3D stack of Layers of integrated circuits are arranged;
  • At least some of the electrodes are designed as spacers which limit layers of the layer structure;
  • At least some of the electrodes are arranged on one side of a layer of the layer structure, wherein a solution through the at least one liquid circulation section or one of the plurality of liquid circuit sections is allowed to flow along this side;
  • At least some of the electrodes are disposed on each of the two layers, between which an electrolyte solution of a corresponding one of the one or more liquid circulation sections is allowed to flow;
  • Electrodes arranged on one side of one of the two layers have both cathodes and anodes;
  • The layer structure comprises: a printed circuit board; a substrate compound; and an integrated circuit chip comprising at least some of the integrated circuits, and wherein at least some of the electrodes and at least one of the liquid circuit section and one of the plurality of liquid circuit sections are on a side of one of: the circuit board; the substrate compound; or the integrated circuit chip;
  • The one or more fluid circuit sections are adapted to receive a single electrolyte solution, and wherein the electrodes comprise selective cathodes and anodes, the one or more fluid circuit sections being adapted to allow the single electrolyte solution to communicate with the selective cathodes and anodes Contact, thereby forming a single-current redox system;
  • The one or more liquid circulation sections are adapted to receive two electrolyte solutions, and preferably have a membrane arranged to separate the two electrolyte solutions in the one or more liquid circulation sections, and allow the two electrolyte solutions, with respective subsets contacting the electrodes, and one of the subsets has cathodes, and another of the subsets has anodes, thereby forming a double-current redox system;
  • The one or more liquid circulation sections are each filled with a corresponding electrolyte solution, wherein: the respective electrolyte solution is a redox couple which is soluble both in its oxidized form and in its reduced form; a carrier electrolyte which preferably does not exhibit redox processes in a potential region used to supply power to the integrated circuits; and additives for adjusting a redox potential and / or a reversibility of the redox couple; and
  • The respective electrolyte solutions comprise: any of the following redox couples or a derivative thereof: Fe 2+ / Fe 3+ , V 2+ / V 3+ , VO 2 + / VO 2 + , Ce 3+ / Ce 4+ , Co 2 + / Co 3+, Cr 2+ / Cr 3+, Ti 3+ / TiOH 3+, Cr 3+ / Cr 2 O 7 2-, BH 4 - / BO 2, OH - / H 2 O 2, Br - / Br 3 Mn 2+ / Mn 3+, Ru 2+ / Ru 3+; and an additive such as acetate, o-phenanthroline, methylphenanthroline, dimethylphenanthroline, bipyridine, ethylenediamine, and the respective electrolyte solutions preferably comprise: any of the following support electrolytes: H 2 SO 4 , HCl, Na 2 SO 4 , NaCl, NaOH, K 2 SO 4 , KOH and water as solvent.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Erfindung als Computersystem verkörpert, das aufweist: zumindest ein integriertes Schaltungsmodul gemäß den Ansprüchen 1–12; und eine elektrochemische Leistungsversorgungseinheit, die mit einem oder mehreren Flüssigkeitskreislaufabschnitten des zumindest einen integrierten Schaltungsmoduls in Flüssigkeitsverbindung steht, wobei die elektrochemische Leistungsversorgungseinheit des Weiteren eine Konvektionseinheit aufweist, die dazu eingerichtet ist, die Konvektion einer oder mehrerer Elektrolytlösungen in den Flüssigkeitskreislaufabschnitten des zumindest einen integrierten Schaltungsmoduls gemäß einem Leistungsversorgungsbedarf davon im Betrieb zu regeln.In another aspect, the invention is embodied as a computer system comprising: at least one integrated circuit module according to claims 1-12; and an electrochemical power supply unit in fluid communication with one or more fluid circuit sections of the at least one integrated circuit module, the electrochemical power supply unit further comprising a convection unit configured to convect one or more of the convection units To control electrolyte solutions in the liquid circulation sections of the at least one integrated circuit module in accordance with a power supply requirement thereof in operation.

Gemäß einem abschließenden Aspekt wird die Erfindung als Verfahren zum Betreiben eines Computersystems verkörpert, das einen Schritt aufweist zum: Bereitstellen eines Computersystems, das ein integriertes Schaltungsmodul gemäß den Ansprüchen 1–12 aufweist; wobei die integrierten Schaltungen mit Leistung versorgt werden, indem zumindest eine Elektrolytlösung in einem jeweiligen Flüssigkeitskreislaufabschnitt des zumindest einen integrierten Schaltungsmoduls gezwungen wird, mit zumindest einigen der Elektroden des zumindest einen integrierten Schaltungsmoduls in Kontakt zu treten.In a final aspect, the invention is embodied as a method of operating a computer system having a step of: providing a computer system having an integrated circuit module according to claims 1-12; wherein the integrated circuits are powered by forcing at least one electrolyte solution in a respective liquid circulation section of the at least one integrated circuit module to contact at least some of the electrodes of the at least one integrated circuit module.

Verfahren, Einheiten und Systeme, die die vorliegende Erfindung verkörpern, werden nun mithilfe von nicht beschränkenden Beispielen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.Methods, units and systems embodying the present invention will now be described by way of non-limitative example and with reference to the accompanying drawings.

KURZE BESCHREIBUNG VERSCHIEDENER ANSICHTEN DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF VARIOUS VIEWS OF THE DRAWINGS

1 stellt ein herkömmliches Einzel-Chip-Modul (Stand der Technik) dar; 1 illustrates a conventional single-chip module (prior art);

2 bis 15 stellen beispielhaft integrierte Schaltungen gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung schematisch dar; 2 to 15 schematically illustrate exemplary integrated circuits according to various embodiments of the present invention;

16 ist eine perspektivische Ansicht eines 3D-Stapels von IC-Chips, in denen Ausführungsformen der Erfindung realisiert werden können; 16 Figure 4 is a perspective view of a 3D stack of integrated circuit chips in which embodiments of the invention may be practiced;

17 bis 19 stellen Abschnitte eines Flüssigkeitskreislaufs dar, die mit Elektrolytlösungen gefüllt sind und mit Elektroden in Kontakt treten, um das IC-Modul mit Leistung zu versorgen, wie sie in Ausführungsformen einbezogen sind; 17 to 19 represent portions of a fluid circuit that are filled with electrolyte solutions and contact electrodes to power the IC module as included in embodiments;

20 ist ein Ablaufplan, der Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt; 20 Fig. 10 is a flowchart illustrating steps of a method according to an embodiment of the invention;

21 stellt ein Computersystem dar, das mit einer elektrochemischen Leistungsversorgungseinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausgestattet ist; 21 Fig. 12 illustrates a computer system equipped with an electrochemical power supply unit according to an embodiment of the invention;

22 veranschaulicht eine herkömmliche Rechenzentrumsarchitektur, die eine unterbrechungsfreie Online-Leistungsversorgung (Stand der Technik) beinhaltet; und 22 Fig. 12 illustrates a conventional data center architecture incorporating an uninterruptible online power supply (prior art); and

23 ist ein Schema einer modifizierten Rechenzentrumsarchitektur, die eine unterbrechungsfreie Online-Leistungsversorgung beinhaltet, die Ausführungsformen der Erfindung widerspiegelt. 23 FIG. 10 is a schematic of a modified data center architecture incorporating an uninterruptible online power supply reflecting embodiments of the invention.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Zur Einführung in die folgende Beschreibung wird zunächst auf einen allgemeinen Aspekt der Erfindung hingewiesen, der sich auf ein Modul von integrierten Schaltungen bezieht. Das Modul weist eine Schichtstruktur auf, bei der ICs und Elektroden in elektrischer Verbindung mit einer Schicht der Schichtstruktur angeordnet sind. Das Modul weist des Weiteren Abschnitte eines Flüssigkeitskreislaufs auf, die jeweils dazu bestimmt sind, eine jeweilige Elektrolytlösung (oder zwei verschiedene Lösungen, siehe den unten beschriebenen Doppelstrom-Redoxmodus) aufzunehmen. Jede verwendete Lösung weist lösliche elektroaktive Spezies auf. Ein Flüssigkeitsabschnitt ist dazu konzipiert, eine Elektrolytlösung aufzunehmen und ihr zu ermöglichen, mit entsprechenden Elektroden in Kontakt zu treten, beispielsweise um die ICs im Betrieb mit Leistung zu versorgen. Da Elektroden in das Modul integriert sind, kann elektrische Leistung in die Nähe der ICs geführt werden, wodurch der Wirkungsgrad der Leistungsversorgung erhöht wird. Darüber hinaus kann aufgrund der erzwungenen Konvektion der elektrochemischen Lösung, die mit den Elektroden in Kontakt tritt, eine hohe elektrische Leistungsdichte erzielt werden. Da eine Flüssigkeit in-situ verwendet wird, kann schließlich eine geeignete Wärmeableitung in Betracht gezogen werden, wobei darauf hingewiesen wird, dass eine elektrische Leistungsversorgung und eine Wärmeableitung einander entsprechen. In dieser Hinsicht können die Flüssigkeitskreisläufe in optimaler Weise so konzipiert werden, dass sie die ICs erheblich abkühlen. Auf diese Weise kann eine kombinierte Lösung erzielt werden, die gleichzeitig die Probleme der Versorgung mit elektrischer Leistung und der Kühlung löst.For introduction to the following description, reference is first made to a general aspect of the invention relating to a module of integrated circuits. The module has a layer structure in which ICs and electrodes are arranged in electrical connection with a layer of the layer structure. The module further includes portions of a fluid circuit each for receiving a respective electrolyte solution (or two different solutions, see the double-current redox mode described below). Each solution used has soluble electroactive species. A liquid section is designed to receive an electrolyte solution and allow it to contact corresponding electrodes, for example, to power the ICs during operation. Since electrodes are integrated into the module, electrical power can be brought close to the ICs, thereby increasing the efficiency of the power supply. Moreover, due to the forced convection of the electrochemical solution which contacts the electrodes, a high electric power density can be obtained. Finally, since a liquid is used in-situ, appropriate heat dissipation may be considered, it being understood that electric power supply and heat dissipation correspond to each other. In this regard, the liquid circuits can be optimally designed to significantly cool the ICs. In this way, a combined solution can be achieved, which simultaneously solves the problems of supplying electrical power and cooling.

Eine solche Lösung ist besonders gut für 3D-ICs geeignet, bei der eine Kühlung zwischen den Schichten und eine elektrochemische Leistungsversorgung kombiniert werden. Beispielsweise kann ein bifunktionelles Kühlmittel auf der Grundlage von Wasser mit elektroaktiven Redoxpaaren bereitgestellt werden, die in allen Phasen des Leistungsversorgungsprozesses löslich bleiben. Es sind wässrige Redoxpaare bekannt, die eine Potenzialdifferenz von z. B. 1 V zwischen den negativen und positiven Anschlüssen bereitstellen können. Eine Wärmeableitung mit Raten über 200 W/cm2 kann des Weiteren mithilfe einer erzwungenen konvektiven Zwischenschichtkühlung z. B. bei 3D-Siliciumstapeln mit Stiften erzielt werden.Such a solution is particularly well suited for 3D ICs combining inter-layer cooling and electrochemical power supply. For example, a bifunctional water-based coolant may be provided with electroactive redox couples that remain soluble in all phases of the power delivery process. There are known aqueous redox couples that have a potential difference of z. B. can provide 1 V between the negative and positive terminals. Heat removal at rates greater than 200 W / cm 2 can also be achieved by means of forced convective interlayer cooling, e.g. B. can be achieved with 3D silicon stacks with pins.

In ICs wird nahezu die gesamte elektrische Leistung in Wärme umgewandelt. Folglich entsprechen einander der Bedarf an örtlicher Kühlung und an Leistung, was eine kombinierte Kühlung und Leistungsversorgung begünstigt. Sowohl die Wärmeableitung als auch die Stromdichte, die durch einen Durchfluss eines elektroaktiven Kühlmittels (z. B. druckgesteuert) bereitgestellt werden, profitieren von einem optimierten konvektiven Massentransport und einer erhöhten Temperatur. Durch den vorliegenden Ansatz können wichtige Ressourcen freigegeben werden. Beispielsweise kann in einem 3D-Stapel die Anzahl von Sliciumdurchkontaktierungen (through-silicon-vias, TSVs), die der Leistungsversorgung zugewiesen sind (Leistungsdurchkontaktierungen), erheblich verringert werden, wodurch wertvolle Chip-Fläche freigegeben, übermäßige Verdrahtungen verringert und die Makro-Neugestaltung so weit wie möglich vermindert werden. Eine steigende Anzahl von Signaldurchkontaktierungen kann eingesetzt werden, wodurch die Datenaustausch-Bandbreite verbessert wird. Des Weiteren wird die leistungsbezogene Verdrahtung insgesamt vereinfacht, da nur eine Verdrahtung auf dem Chip erforderlich ist, wodurch Verbindungen über die Wafer-Ebene hinaus vermieden werden.In ICs, almost all electrical power is converted to heat. consequently The need for local cooling and power is matched, which favors combined cooling and power delivery. Both heat dissipation and current density provided by flow of electroactive coolant (eg, pressure controlled) benefit from optimized convective mass transport and elevated temperature. The present approach enables important resources to be released. For example, in a 3D stack, the number of through silicon vias (TSVs) assigned to the power supply (power vias) can be significantly reduced, thereby freeing valuable chip area, reducing excessive wiring, and thus redesigning the macro be reduced as much as possible. An increasing number of signal via can be used, thereby improving the data exchange bandwidth. Furthermore, overall, the performance-related wiring is simplified because only one wiring on the chip is required, thereby avoiding connections beyond the wafer level.

Zudem lässt sich die obige Lösung zweckmäßig im Server-Betrieb, wie er in Rechenzentren verwendet wird, einsetzen, bei dem die Einbeziehung von Behältern für das elektroaktive Kühlmittel die Funktionalität einer unterbrechungsfreien Leistungsversorgung (uninterruptible power supply, UPS) bereitstellen kann. Die Unabhängigkeit kann durch Variieren der Größe der Behälter leicht angepasst werden. Durch Modifizieren eines vorhandenen UPS-Entwurfs, der Leistungsversorgung und der Spannungswandlung in Rechenzentren sind erhebliche Wirkungsgradverbesserungen möglich.In addition, the above solution may suitably be used in server operation as used in data centers, where the inclusion of electroactive coolant containers may provide the functionality of an uninterruptible power supply (UPS). Independence can be easily adjusted by varying the size of the containers. By modifying an existing UPS design, power supply and voltage conversion in data centers, significant efficiency improvements are possible.

Ein weiterer Vorteil der elektrochemischen Leistungsversorgung ist die Beseitigung der Notwendigkeit von Entkopplungskondensatoren, wodurch weitere TSVs wie auch wertvoller Platz in den Prozessorstapeln freigegeben werden.Another advantage of the electrochemical power supply is the elimination of the need for decoupling capacitors, which releases more TSVs as well as valuable space in the processor stacks.

Sonstige Merkmale der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Ausführungsformen von 2 bis 15 veranschaulicht. Zum besseren Verständnis wird zunächst ein herkömmliches Einzel-Chip-Modul 10 unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Ein solcher Chip weist bekanntlich eine Schichtstruktur auf. Die verschiedenen abgebildeten Schichten können zum Beispiel jeweils darstellen:

  • – eine Leiterplatte (oder PWB) 11
  • – eine Schicht 12 Lötkugeln;
  • – eine Substratverbindung 13;
  • – Lötkontaktierhügel 14 und eine Unterfüllschicht 15; und
  • – den IC-Chip 16 selbst.
Other features of the invention will become apparent with reference to the embodiments of FIGS 2 to 15 illustrated. For a better understanding, first a conventional single chip module 10 with reference to 1 described. Such a chip is known to have a layer structure. For example, the different layers shown may each represent:
  • A printed circuit board (or PCB) 11
  • - a layer 12 solder balls;
  • A substrate compound 13 ;
  • - Lötkontaktierhügel 14 and an underfill layer 15 ; and
  • - the IC chip 16 even.

Solche Bestandteile sind per se bekannt. Elektrische Leistung wird der IC durch die Schichten, d. h. von der PWB 11 über die Lötkugeln 12, die Substratverbindung 13 und die Lötkontaktierhügel 14 zugeführt. Es ist zu beachten, dass bei IC-Mikroprozessoren die Mehrzahl der Lötkugeln und -kontaktierhügel üblicherweise der Leistungsversorgung zugeordnet sind (Leistung/Masse), wohingegen ein kleinerer Teil der Signalübertragung zugeordnet ist.Such ingredients are known per se. Electrical power is the IC through the layers, ie from the PWB 11 over the solder balls 12 , the substrate compound 13 and the solder bumps 14 fed. It should be noted that in IC microprocessors, the majority of the solder balls and bumps are usually associated with the power supply (power / ground), whereas a smaller portion is associated with the signal transmission.

Es kann eine verbesserte elektrische Leistungsversorgung erreicht werden, wie in den folgenden Ausführungsformen veranschaulicht.An improved electrical power supply can be achieved as illustrated in the following embodiments.

Zuerst wird unter Bezugnahme auf 2 ein modifiziertes integriertes Schaltungsmodul 10a dargestellt, das noch eine Schichtstruktur aufweist, die an die Einheit von 1 erinnert. Das Modul kann zum Beispiel die gleichen aufeinanderfolgenden Schichten wie in 1 beinhalten, und zwar die PWB 11, die Lötkugeln, die Substratverbindung 13, die Lötkontaktierhügel und die Unterfüllung und den Chip 16.First, referring to 2 a modified integrated circuit module 10a represented, which still has a layer structure which is connected to the unit of 1 remind. For example, the module can use the same successive layers as in 1 include, the PWB 11 , the solder balls, the substrate connection 13 , the solder bumps and the underfill and the chip 16 ,

Die Elektroden 17 werden nun jedoch in einer elektrischen Verbindung mit einer Schicht der Struktur, z. B. direkt auf einer solchen Schicht angeordnet, bereitgestellt. In dem Beispiel von 2 sind die Elektroden 17 auf der PWB 11 angeordnet, die sich auf einer Seite der übrigen Schichtanordnung der Einheit 10a erstreckt. Dadurch werden ICs mit den Elektroden verbunden (hier indirekt durch die aufeinanderfolgenden Schichten 11 bis 15).The electrodes 17 However, now in an electrical connection with a layer of the structure, for. B. arranged directly on such a layer provided. In the example of 2 are the electrodes 17 on the PCB 11 arranged on one side of the remaining layer arrangement of the unit 10a extends. This will connect ICs to the electrodes (here indirectly through the successive layers 11 to 15 ).

Darüber hinaus wird ein Flüssigkeitskreislaufabschnitt 19 bereitgestellt, der mit einer Elektrolytlösung mit löslichen elektroaktiven Spezies gefüllt sein kann. Dieser Abschnitt 19 ist so gestaltet, dass er der Lösung ermöglicht, mit den Elektroden 17 in Kontakt zu treten, die auf der Oberseite der PWB-Schicht 11 angeordnet sind (z. B. ein Elektroden Array 17), wodurch der IC-Schicht 16 im Betrieb elektrische Leistung zugeführt werden kann. In diesem Beispiel handelt es sich bei dem Flüssigkeitsabschnitt 19 lediglich um eine Verteilerleitung mit einer Öffnung, die den Elektroden zugewandt ist und die mit einem Flüssigkeitskreislauf verbunden werden kann, der die Lösung abgibt, wie hier durch Einlass/Auslasspfeile 19i, 19o symbolisiert. Geeignete Flüssigkeitskreislaufabschnitte und Verbindungen mit einem Flüssigkeitskreislauf können mithilfe bekannter Techniken z. B. der Mikrofluidikwissenschaften erzielt werden. Einzelheiten der Elektrochemie werden im Folgenden unter Bezugnahme auf 17 bis 21 erörtert.In addition, a liquid circulation section 19 which may be filled with an electrolyte solution having soluble electroactive species. this section 19 is designed to allow the solution with the electrodes 17 get in touch on the top of the pcb layer 11 are arranged (for example, an electrode array 17 ), reducing the IC layer 16 electrical power can be supplied during operation. In this example, the liquid section is 19 merely around a manifold with an opening facing the electrodes and which can be connected to a liquid circuit which delivers the solution, as here through inlet / outlet arrows 19i . 19o symbolizes. Suitable liquid circuit sections and connections with a liquid circuit can be made by known techniques such. B. the microfluidic sciences are achieved. Details of electrochemistry are described below with reference to 17 to 21 discussed.

Die Verteilerleitung könnte zum Beispiel als Hohlraum in einem ersten Siliciumblock konzipiert sein und an einer oder mehreren Flächen davon (z. B. an einer Bodenfläche) offen sein. Flüssigkeitskreisläufe können als Nuten in einem solchen Siliciumblock bereitgestellt werden und z. B. an der oberen Fläche offen sein. Ansonsten können Verteilerleitungen üblicherweise aus Keramiken, Metallen oder harten Polymeren usw. hergestellt werden. Ein zweiter Siliciumblock kann mit dem ersten in Kontakt gebracht werden, um die offenen Nuten zu schließen. Anschließend wird der erste Block auf der Oberseite der Strukturschicht platziert, auf der die Elektroden angeordnet sind. Zahlreiche sonstige Realisierungstechniken sind möglich. Beispielsweise können Kanäle für die Flüssigkeitsverteilung in Metallwärmeableiter mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit gefräst werden, wobei die Wärmeableiter auf der Oberseite der IC-Module platziert werden können und die Elektroden von dem Wärmeableitermaterial durch eine Isolierschicht isoliert sind. Eine weitere Realisierung kann die Mikrobearbeitung von Silicium beinhalten, um mikrofluidische Kanäle bereitzustellen, wobei mögliche Anordnungen der Elektroden im Folgenden in 9 bis 15 erörtert werden.For example, the manifold could be designed as a cavity in a first block of silicon and open at one or more surfaces thereof (eg, at a bottom surface). Liquid circuits can be considered as grooves in such Silicon block are provided and z. B. be open on the upper surface. Otherwise, distribution lines can usually be made of ceramics, metals or hard polymers, etc. A second silicon ingot may be brought into contact with the first to close the open grooves. Subsequently, the first block is placed on top of the structure layer on which the electrodes are arranged. Numerous other realization techniques are possible. For example, channels for liquid distribution can be milled into metal heat sinks having a high thermal conductivity, wherein the heat sinks can be placed on top of the IC modules and the electrodes are insulated from the heat sink material by an insulating layer. Another implementation may involve micromachining silicon to provide microfluidic channels, possible arrangements of the electrodes being described hereinafter 9 to 15 be discussed.

Um die Ausführungsform von 2 zusammenzufassen, es wird ein herkömmliches Einzel-Chip-Modul bereitgestellt, wobei jedoch eine angrenzende Einheit zur Umwandlung der elektrochemischen (EC) Leistung und ein Elektroden-Array zur Leistungsversorgung auf der PWB platziert sind. Eine solche Lösung ermöglicht eine Leistungsversorgung in-situ. Zusätzlich trägt sie zu einer Wärmeableitung insofern bei, als die Lösung, die durch die Verteilerleitung 19 zirkuliert, Wärme aufnimmt, die von dem Chip zu der PWB übertragen wird.To the embodiment of 2 to summarize, a conventional single-chip module is provided, but with an adjacent unit for electrochemical (EC) power conversion and an electrode array for power supply placed on the PWB. Such a solution enables a power supply in situ. In addition, it contributes to heat dissipation insofar as the solution passing through the manifold 19 circulates, absorbs heat that is transferred from the chip to the PWB.

Die nächsten Figuren entsprechen sonstigen Ausführungsformen eines modifizierten integrierten Schaltungsmoduls 10b bis 10n, das noch eine Schichtstruktur wie in 1 oder 2 aufweist. Es werden jedoch der Kürze halber nicht alle Bezugszeichen wiederholt.The next figures correspond to other embodiments of a modified integrated circuit module 10b to 10n that still has a layered structure as in 1 or 2 having. However, not all references will be repeated for the sake of brevity.

Beispielsweise stellt 3 ein herkömmliches Einzel-Chip-Modul 10b dar, wobei eine angrenzende Leistungsumwandlungseinheit 19 (z. B. eine Elektrolytlösungs-Verteilerleitung, die in Flüssigkeitsverbindung mit einem Flüssigkeitskreislauf steht) und Elektroden 17 zur Leistungsversorgung bereitgestellt werden, diesmal auf der gemeinsamen Substratverbindung 13, wobei letztere auf der Oberseite von Lötkugeln und PWB-Schichten angeordnet sind, die sich gemeinsam seitlich vom übrigen Modul erstrecken. In diesem Beispiel wird die elektrische Leistung näher an den endgültige Verbraucher 16 herangeführt. Dementsprechend ist im Vergleich mit dem Beispiel von 2 eine bessere Wärmeableitung zu erwarten.For example 3 a conventional single-chip module 10b wherein an adjacent power conversion unit 19 (eg, an electrolyte solution manifold that is in fluid communication with a fluid circuit) and electrodes 17 be provided to the power supply, this time on the common substrate connection 13 the latter being disposed on top of solder balls and PWB layers extending together laterally from the remainder of the module. In this example, the electric power gets closer to the final consumer 16 introduced. Accordingly, in comparison with the example of 2 to expect a better heat dissipation.

Als Nächstes stellt 4 ein weiteres Einzel-Chip-Modul 10c mit einer Flüssigkeitsverteilerleitung 19 auf der Oberseite eines Elektroden-Arrays 17, das direkt auf dem IC-Chip 16 angeordnet ist, zur Leistungsversorgung und Kühlung dar. Eine solche Anordnung ermöglicht eine Leistungszufuhr direkt zu der IC-Schicht; sie ermöglicht des Weiteren der Elektrolytlösung, an der IC-Schicht erzeugte Wärme im Wesentlichen aufzunehmen, und dies in wirksamerer Weise als die Ausführungsformen von 2 oder 3.Next 4 another single-chip module 10c with a liquid distribution line 19 on top of an electrode array 17 that is directly on the IC chip 16 for power supply and cooling. Such an arrangement allows power to be supplied directly to the IC layer; it further enables the electrolytic solution to substantially absorb heat generated at the IC layer, more effectively than the embodiments of FIG 2 or 3 ,

6 ist ähnlich, d. h. sie stellt eine Einheit 10e mit einer Flüssigkeitsverteilerleitung 19 auf der Oberseite der Schichtstruktur, die in Flüssigkeitsverbindung mit einem Elektroden Array 17 angeordnet ist, zur Leistungsversorgung und Kühlung dar. Bei der dargestellten Einheit handelt es sich jedoch um ein vertikal integriertes Multi-Chip-Modul. Es sind beispielsweise Lösungen nach dem Stand der Technik bekannt, die die Fertigung der mehreren Schichten in einem solchen Multi-Chip-Modul ermöglichen, Hier besteht ein Unterschied in der Integration der Elektroden 17 und der Leistungsumwandlungseinheit (Flüssigkeitsabschnitt 19), die in geeigneter Weise auf der Oberseite eines Chips 16 angeordnet sind. 6 is similar, ie it represents a unity 10e with a liquid distribution line 19 on the top of the layered structure, which is in fluid communication with an electrode array 17 is arranged for power supply and cooling. However, the unit shown is a vertically integrated multi-chip module. For example, prior art solutions are known that allow the fabrication of multiple layers in such a multi-chip module. There is a difference in the integration of the electrodes 17 and the power conversion unit (liquid section 19 ), suitably on top of a chip 16 are arranged.

Einem Fachmann ist ersichtlich, dass bei den obigen Ausführungsformen (2 bis 4 und 6) die Flüssigkeitskreislaufabschnitte 19 so gestaltet sind, dass sie der Elektrolytlösung ermöglichen, entlang einer Schicht (d. h. 11, 13 oder 16) der Schichtstruktur des IC-Moduls 10a bis c zu fließen. Eine solche Gestaltung ist insofern vorteilhaft, als sie es ermöglicht, die Leistungsumwandlungseinheit lediglich als Zusatz zu konzipieren, der auf der Oberseite einer Schicht der Struktur 10a bis c platziert wird. Ein Fachmann kann des Weiteren erkennen, dass eine solche Gestaltung keine wesentlichen Änderungen im Fertigungsprozess des Chips erfordert. Darüber hinaus kann bei jeder der obigen Ausführungsformen (2 bis 4 und 6) ein Einzel- oder Doppelstrom-Redoxsystem in Betracht gezogen werden. Bei einem Einzelstrom-Redoxsystem enthält der Flüssigkeitskreislaufabschnitt 19 nur eine Elektrolytlösung, wobei letztere mit einem Array selektiver Elektroden in Kontakt tritt. Wenn ein Doppelstrom-Redoxsystem in Betracht gezogen wird, muss der Abschnitt 19 mit zwei Flüssigkeiten, z. B. durch eine Membran getrennt, gefüllt werden und mit jeweiligen Sätzen von Elektroden in Kontakt treten, die zu diesem Zweck in geeigneter Weise angeordnet sind.It will be apparent to one skilled in the art that in the above embodiments ( 2 to 4 and 6 ) the liquid circulation sections 19 are designed to allow the electrolyte solution along a layer (ie 11 . 13 or 16 ) of the layer structure of the IC module 10a to flow to c. Such a design is advantageous in that it makes it possible to conceive of the power conversion unit merely as an add on top of a layer of the structure 10a until c is placed. One skilled in the art will further appreciate that such a design does not require significant changes in the manufacturing process of the chip. Moreover, in each of the above embodiments ( 2 to 4 and 6 ) a single or double current redox system are considered. In a single-stream redox system, the fluid circuit section contains 19 only one electrolyte solution, the latter contacting an array of selective electrodes. If a double-current redox system is considered, the section 19 with two liquids, eg. Separated by a membrane, filled and contacted with respective sets of electrodes which are suitably arranged for this purpose.

Als Nächstes können sonstige Ausführungsformen in Betracht gezogen werden, wobei ein Flüssigkeitskreislaufabschnitt so gestaltet ist, dass er einer Elektrolytlösung ermöglicht, zwischen zwei Schichten der Schichtstruktur, z. B. zwei IC-Schichten in einem 3D-Stapel von ICs, zu fließen. Solche Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf 5 und 7 bis 15 erörtert. Solche Anordnungen ermöglchen eine Leistungszufuhr in die Nähe der IC-Schichten, wenn nicht gar direkt zu ihnen. Darüber hinaus ermöglichen sie der/den Elektrolytlösung(en), die an den IC-Schichten erzeugte Wärme wirksamer abzuleiten.Other embodiments may be considered next, wherein a liquid circulation section is configured to allow an electrolyte solution to pass between two layers of the layer structure, e.g. B. two IC layers in a 3D stack of ICs to flow. Such embodiments are described with reference to 5 and 7 to 15 discussed. Such arrangements allow power to be applied to the vicinity of the IC layers, if not directly to them. In addition, they allow the / Electrolyte solution (s) to dissipate the heat generated on the IC layers more effectively.

5 stellt zum Beispiel ein Einzel-Chip-Modul 10d mit einer Flüssigkeitsverteilung dar, die zur Leistungsversorgung und Kühlung in die Substratverbindung 13' integriert ist. Hier ist die Substratverbindung 13' als zwei in geeigneter Weise getrennte Schichten, z. B. eingeschränkt durch Distanzstücke 23, gestaltet, wie per se bekannt. Daher ersetzt die zweischichtige Gestaltung der Substratverbindung 13' die vorherigen Flüssigketskreislaufabschnitte und stellt einen Flüssigkeitsweg 19' bereit, der in mancherlei Hinsicht (in Bezug auf wirksame Leistungsversorgung und Wärmeableitung) vorteilhaft ist. Bei Bedarf können die Abmessungen der beiden Schichten an die Art der Elektrolytlösung angepasst werden, um deren Konvektion zu begünstigen und/oder unerwünschte Kapillareffekte zu verhindern. 5 represents, for example, a single-chip module 10d with a liquid distribution, which is used for power supply and cooling in the substrate connection 13 ' is integrated. Here is the substrate connection 13 ' as two suitably separated layers, e.g. B. limited by spacers 23 designed as known per se. Therefore, the two-layered design replaces the substrate compound 13 ' the previous Flüssigketskreislaufabschnitte and provides a fluid path 19 ' ready, which is advantageous in some respects (in terms of effective power supply and heat dissipation). If necessary, the dimensions of the two layers can be adapted to the type of electrolyte solution to favor their convection and / or to prevent unwanted capillary effects.

Es können verschiedene Varianten der obigen Ausführungsformen in Betracht gezogen werden. Beispielsweise stellt 7 ein vertikal integriertes Multi-Chip-Modul 10f mit dualer Leistungsversorgung und Kühlung dar, in dem tatsächlich die Konzepte und Vorteile von 4 und 5 innerhalb eines Multi-Chip-Moduls kombiniert sind.Various variants of the above embodiments may be considered. For example 7 a vertically integrated multi-chip module 10f with dual power and cooling, in which the concepts and benefits of 4 and 5 are combined within a multi-chip module.

Ein noch weiteres Konzept zur Leistungsversorgung und Kühlung wird in der Ausführungsform von 8 bereitgestellt, wobei ein vertikal integriertes Multi-Chip-Modul 10g mit Distanzstücken 23 zur Flüssigkeitsverteilung 19' zwischen den Schichten vorgeschlagen wird. Das Bezugszeichen 19' wird im Folgenden für den Zwischenschicht-Flüssigkeitskreislaufabschnitt anstelle des Bezugszeichens 19 für Einzelschichtabschnitte gewählt. Hier kann ein Gehäuse 21 (z. B. Seitenwände aus Silicium) bereitgestellt werden, das die Flüssigkeitsverteilung in der Nähe der mehrschichtigen Struktur hält. Die Elektrolytlösung kann daher zwischen den Schichten der Schichtstruktur, z. B. den IC-Schichten, fließen gelassen werden.Yet another concept for power supply and cooling is in the embodiment of 8th provided, wherein a vertically integrated multi-chip module 10g with spacers 23 for liquid distribution 19 ' between the layers is proposed. The reference number 19 ' will be hereinafter referred to as the interlayer liquid circulation section instead of the reference numeral 19 selected for single-layer sections. Here can be a case 21 (eg, silicon sidewalls) that maintains the liquid distribution in the vicinity of the multi-layered structure. The electrolyte solution can therefore be between the layers of the layer structure, for. As the IC layers are allowed to flow.

Dementsprechend kann ein wirkungsvolles kombiniertes Schema für die Leistungsversorgung und Kühlung für ein vertikal integriertes Multi-Chip-Modul erzielt werden. Eine entsprechende perspektivische Ansicht wird in 16 dargestellt. in 16 entsprechen die Bezugszeichen 24, 25 jeweils Siliciumdurchkontaktierungen (TSV) und Lötkugeln. Die Struktur als Ganzes definiert mehrere Flüssigkeitskreislaufabschnitte 19' und gewährleistet eine effiziente Leistungsversorgung und Kühlung. Wenngleich bei dieser Ausführungsform ein einziger allgemeiner Einlass 19i und ein einziger allgemeiner Auslass 19o dargestellt sind, wird darauf hingewiesen, dass geeignete Varianten einen doppelten Strömungseinlass und einen einzigen Auslass oder einen doppelten Strömungseinlass und einen doppelten Strömungsauslass usw. verwenden können.Accordingly, an effective combined power supply and cooling scheme can be achieved for a vertically integrated multi-chip module. A corresponding perspective view is shown in FIG 16 shown. in 16 the reference numbers correspond 24 . 25 each silicon through holes (TSV) and solder balls. The structure as a whole defines several fluid circulation sections 19 ' and ensures efficient power supply and cooling. Although in this embodiment a single general inlet 19i and a single general outlet 19o It should be understood that suitable variants may utilize a dual flow inlet and a single outlet or dual flow inlet and a double flow outlet, etc.

Dementsprechend ist, um die Ausführungsformen von 5, 7 oder 8 (und 16) zusammenzufassen, zu erkennen, dass zumindest ein Flüssigkeitskreislaufabschnitt 19' konzipiert werden kann, um einer Elektrolytlösung zu ermöglichen, zwischen Schichten der Einheit, z. B. zwei IC-Schichten eines 3D-Stapels, zu fließen. Es ist zu beachten, dass die Elektrodenanordnungen, die die Zwischenschicht-Flüssigkeitsabschnitte betreffen, der Verständlichkeit halber in diesen Figuren nicht dargestellt werden. Vielmehr kann jede beliebige der Elektrodenanordnungen, die unter Bezugnahme auf 9 bis 15 erörtert worden sind, angewendet werden, wie im Folgenden erörtert wird. Die Ausführungsformen von 5, 7 oder 8 (und 16) können jeweils Einzel- oder Doppel-Redoxstromlösungen aufnehmen. Zur Realisierung einer Doppel-Redoxstromlösung sind dennoch geringfügige Änderungen erforderlich, wie zum Beispiel eine ordnungsgemäße Verteilung von Elektrolytlösungen innerhalb eines oder mehrerer Flüssigkeitsabschnitte 19' ermöglicht werden muss.Accordingly, to the embodiments of 5 . 7 or 8th (and 16 ), to recognize that at least one liquid circulation section 19 ' can be designed to allow an electrolyte solution, between layers of the unit, for. B. two IC layers of a 3D stack to flow. It should be noted that the electrode assemblies relating to the interlayer liquid portions are not shown in these figures for the sake of clarity. Rather, any of the electrode arrangements described with reference to 9 to 15 be discussed, as will be discussed below. The embodiments of 5 . 7 or 8th (and 16 ) can each accommodate single or double redox current solutions. However, to realize a dual redox current solution, minor changes are still required, such as proper distribution of electrolyte solutions within one or more fluid sections 19 ' must be made possible.

Um nun die Ausführungsformen von 2 bis 8 zusammenzufassen, es ist ersichtlich, dass zumindest ein Flüssigkeitskreislaufabschnitt 19, 19' so konzipiert werden kann, dass jeder der Abschnitte 19, 19' eine (oder zwei) Elektrolytlösung(en) aufnehmen und ermöglichen kann, dass sie entlang oder zwischen den Schichten der Schichtstruktur der Einheiten 10a bis 10g fließt/fließen.To see the embodiments of 2 to 8th It can be seen that at least one liquid circulation section 19 . 19 ' can be designed so that each of the sections 19 . 19 ' receive one (or two) electrolytic solution (s) and allow them to flow along or between the layers of the layered structure of the units 10a to 10g flows / flow.

9 bis 15 stellen Teilansichten von Chip-Einheiten 10h bis 10n dar. 9 stellt eine Elektrodenanordnung 17 auf dem Chip für einen einzelnen Elektrolytstrom in der Zwischenschichtgestaltung dar. Bei den fraglichen Schichten 13, 16 kann es sich z. B. um eine doppelte Substratverbindung (wie zum Beispiel 13 in 5 oder 7) oder um zwei parallele IC-Chips 16 wie in 8 handeln, die in geeigneter Weise durch Distanzstücke 23 beschränkt werden. Eine mögliche Elektrodenanordnung ist ein Array aus alternierenden Elektroden, die auf der Innenseite jeder der beiden beteiligten Schichten angebracht sind (d. h. der Seite, die mit dem Elektrolytstrom in Kontakt steht). Elektroden 17a1, 17c1 können zum Beispiel Anoden bzw. Kathoden entsprechen, die auf einer ersten Schicht 13, 16 angeordnet sind. Bei Elektroden 17a2 und 17c2 handelt es sich um ihre Entsprechung auf der zweiten Schicht 13, 16 (das tiefgestellte „a” steht für „Anode” (weiß), „c” steht für „Kathode” (schwarz), „1” und „2” entsprechen der ersten bzw. der zweiten Schicht). Wie oben erläutert, erfordert eine Gestaltung mit Elektrode vs. Elektrolyt eine angepasste Selektivität der Elektroden, da hier ein Einzelstrom verwendet wird. Einzelstromsysteme oder Systeme mit gemischten Reaktanten wurden bereits beschrieben (z. B. Priestnall 2002, Sung 2007, Mano 2003, siehe die abschließende Referenzliste). Diese Gestaltung kann zum Beispiel in den Ausführungsformen von 5, 7 und 8 verwendet werden. Die Elektrodenselektivität kann zum Beispiel durch Beschichten einer Elektrode mit einem porösen Material, z. B. einem Zeolith, realisiert werden, die nur die kleineren Ionen durchlässt. Des Weiteren können elektrokatalytische Materialien auf die Elektroden aufgebracht werden, die die Oxidation bzw. Reduktion der elektroaktiven Spezies fördern. 9 to 15 make partial views of chip units 10h to 10n represents. 9 represents an electrode arrangement 17 on the chip for a single flow of electrolyte in the interlayer design. For the layers in question 13 . 16 can it be z. B. a double substrate compound (such as 13 in 5 or 7 ) or two parallel IC chips 16 as in 8th act appropriately by spacers 23 be limited. One possible electrode arrangement is an array of alternating electrodes mounted on the inside of each of the two layers involved (ie, the side in contact with the electrolyte flow). electrodes 17a1 . 17c1 For example, they may correspond to anodes or cathodes that are on a first layer 13 . 16 are arranged. For electrodes 17a2 and 17c2 it is their equivalent on the second layer 13 . 16 (the subscript "a" stands for "anode" (white), "c" stands for "cathode" (black), "1" and "2" correspond to the first and the second layer, respectively). As explained above, a design with electrode vs. requires. Electrolyte an adapted selectivity of the electrodes, since a single stream is used here. Single stream systems or systems with mixed Reactants have already been described (eg Priestnall 2002, Sung 2007, Mano 2003, see the final list of references). This configuration may be, for example, in the embodiments of 5 . 7 and 8th be used. Electrode selectivity can be achieved, for example, by coating an electrode with a porous material, e.g. As a zeolite, can be realized, which passes only the smaller ions. Furthermore, electrocatalytic materials can be applied to the electrodes that promote the oxidation or reduction of the electroactive species.

10 stellt eine ähnliche Anordnung dar, jedoch mit einer etwas anderen Elektrodenanordnung. Hier werden Kathoden 17c1 auf der Innenseite der ersten (obersten) Schicht verteilt, wohingegen Anoden 17a2 auf der zweiten Schicht angebracht werden. Auch diese Gestaltung erfordert Elektrodenselektivität. Wenngleich dies eine einfachere Fertigung ermöglicht als die Gestaltung von 9 (es wird nur eine Art Elektroden auf einer jeweiligen Schicht bereitgestellt), lässt sich die erzielte elektrische Schaltung weniger einfach schließen, was einen etwas geringeren Wirkungsgrad mit sich bringt und hohe Elektrodenselektivität erfordert. 10 represents a similar arrangement, but with a slightly different electrode arrangement. Here are cathodes 17c1 distributed on the inside of the first (top) layer, whereas anodes 17a2 be mounted on the second layer. This design also requires electrode selectivity. Although this allows a simpler manufacturing than the design of 9 (Only one type of electrode is provided on a respective layer), the achieved electrical circuit is less easy to close, which results in a slightly lower efficiency and requires high electrode selectivity.

Diese Zwischenschichtgestaltung kann dennoch in den Ausführungsformen von 5, 7 und 8 verwendet werden.This interlayer design can still be used in the embodiments of 5 . 7 and 8th be used.

11 stellt eine weitere Elektrodenanordnung dar, wobei die Elektrodenfunktionalität nun mit derjenigen der Distanzstücke 23 kombiniert wird. Es kann beispielsweise eine alternierende Anordnung von Anoden 17a und Kathoden 17c in Betracht gezogen werden. Das Material der Distanzstücke wird entsprechend angepasst. Es stehen geeignete Prozesse zur Verfügung, die es ermöglichen, das auf der Oberfläche der Distanzstücke verwendete Material selektiv anzupassen. Das Elektrodenmaterial kann mithilfe bekannter Mikrofertigungstechniken wie zum Beispiel Aufdampfen, Sputtern, Gasphasenabscheidung oder Galvanisieren in Kombination mit einem anisotropen Materialabtrag mithilfe von inversem Sputtern oder Ionenätzung auf die Oberfläche der Distanzstücke aufgebracht werden. Die Elektrodenmaterialien können entsprechend ihrer Kompatibilität mit der Lösung und ihrer Aktivität gegenüber den elektrochemischen Reaktionen ausgewählt werden und können insbesondere Kohlenstoff und Edelmetalle wie zum Beispiel Au, Pt oder Pd aufweisen. Weitere Elektrodenmaterialien können Metalllegierungen, elektronisch leitfähige Silicide oder Carbide wie zum Beispiel SiC und B4C beinhalten. Den Elektrodenmaterialien können Selektivität und katalytische Aktivität verliehen werden, wie zuvor erwähnt. Eine Variante wie zum Beispiel diejenige von 11 ermöglicht zweckmäßigerweise eine Optimierung der Funktionalität der Distanzstücke und gibt wertvolle Fläche auf den Innenseiten der beteiligten Schichten frei. Diese Gestaltung kann immer noch zusammen mit den Ausführungsformen von 5, 7 und 8 verwendet werden. 11 represents a further electrode arrangement, wherein the electrode functionality now with that of the spacers 23 combined. For example, it may be an alternating array of anodes 17a and cathodes 17c be considered. The material of the spacers will be adjusted accordingly. Suitable processes are available which allow the material used on the surface of the spacers to be selectively adjusted. The electrode material may be applied to the surface of the spacers using known microfabrication techniques such as vapor deposition, sputtering, vapor deposition or electroplating in combination with anisotropic material removal by inverse sputtering or ion etching. The electrode materials may be selected according to their compatibility with the solution and their activity towards the electrochemical reactions and may in particular comprise carbon and noble metals such as Au, Pt or Pd. Other electrode materials may include metal alloys, electronically conductive silicides, or carbides such as SiC and B 4 C, for example. Selectivity and catalytic activity can be imparted to the electrode materials as previously mentioned. A variant such as that of 11 expediently allows optimization of the functionality of the spacers and free valuable area on the insides of the layers involved. This design can still be combined with the embodiments of 5 . 7 and 8th be used.

Bei jeder der Ausführungsformen von 9, 10 oder 11 wird ein einziger Elektrolytstrom insgesamt in Betracht gezogen (dann werden selektive Elektroden benötigt). Wenngleich hier von einem „Einzel”-Strom gesprochen wird, kann sich der entsprechende Flüssigkeitskreislauf dennoch in einen (5) oder mehrere Zwischenschicht-Flüssigkeitskreislaufabschnitte 19' (wie z. B. in 8) aufgliedern oder noch einen oben liegenden Kreislaufabschnitt 19 zusammen mit einem Zwischenschichtabschnitt 19' (7) aufweisen. Mit anderen Worten, es werden ein oder mehrere Flüssigkeitskreislaufabschnitte 19, 19' verwendet, jedoch zusammen mit einer einzigen Elektrolytlösung. In jedem Fall sind die Flüssigkeitsabschnitte in geeigneter Weise so gestaltet, dass die einzige Elektrolytlösung mit selektiven Kathoden und Anoden in Kontakt treten kann (Einzelstrom-Redoxlösung).In each of the embodiments of 9 . 10 or 11 a single electrolyte flow is considered as a whole (then selective electrodes are needed). Although this is referred to as a "single stream", the corresponding liquid circuit can nevertheless 5 ) or a plurality of interlayer liquid circulation sections 19 ' (such as in 8th ) or another overhead circuit section 19 together with an intermediate layer section 19 ' ( 7 ) exhibit. In other words, there will be one or more fluid circuit sections 19 . 19 ' but with a single electrolyte solution. In any case, the liquid portions are suitably designed so that the single electrolyte solution can contact selective cathodes and anodes (single-stream redox solution).

Abweichend von den Ausführungsformen von 9, 10 oder 11 verwenden die Ausführungsformen von 12 bis 15 Zwischenschicht-Flüssigkeitskreislaufabschnitte 19', die zum Aufnehmen verschiedener (nicht dargestellter) Elektrolytlösungen bestimmt sind. Die Lösungen können z. B. durch eine Membran 20 oder eine weitere Trennungsart getrennt werden, siehe unten. Die Einbeziehung von Membranmaterialien für die Mikrofluidik ist zuvor beschrieben worden (de Jong 2006) und kann insbesondere poröses Silicium aufweisen (Moghaddam 2010, Tjerkstra 2000). In jedem Fall sind die Elektrolytlösungen entsprechend so innerhalb jeweiliger Flüssigkeitskreislaufabschnitte 19 1', 19 2' eingeschlossen, dass sie mit jeweiligen Teilmengen der Elektroden (d. h. Kathoden oder Anoden) in Kontakt treten und dadurch ein Doppelstrom-Redoxsystem ausbilden.Notwithstanding the embodiments of 9 . 10 or 11 use the embodiments of 12 to 15 Interlayer fluid circuit portions 19 ' , which are intended for holding various (not shown) electrolyte solutions. The solutions can z. B. by a membrane 20 or another type of separation, see below. The inclusion of membrane materials for microfluidics has been previously described (de Jong 2006) and may in particular comprise porous silicon (Moghaddam 2010, Tjerkstra 2000). In any case, the electrolyte solutions are correspondingly so within respective liquid circulation sections 19 1 ', 19 2 'include contacting with respective subsets of the electrodes (ie, cathodes or anodes) thereby forming a dual-current redox system.

12 stellt beispielsweise eine Elektrodenanordnung auf dem Chip für zwei Elektrolytströme, die innerhalb jeweiliger Flüssigkeitskreislaufabschnitte 19 1', 19 2 eingeschlossen sind, in einer Zwischenschichtgestaltung dar. Die beiden Ströme sind in der Ebene parallel zu der Chip-Oberfläche getrennt (gestrichelte Linie), was entweder eine Membran 20, eine Diffusionszone 20' oder eine Zwischenschicht oder eine noch weitere Art der Trennung kennzeichnet, die einen Übergang von nicht aktiven Ionen ermöglicht, um den elektrischen Stromkreis zu schließen. Im Übrigen ähnelt die Elektrodenanordnung derjenigen von 10. 12 for example, provides an on-chip electrode assembly for two electrolyte streams within respective liquid circuit sections 19 1 ', 19 2 in an interlayer design. The two streams are separated in the plane parallel to the chip surface (dashed line), which is either a membrane 20 , a diffusion zone 20 ' or an intermediate layer or yet another type of separation, which allows a transition of non-active ions to close the electrical circuit. Incidentally, the electrode arrangement is similar to that of FIG 10 ,

In 13 wird die Elektrodenanordnung 17a2, 17c1 nun auf Distanzstücke angewendet, wie in 11, abgesehen davon, dass jedes Distanzstück nun so konzipiert ist, dass es sowohl als Kathode als auch als Anode dient (d. h. auf beiden Seiten einer Trennlinie).In 13 becomes the electrode assembly 17a2 . 17c1 now applied to spacers, as in 11 except that each one Spacer is now designed so that it serves both as a cathode and as an anode (ie on both sides of a dividing line).

Als Nächstes wird in 14 eine weitere Elektrodenanordnung auf dem Chip für zwei Elektrolytströme mit der Zwischenschichtgestaltung dargestellt. Die Ströme werden nun aus der Ebene der Zeichnung geleitet und werden in der Ebene senkrecht zu der Chip-Oberfläche getrennt (gestrichelte Linie), was wiederum eine Membran, eine Diffusionszone, eine Zwischenschicht oder eine noch weitere Art der Trennung kennzeichnen kann. Die Zwischenschicht-Distanzstücke werden der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Die beiden Ströme sind innerhalb jeweiliger anodischer oder kathodischer Abschnitte 19a', 19c' eingeschlossen. Die Bezugszeichen 27 kennzeichnen Flüssigkeitsauslässe aus der Ebene der Zeichnung.Next will be in 14 a further electrode arrangement on the chip for two electrolyte streams with the interlayer design shown. The streams are now directed out of the plane of the drawing and are separated in the plane perpendicular to the chip surface (dashed line), which in turn may characterize a membrane, a diffusion zone, an intermediate layer or another type of separation. The interlayer spacers are not shown for clarity. The two streams are within respective anodic or cathodic sections 19a ' . 19c ' locked in. The reference numerals 27 identify liquid outlets from the plane of the drawing.

Abschließend ist 15 ähnlich wie 14, abgesehen davon, dass die Elektrodenanordnung nun auf Distanzstücke angewendet wird, wie in 11 oder 13. Hier dient ein Distanzstück auf einer Seite der Abtrennung 20, 20' als Kathode 17c, während das andere (auf der anderen Seite) als Anode 17a dient, Wiederum sind die Ströme innerhalb jeweiliger anodischer oder kathodischer Abschnitte 19a', 19c' eingeschlossen.In conclusion is 15 similar to 14 Apart from the fact that the electrode assembly is now applied to spacers, as in 11 or 13 , Here is a spacer on one side of the separation 20 . 20 ' as a cathode 17c while the other (on the other side) as an anode 17a Again, the streams are within respective anodic or cathodic sections 19a ' . 19c ' locked in.

Nun sollen die Elektrolytlösung(en) unter Bezugnahme auf 17 bis 21 weiter ausgeführt werden.Now, the electrolyte solution (s) with reference to 17 to 21 continue to run.

17 bis 19 stellen Einzelheiten von Flüssigkeitskreislaufabschnitten dar, die mit Elektrolytlösungen 31, 32 gefüllt sind und die mit Elektroden zur Leistungsversorgung und Kühlung in Kontakt treten. 17 und 18 gehören zu einem Doppelstrom-Redoxsystem, wie zuvor erörtert, wohingegen 19 einem Einzelstrom-Redoxsystem entspricht. In allen Fällen stellen Red und Ox reduzierte und oxidierte elektroaktive Spezies dar, und ein Elektronenübergang an der Schnittstelle von Elektrode/Lösung wird durch Pfeile gekennzeichnet. Die Strömungsrichtung der Elektrolytlösungen verläuft von oben nach unten. 17 to 19 Illustrate details of fluid circulation sections that are filled with electrolyte solutions 31 . 32 are filled and come into contact with electrodes for power supply and cooling. 17 and 18 belong to a double-current redox system, as previously discussed, whereas 19 corresponds to a single-stream redox system. In all cases, Red and Ox represent reduced and oxidized electroactive species, and electron transfer at the electrode / solution interface is indicated by arrows. The flow direction of the electrolyte solutions runs from top to bottom.

In 17 sind die beiden Elektrolytlösungen 31, 32 durch eine Membran 20 getrennt. 17 erinnert an eine herkömmliche Gestaltung einer Redox-Flussbatterie mit einer ionenselektiven Membran, die Elektrolytlösungen und identische Elektrodenmaterialien trennt. Demgegenüber erinnert 18 an eine elektrochemische Redoxlösung ohne Membran, die sich auf eine membranlose, co-laminare Strömungsgestaltung mit identischen Elektrodenmaterialien stützt. 19 gehört zu einer Einzelstromarchitektur mit selektiven Elektroden (die unterschiedliche Elektrodenmaterialien beinhalten, die die Oxidations- und Reduktionsreaktionen selektiv verstärken). Es ist zu beachten, dass in jedem Fall zusätzlich zu der EC-Leistungsversorgung eine beträchtliche Wärmeableitung über den Umlauf der Elektrolytlösungen erzielt werden kann.In 17 are the two electrolyte solutions 31 . 32 through a membrane 20 separated. 17 recalls a conventional design of a redox flux battery with an ion-selective membrane that separates electrolyte solutions and identical electrode materials. In contrast, remember 18 to an electrochemical redox solution without membrane, which relies on a membraneless, co-laminar flow design with identical electrode materials. 19 belongs to a single-stream architecture with selective electrodes (containing different electrode materials that selectively amplify the oxidation and reduction reactions). It should be noted that in any event, in addition to the EC power supply, significant heat dissipation can be achieved across the circulation of the electrolyte solutions.

Sowohl die Abmessungen als auch die Durchflussmengen der Flüssigkeitskreislaufabschnitte können entsprechend der tatsächlichen verwendeten Elektrolytlösung und dem Leistungsbedarf angepasst werden, z. B. um die Leistungsdichte und die Wärmeableitung zu optimieren. Es ist insbesondere auf Kapillaritätserscheinungen zu achten, d. h. möglicherweise müssen minimale Zwischenschichtabmessungen in Betracht gezogen werden. Demgegenüber können Kapillareffekte genutzt werden, um die Konvektion, z. B. mithilfe von Kapillarpumpen, zu begünstigen. Es ist zu beachten, dass solche Überlegungen bei der Verwendung von Gas anstelle von Flüssigkeiten keine Rolle spielen. Das Wärmeableitungsvermögen, das von einer Flüssigkeit bereitgestellt wird, ist jedoch erheblich größer als das eines Gases.Both the dimensions and the flow rates of the liquid circuit sections can be adjusted according to the actual electrolyte solution used and the power requirement, e.g. B. to optimize power density and heat dissipation. It is particularly important to pay attention to capillarity, d. H. possibly minimum interlayer dimensions must be considered. In contrast, capillary effects can be used to convection, z. B. using capillary pumps to favor. It should be noted that such considerations are irrelevant when using gas rather than liquids. However, the heat dissipation capability provided by a liquid is significantly greater than that of a gas.

Die Elektrolytlösung besteht im Allgemeinen aus einem aktiven Redoxpaar, das an einer elektronischen Ladungsübertragung mit der Elektrode beteiligt ist; einem Trägerelektrolyt, das Ionen bereitstellt, die zu der Ionenleitfähigkeit der Lösung beitragen, nicht jedoch zu einer elektronischen Ladungsübertragung; und einem Lösungsmittel, das in der Lage ist, geeignete Mengen sowohl des aktiven Redoxpaars als auch des Trägerelektrolyts aufzulösen.The electrolyte solution generally consists of an active redox couple involved in electronic charge transfer to the electrode; a carrier electrolyte that provides ions that contribute to the ionic conductivity of the solution but not electronic charge transfer; and a solvent capable of dissolving suitable amounts of both the active redox couple and the carrier electrolyte.

Das aktive Redoxpaar sollte bevorzugt in gelöster Form sowohl im reduzierten als auch im oxidierten Zustand vorhanden sein und kann daher aus Paaren ausgewählt werden die Fe2+/Fe3+, V2+/V3+, VO2 +/VO2 +, Ce3+/Ce4+, Co2+/Co3+, Cr2+/Cr3+, Ti3+/TiOH3+, Cr3+/Cr2O7 2–, BH4 –/BO2, OH–/H2O2, Br/Br3–, Mn2+/Mn3+, Ru2+/Ru3+ aufweisen. Es versteht sich, dass das Redoxpaar in Form eines Salzes oder eines beliebigen geeigneten Derivats wie zum Beispiel eines Sulfats, Chlorids, Hydroxids oder Carbonats beigegeben werden kann. Die Konzentration des Salzes sollte hoch genug sein, um eine hohe Dichte von elektroaktiven Spezies bereitzustellen, bevorzugt 1 mol/L oder höher. Die Konzentration kann bei miniaturisierten Elektrodenabmessungen aufgrund der erhöhten Diffusionsgeschwindigkeiten geringer sein, wie bei Mikroelektroden-Arrays bekannt ist.The active redox couple should preferably be present in dissolved form both in the reduced and in the oxidized state and can therefore be selected from pairs Fe 2+ / Fe 3+ , V 2+ / V 3+ , VO 2 + / VO 2 + , Ce 3+ / Ce 4+ , Co 2+ / Co 3+ , Cr 2+ / Cr 3+ , Ti 3+ / TiOH 3+ , Cr 3+ / Cr 2 O 7 2- , BH 4 - / BO 2 , OH - / H 2 O 2 , Br / Br 3 , Mn 2+ / Mn 3+ , Ru 2+ / Ru 3+ . It is understood that the redox couple can be added in the form of a salt or any suitable derivative such as a sulfate, chloride, hydroxide or carbonate. The concentration of the salt should be high enough to provide a high density of electroactive species, preferably 1 mol / L or higher. Concentration may be lower for miniaturized electrode dimensions due to increased diffusion rates, as is known in microelectrode arrays.

Das Trägerelektrolyt sollte so ausgewählt werden, dass es auf das Salz abgestimmt ist, das das aktive Redoxpaar enthält, z. B. H2SO4, HCl, Na2SO4, NaCl, NaOH, K2SO4, KOH. Die Konzentration des Trägerelektrolyts sollte hoch genug sein, um den Widerstand der Lösung so weit wie möglich zu verringern, aber dennoch eine Ionenassoziation oder zu hohe Viskositäten zu verhindern, bevorzugt 0,5 mol/L oder höher. Bei Varianten werden Konzentrationen von 2 mol/L oder höher bevorzugt, wodurch beträchtliche Leistungen erzielt werden.The support electrolyte should be selected to match the salt containing the active redox couple, e.g. B. H 2 SO 4 , HCl, Na 2 SO 4 , NaCl, NaOH, K 2 SO 4 , KOH. The concentration of the carrier electrolyte should be high enough to reduce the resistance of the solution as much as possible, but still to prevent ion association or too high viscosities, preferably 0.5 mol / L or higher. In variants, concentrations of 2 mol / L or higher are preferred, thereby achieving significant benefits.

Das Lösungsmittel sollte hohe Löslichkeiten des Salzes, das das aktive Redoxpaar enthält, und des Trägerelektrolyts ermöglichen. Für die oben aufgeführten Spezies ist Wasser ein geeignetes Lösungsmittel.The solvent should allow high solubilities of the salt containing the active redox couple and the carrier electrolyte. For the species listed above, water is a suitable solvent.

Zusätzlich zu den oben aufgeführten Bestandteilen können der Lösung weitere Zusätze beigegeben werden, um die Leistungsfähigkeit des Systems zu verbessern. Insbesondere können Ligandenspezies beigegeben werden, um das Redoxpotenzial des aktiven Redoxpaars anzupassen, wie in der Wissenschaft der Elektrochemie bekannt ist (z. B. Chen 1981, Chen 1982, Murthy 1989).In addition to the ingredients listed above, further additives can be added to the solution to improve the performance of the system. In particular, ligand species can be added to match the redox potential of the active redox couple, as known in the science of electrochemistry (e.g., Chen 1981, Chen 1982, Murthy 1989).

Bei der Doppelstromgestaltung (17 und 18) enthält jede der beiden Lösungen bevorzugt ein anderes aktives Redoxpaar. Die Potenzialdifferenz zwischen den Redoxpaaren wird so gewählt, dass sie der Spannung nahekommt, die zum Versorgen der IC benötigt wird.In the double-current design ( 17 and 18 ) each of the two solutions preferably contains another active redox couple. The potential difference between the redox pairs is chosen to be close to the voltage needed to power the IC.

Bei der Einzelstromgestaltung enthält die einzige Lösung beide aktive Redoxpaare, wobei die Elektroden eine hohe Selektivität zeigen, wie zuvor beschrieben.In the single stream design, the only solution contains both active redox pairs, with the electrodes exhibiting high selectivity, as previously described.

Der Trennungsabstand zwischen den Elektroden kann beliebig gewählt werden, er sollte jedoch bevorzugt so gering wie möglich gehalten werden, um einen geringen Ionenwiderstand der Lösung zwischen den Elektroden zu erzielen. Bei der Zwischenschichtgestaltung, bei der die Elektroden auf entgegengesetzten Schichten positioniert sind (8, 10, 12, 16), wird der Abstand zwischen den Elektroden durch die Höhe der Distanzstücke definiert. Diese Höhe liegt bevorzugt im Bereich von 10 μm bis 300 μm.The separation distance between the electrodes can be chosen arbitrarily, but it should preferably be kept as low as possible in order to achieve a low ionic resistance of the solution between the electrodes. In the interlayer design where the electrodes are positioned on opposite layers ( 8th . 10 . 12 . 16 ), the distance between the electrodes is defined by the height of the spacers. This height is preferably in the range of 10 microns to 300 microns.

Als Nächstes ist 20 ein Ablaufplan, der Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt. Das Verfahren zielt im Wesentlichen darauf ab, ein IC-Modul mit Leistung zu versorgen, wie oben erörtert, indem die Konvektion einer Elektrolytlösung erzwungen wird. In der Praxis wird ein Computersystem mit mehreren Chip-Modulen (d. h. gemäß obigen Ausführungsformen) bereitgestellt und des Weiteren mit einer elektrochemischen (EC) Leistungseinheit ausgestattet, Schritt S100. Die EC-Einheit steht mit den Flüssigkeitsabschnitten des Chips in Flüssigkeitsverbindung, um die Konvektion der Elektrolytlösung(en) zu ermöglichen. Bevorzugt kann der tatsächliche Leistungsbedarf überwacht (Schritt S300) und die Flüssigkeitskonvektion entsprechend geregelt werden, S200, um eine in geeigneter Weise angepasste elektrische Leistung zuzuführen. Dann würde eine einfache Rückkopplungsschleife benötigt.Next is 20 a flowchart illustrating steps of a method according to an embodiment of the invention. The method essentially aims to power an IC module, as discussed above, by forcing convection of an electrolyte solution. In practice, a computer system having multiple chip modules (ie, according to the above embodiments) is provided and further equipped with an electrochemical (EC) power unit, step S100. The EC unit is in fluid communication with the liquid portions of the chip to allow convection of the electrolyte solution (s). Preferably, the actual power demand may be monitored (step S300) and the fluid convection appropriately controlled, S200, to supply a suitably adjusted electrical power. Then a simple feedback loop would be needed.

In dieser Hinsicht stellt 21 ein Computersystem dar, das mit einer elektrochemischen Leistungsversorgungseinheit 110 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausgestattet ist. Die vorgeschlagene Redoxstrom-Leistungsversorgung besteht lediglich darin, ein Computersystem 100 (z. B. ein Rechenzentrum, das hunderte von Chip-Modulen aufweist, wie sie zum Beispiel oben beschrieben worden sind, beispielsweise 3D-Siliciumstapel mit Stiften) in die Elektrolytströmungswege einer herkömmlichen Redox-Flussbatterie einzufügen. Eine solche Batterie weist wahrscheinlich zwei Flüssigkeitskreisläufe 111, 112 mit entsprechenden Elektrolytbehältern 121, 122 auf. Die Durchflussmengen in den Kreisläufen werden durch Pumpen, 141, 142 geregelt. Des Weiteren treten mit den Zellen 151, 152 entsprechende Elektroden 131, 132 in Kontakt (hier lediglich zum Laden), und sie sind durch eine EC-Membran 25 getrennt, an die durch eine zusätzliche Leistungsversorgung 120 zum Wiederaufladen der Lösungen eine Spannung angelegt wird. Wenn an dem Computersystem 100 eine Entladung auftritt, ermöglicht die Gestaltung von 21 tatsächlich einen kontinuierlichen Betrieb. Abhängig von den tatsächlichen Einzelheiten der Realisierung kann eine solche Batterie des Weiteren große Durchflussmengen, eine hohe Leistungsdichte, einen Betrieb bei erhöhter Temperatur und eine Kühlfunktion ermöglichen. Für eine Verbindung des Computersystems 100 mit den Elektrolytströmungswegen der Batterie können Techniken aus den Mikrofluidikwissenschaften angewendet werden (z. B. Leitungen und/oder PDMS-Bearbeitung, Verteilerleitungen, usw.), die per se bekannt sind.In this regard 21 a computer system provided with an electrochemical power supply unit 110 equipped according to one embodiment of the invention. The proposed redox power supply is merely a computer system 100 (eg, a data center having hundreds of chip modules, such as those described above, for example, 3D silicon stacks with pins), are inserted into the electrolyte flow paths of a conventional redox flow battery. Such a battery probably has two fluid circuits 111 . 112 with appropriate electrolyte containers 121 . 122 on. The flow rates in the circuits are controlled by pumps, 141 . 142 regulated. Furthermore, contact with the cells 151 . 152 corresponding electrodes 131 . 132 in contact (here only for loading), and they are through an EC membrane 25 disconnected by an additional power supply 120 to recharge the solutions a voltage is applied. When at the computer system 100 a discharge occurs, allows the design of 21 actually a continuous operation. Depending on the actual details of implementation, such a battery may further allow for large flow rates, high power density, elevated temperature operation and cooling function. For a connection of the computer system 100 Techniques from the microfluidic sciences may be used with the electrolyte flow paths of the battery (eg, lines and / or PDMS processing, distribution lines, etc.) that are known per se.

Unter Verwendung von Wasser als flüssiges Kühlmittel kann eine Wärmeableitung mit Raten von über 200 W/cm2 durch Zwischenschichtkühlung mit erzwungener Konvektion in 3D-Stapeln mit Stiften erreicht werden (Brunschwiler 2009). Die Leistungsversorgung wird durch Bereitstellen von elektroaktiven Spezies in den Elektrolytlösungen erzielt, die sich an Elektroden des integrierten Schaltungsmoduls elektrochemisch entladen, wie oben erörtert.Using water as a liquid coolant, heat removal at rates greater than 200 W / cm 2 can be achieved by forced convection interlayer cooling in 3D stacks with pins (Brunschwiler 2009). The power supply is achieved by providing electroactive species in the electrolyte solutions that electrochemically discharge at electrodes of the integrated circuit module, as discussed above.

Auf dem Gebiet der wässrigen Elektrochemie ist eine große Anzahl Paare von Redoxpaaren bekannt, die Potenzialdifferenzen in der Größenordnung von 1 V über einem Elektrodenpaar ermöglichen (CRC Handbook of Chemistry and Physics 2010). Eine solche Spannung ist für die Versorgung heutiger Transistoren mit Leistung ausreichend. Es ist des Weiteren ersichtlich, dass eine elektrochemische Leistungszufuhr mithilfe wässriger Lösungen nach geeigneter für aktuelle Entwicklungen bei der Versorgungsspannung ist, d. h. auf niedrigere Werte, z. B. 0,6 V, ausgerichtet.In the field of aqueous electrochemistry, a large number of pairs of redox pairs are known which allow potential differences of the order of 1 V across a pair of electrodes (CRC Handbook of Chemistry and Physics 2010). Such a voltage is sufficient to power today's power transistors. It will be further appreciated that electrochemical power delivery using aqueous solutions is more suitable for current developments in the supply voltage, i. H. to lower values, e.g. B. 0.6 V, aligned.

Die Vorteile einer solchen Technologie sind beträchtlich, z. B. werden Verbesserungen sowohl bei Aufbau- und Verbindungstechnik wie auch bei der Infrastruktur von Computersystemen (z. B. Rechenzentren) erwartet. The advantages of such a technology are considerable, e.g. For example, improvements are expected in both packaging and interconnect technology as well as in the infrastructure of computer systems (eg, data centers).

Bezüglich der Vorteile bei Aufbau- und Verbindungstechnik gilt zunächst: Bei einer Hochleistungs-3D-IC entfallen zurzeit auf leistungsführende TSVs (Leistungsdurchkontaktierungen) geschätzt 66% der gesamten mit TSVs versehenen Fläche. Durch Übertragen der gesamten Leistungsversorgung auf ein bifunktionelles Kühlmittel wird diese Fläche freigegeben und ein größerer Gestaltungsspielraum oder das Einbringen zusätzlicher Signaldurchkontaktierungen ermöglicht. Da es lokal (z. B. auf dem Chip) zu einer elektrochemischen Entladung kommt, ist keine Verbindung mit Komponenten über die Chip-Ebene hinaus erforderlich. Auf diese Weise kann die gesamte leistungsbezogene Verdrahtung vereinfacht und auf die Chip-Ebene beschränkt werden.With regard to the advantages of the assembly and connection technology, the following applies first: In a high-performance 3D-IC, performance-based TSVs (power vias) are currently estimated to account for 66% of the total TSV area. By transferring the entire power supply to a bifunctional coolant, this area is freed up and allows for greater design freedom or the introduction of additional signal vias. Since electrochemical discharge occurs locally (eg, on-chip), there is no need to connect to components beyond the chip level. In this way, all performance related wiring can be simplified and limited to the chip level.

Bezüglich der Vorteile bei der Infrastruktur gilt zweitens: Die Leistungsversorgung wird durch elektroaktive Spezies im Kühlmittel gewährleistet. Durch Erhöhen der absoluten Menge verfügbarer elektroaktiver Spezies wird die Eigenständigkeit des Systems verbessert. In dieser Hinsicht und wie in 21 dargestellt, besteht eine einfache Möglichkeit, diese Unabhängigkeit bereitzustellen, darin, Behälter 121, 122 für die Lösung in den Kühlkreislauf 111, 112 einzubringen. Im Fall eines Leistungsausfalls auf Seiten der Versorgungseinrichtung kann das elektroaktive Kühlmittel weiterhin bereitgestellt werden, bis die Mengen erschöpft sind. Es kann des Weiteren gemessen werden, dass die Spannung, die an den Chip angelegt wird, mit der Tiefe der Entladung der Lösung abfällt. Der optimale Betriebsbereich des elektrochemischen Systems liegt bei Entladungstiefen zwischen 10% und 90%, wobei die Versorgungsspannung eines elektrochemischen Leistungsversorgungssystems, das aus einelektronigen Redoxpaaren besteht, schätzungsweise linear und vorhersehbar um etwa 0,1 V variiert. Ein erheblicher Verlust an Versorgungsspannung wird nur bei einer Entladungstiefe von annähernd 100 % erreicht. Der unabhängige Betrieb des Systems wird folglich im Wesentlichen durch die Größe der Behälter bestimmt, die leicht unabhängig von der lokalen Elektrodengestaltung auf dem Chip dimensioniert werden können.Secondly, regarding the advantages of the infrastructure: The power supply is ensured by electroactive species in the coolant. By increasing the absolute amount of electroactive species available, the autonomy of the system is improved. In this regard and as in 21 As shown, there is an easy way to provide this independence in containers 121 . 122 for the solution in the cooling circuit 111 . 112 contribute. In the event of a utility failure, the electroactive coolant may continue to be provided until the quantities are exhausted. It can be further measured that the voltage applied to the chip decreases with the depth of the discharge of the solution. The optimum operating range of the electrochemical system is at depths of discharge between 10% and 90%, with the supply voltage of an electrochemical power supply system consisting of single electron redox pairs estimated to vary linearly and predictably by about 0.1V. A significant loss of supply voltage is achieved only at a discharge depth of approximately 100%. The independent operation of the system is thus essentially determined by the size of the containers, which can be easily dimensioned independently of the on-chip local electrode design.

Auf diese Weise kann eine unterbrechungsfreie Leistungsversorgung (UPS) bereitgestellt werden. Zum Verbinden einer solchen UPS mit einem Computersystem kann eine Neugestaltung einer aktuellen Infrastruktur zur Leistungsversorgung mit dem Ziel der Verbesserung des Wirkungsgrades vorgeschlagen werden.In this way, an uninterruptible power supply (UPS) can be provided. To connect such a UPS to a computer system, a redesign of a current power supply infrastructure may be proposed with the aim of improving efficiency.

Modelle einer modifizierten gegenüber einer herkömmlichen Rechenzentrenarchitektur mit einer Online-UPS werden in 22 bis 23 dargestellt. Genauer gesagt, es wird ein Vergleich zwischen einer herkömmlichen Leistungsversorgungsarchitektur in einem Rechenzentrum (22) mit einer Kombination aus Kühlung und elektrochemischer Leistungsversorgung (23) angestellt. Die energetischen Wirkungsgrade für Komponenten, die in der herkömmlichen Architektur enthalten sind, beruhen auf berichteten Werten für hohe Lasten (Pratt 2007), während es sich bei den energetischen Wirkungsgraden für das elektrochemische System um eine bestmögliche Schätzung handelt. Dünne Linien steilen einen Stromfluss dar, während der Fluss des elektrochemischen Kühlmittels durch dicke Linien dargestellt wird. Es werden übliche Abkürzungen verwendet: unterbrechungsfreie Leistungsversorgung (Uninterruptible Power Supply, UPS), Wechselstrom (Alternating Current, AC), Gleichstrom (Direct Current, DC), Leistungsverteilungseinheit (Power Distribution Unit, PDU), Leistungsversorgungseinheit (Power Supply Unit, PSU), Spannungsregler (Voltage Regulator, VR), elektrochemische Zelle (Electrochemical Cell, EC).Models of a modified versus a traditional data center architecture with an online UPS will be in 22 to 23 shown. More specifically, a comparison is made between a conventional power supply architecture in a data center ( 22 ) with a combination of cooling and electrochemical power supply ( 23 ) hired. The energy efficiencies for components included in the conventional architecture are based on reported high load values (Pratt 2007), while the energetic efficiencies for the electrochemical system are the best estimate. Thin lines represent a flow of current while the flow of electrochemical coolant is represented by thick lines. Common abbreviations are used: uninterruptible power supply (UPS), alternating current (AC), direct current (DC), power distribution unit (PDU), power supply unit (PSU), Voltage regulator (Voltage Regulator, VR), Electrochemical Cell (EC).

Die in 22 angegebenen Prozentsätze entsprechen Bruchteilen elektrischer Leistung, die nach aufeinanderfolgenden Umwandlungsschritten der elektrischen Leistung, die in das Rechenzentrum eintritt, verbleibt. Hier wird als Beispiel nur die elektrische Leistung dargestellt, die direkt zur Versorgung der Prozessoren erforderlich ist. Bei der herkömmlichen Rechenzentrenarchitektur beträgt der Wirkungsgrad der Leistungsversorgung der Prozessoren innerhalb des Rechenzentrums vor allem aufgrund von Umwandlungsverlusten nur geschätzt 36%.In the 22 percentages given represent fractions of electrical power left after successive conversion steps of the electrical power entering the data center. Here, as an example, only the electrical power is shown, which is required directly to power the processors. In the traditional data center architecture, the efficiency of powering the processors within the data center is only estimated at 36%, mainly due to conversion losses.

Durch Einbeziehen einer elektrochemischen Leistungsversorgung (23) kann die Umsetzung von 400 V AC auf der Ebene der Versorgungseinrichtung auf 1 V DC auf Server-Ebene zentral am Anfang der Umwandlungskette erfolgen. Bei Drähten auf der Grundlage von Kupfer würde diese Spannungswandlung 400 mal mehr Kupfer erfordern, um den entsprechenden Strom mit tragbarem ohmschen Verlust zu führen. Durch Umwandeln der elektrischen Energie in chemische Energie (elektrochemische DC/EC-Zelle in 23) an zentraler Stelle in der Einrichtung ist eine solche übermäßige Verdrahtung jedoch nicht erforderlich. Das geladene elektroaktive Kühlmittel kann mit einer Durchflussmenge von 10 L/min an die Rack-Ebene verteilt werden, was dem Transport von etwa 16 kA elektrischen Stroms entspricht, wenn man von einem Austausch von einem Elektron je Paar eines Redoxpaars und Konzentrationen aktiver Redoxpaare von 1 mol/L bei jeder von zwei Elektrolytlösungen ausgeht. Nach dieser Phase wird Leistung in Form von chemischer Energie bereitgestellt, und die Menge des Energietransports wird durch die Durchflussmenge des elektroaktiven Kühlmittels bestimmt. Da 23 keinen Leistungsbedarf zur Kühlung beinhaltet, wird die Pumpleistung, die zum Transportieren des elektroaktiven Kühlmittels erforderlich ist, als Teil der Kühlungsinfrastruktur betrachtet, und sie ist nicht in dem Wirkungsgradvergleich enthalten. Bei hohen Strömen in der Größenordnung von mehreren kA ist zudem ein Ladungstransport durch erzwungene Konvektion von Ionen durch Rohre mit geeigneten Durchmessern energieeffizienter und kostengünstiger als eine Elektronenleitung durch Metalldrähte. Auf der Rack-Ebene wird der Kühlmittelstrom durch eine Verteilerleitung mit einer geringeren Durchflussmenge auf die Server-Ebene verteilt, um erhebliche Druckabfälle in engeren Kanälen zu vermeiden, bis die abschließende Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie in unmittelbarer Nähe der IC, z. B. in der 3D-IC-Zwischenschicht (auf Prozessorebene in 23) erfolgt.By incorporating an electrochemical power supply ( 23 ), the implementation of 400V AC at the utility level can be done to 1V DC at the server level, centrally at the beginning of the conversion chain. For copper-based wires, this voltage conversion would require 400 times more copper to carry the appropriate current with a resistive ohmic loss. By converting the electrical energy into chemical energy (electrochemical DC / EC cell in 23 ) at a central location in the device, however, such excessive wiring is not required. The charged electroactive coolant can be distributed to the rack level at a rate of 10 L / min, which is equivalent to transporting about 16 kA of electrical current, assuming an exchange of one electron per pair of a redox couple and concentrations of active redox couples of 1 mol / L on each of two electrolyte solutions. After this phase, power is provided in the form of chemical energy, and the amount of energy transport is determined by the flow rate of the electroactive coolant. There 23 does not include power requirements for cooling, the pump power required to transport the electroactive coolant is considered part of the cooling infrastructure and is not included in the efficiency comparison. Moreover, at high currents on the order of several kA, charge transport by forced convection of ions through tubes of suitable diameters is more energy efficient and less expensive than metal wire electron conduction. At the rack level, the coolant flow is distributed through a lower flow rate manifold to the server level to avoid significant pressure drops in narrower channels until the final conversion of chemical energy to electrical energy in the immediate vicinity of the IC, e.g. In the 3D-IC interlayer (at the processor level in 23 ) he follows.

Bei Verwendung des Konzepts zur elektrochemischen Leistungsversorgung in einem Rechenzentrum beträgt der geschätzte Wirkungsgrad der Leistungsversorgung der Prozessoren 77%, was erhebliche Verbesserungen im Vergleich mit herkömmlichen Architekturen bedeutet. Die Hauptgründe für die bessere Leistungsfähigkeit des vorliegenden Konzepts zur elektrochemischen Leistungsversorgung sind die Beseitigung des herkömmlichen Online-UPS-Systems und die Möglichkeit, Leistung mit einem niedrigen Spannungspegel in Form von chemischer Energie anstelle von elektrischer Energie zu verteilen und auf diese Weise mehrere Umwandlungsschritte in der Leistungsversorgungskette zu vermeiden.Using the electrochemical power supply concept in a data center, the estimated power efficiency of the processors is 77%, which means significant improvements over traditional architectures. The main reasons for the better performance of the present electrochemical power supply concept are the elimination of the conventional on-line UPS system and the ability to distribute power at a low voltage level in the form of chemical energy instead of electrical energy and thus several conversion steps in the Power supply chain to avoid.

Die Speicherung elektrischer Energie als chemische Energie in Form von löslichen elektroaktiven Spezies und ihre Umwandlung zurück zu elektrischer Energie mithilfe erzwungener Konvektion kann mit dem Gebiet von Redox-Flussbatterien (RFBs) oder reversiblen Brennstoffzellen in Verbindung gebracht werden. Es sind wissenschaftliche Berichte über die Klasse der galvanischen Zellen verfügbar, deren gewerbliche Anwendungen bisher vor allem auf die Energiespeicherung in dezentralen Stromnetzen wie auch auf die Zwecke des Spitzenlastbetriebs und des Lastausgleichs ausgerichtet waren (Bartolozzi 1989, de Leon 2006). Zu den am besten untersuchten und bekanntesten Systemen zählen die Eisen-Chrom-(Thaller 1979) und reine Vanadium-RFBs (Skyllas-Kazacos 1987).The storage of electrical energy as chemical energy in the form of soluble electroactive species and their conversion back to electrical energy by forced convection can be associated with the field of redox flow batteries (RFBs) or reversible fuel cells. There are scientific reports available on the class of galvanic cells whose commercial applications have so far focused mainly on energy storage in decentralized power grids as well as on the purpose of peak load operation and load balancing (Bartolozzi 1989, de Leon 2006). Among the best studied and best known systems are the iron-chromium (Thaller 1979) and pure vanadium RFBs (Skyllas-Kazacos 1987).

Wie bereits angemerkt, führen klassische RFB-Systeme im Gegensatz zu der vorgeschlagenen Ausführungsform der elektrochemischen Leistungsversorgung von 21 und 23 die Lade- und Entladevorgänge in derselben elektrochemischen Zelle durch (d. h. was der Zelle 151, 152 in 21 entsprechen würde), was nur eine intermittierende Leistungsversorgung ermöglichen würde.As noted previously, classical RFB systems, unlike the proposed embodiment of the electrochemical power supply of 21 and 23 the charging and discharging processes in the same electrochemical cell (ie what the cell 151 . 152 in 21 would correspond), which would allow only an intermittent power supply.

Die Übertragung der RFB-Elektrochemie auf Mikrofluidikanwendungen ist erst relativ kürzlich anhand von membranlosen Gestaltungen auf der Grundlage einer co-laminaren Strömung bei niedrigen Reynolds-Zahlen und Brennstoffzellenkonzepten mit Membranen in integrierten Mikroreaktoren untersucht worden (Maynard 2002, Ferrigno 2002).The transfer of RFB electrochemistry to microfluidic applications has relatively recently been explored using membrane-less designs based on co-laminar flow at low Reynolds numbers and fuel cell concepts with membranes in integrated microreactors (Maynard 2002, Ferrigno 2002).

Es wird darauf hingewiesen, dass es sich bei der maximalen Brennstoffausnutzung um eine Leistungskennzahl der herkömmlichen RFB-Technologie, insbesondere der Mikrofluidikumsetzung handelt (z. B. Kjeang 2007). In diesem Zusammenhang wird Brennstoffausnutzung im Allgemeinen als Bruchteil der chemischen Energie definiert, der durch elektrochemische Prozesse an einem einzelnen Kreislauf der elektroaktiven Lösungen umgewandelt wird.It should be noted that the maximum fuel utilization is a performance measure of conventional RFB technology, in particular microfluidic substitution (eg Kjeang 2007). In this context, fuel utilization is generally defined as a fraction of the chemical energy converted to a single cycle of electroactive solutions by electrochemical processes.

Im vorliegenden Fall ist zu erkennen, dass die Brennstoffausnutzung im Vergleich mit der Leistungsdichte kein Hauptanliegen ist, da in jedem Fall eine Pumpleistung erbracht werden muss, um den Kühlkreislauf anzutreiben. Aus diesem Grund kann ein konvektiver Massentransport zu einem wesentlich höheren Grad erzwungen werden, als gewöhnlich bei Mikrofluidik-RFBs in Betracht gezogen wird. Es ist zu beachten, dass sowohl die elektrochemische Leistung als auch die Wärmeableitungsleistung der Lösungen von einem verstärkten Massentransport profitieren. Des Weiteren erweist sich das größere Ausmaß der Miniaturisierung bei ICs im Vergleich zu herkömmlichen Mikrofluidik-RFBs im Hinblick auf den Ionenwiderstand der integrierten galvanischen Zelle als vorheilhaft, was aufgrund verringerter ohmscher Verluste höhere Leistungsdichten ermöglicht.In the present case, it can be seen that the fuel utilization is not a major concern in comparison with the power density, since in each case a pumping power must be provided to drive the cooling circuit. For this reason, convective mass transport can be forced to a much higher degree than is usually considered in microfluidic RFBs. It should be noted that both the electrochemical performance and the heat dissipation performance of the solutions benefit from increased mass transport. Furthermore, the greater degree of miniaturization in ICs, compared to conventional microfluidic RFBs, has proven to be beneficial in terms of the ion resistance of the integrated galvanic cell, allowing higher power densities due to reduced ohmic losses.

Zusammengefasst birgt die vorgeschlagene Strategie der kombinierten Kühlung/elektrochemischen Leistungsversorgung ein beträchtliches Potenzial zur Ausnutzung einer Infrastruktur mit Flüssigkeitskühlung, Indem die Leistungsversorgung von ICs gleichzeitig zum Gegenstand gemacht wird. Zu wichtigen möglichen Vorteilen dieses Konzepts zählen eine verbesserte Bandbreite und ein verbesserter Wirkungsgrad aufgrund der Vereinfachung der Leistungsversorgungsinfrastruktur auf der Ebene des Chips und der Versorgungseinrichtung.In summary, the proposed combined cooling / electrochemical power supply strategy has significant potential for exploiting a liquid cooling infrastructure by simultaneously addressing the power supply of ICs. Important potential benefits of this approach include improved bandwidth and efficiency due to the simplification of the chip and utility power infrastructure.

Nichtsdestotrotz besteht ein Nachteil der in 21 vorgeschlagenen Ausführungsform in der Notwendigkeit zweier getrennter elektroaktiver Spezies für die Anoden- und die Kathodenreaktion und der Notwendigkeit zweier Speicherbehälter. Dies bedeutet kein größeres Hindernis, erhöht jedoch die Komplexität des Aufbaus. Ein weiterer problematischer Bestandteil der Redox-Flussbatterie ist die Notwendigkeit einer semipermeablen Membran (de Jong 2006).Nevertheless, there is a disadvantage of the 21 proposed embodiment in the need for two separate electroactive species for the anode and the cathode reaction and the need for two storage containers. This does not imply a major obstacle, but adds to the complexity of the design. Another problematic component of the redox flux battery is the Need for a semipermeable membrane (de Jong 2006).

Daher wird bei anderen Ausführungsformen die Membran beseitigt, und die Realisierung der Erfindung stützt sich stattdessen auf parallele laminare Ströme, die am Ende der Umwandlungszone wieder getrennt werden (siehe 18). Dieser Ansatz ist jedoch auf einen streng laminaren Strom beschränkt (Kjeang 2009) und kann sich in TSV-kompatiblen Arrays etwas schwierig realisieren lassen.Therefore, in other embodiments, the membrane is eliminated, and the implementation of the invention relies instead on parallel laminar streams which are separated again at the end of the conversion zone (see 18 ). However, this approach is limited to strictly laminar flow (Kjeang 2009) and can be somewhat difficult to achieve in TSV-compatible arrays.

Wie zuvor angemerkt, werden bei sonstigen Ausführungsformen die Elektroden funktionalisiert, um zu ermöglichen, dass spezifische Anoden- und Kathodenreaktionen selektiv an den Elektroden aus derselben Lösung stattfinden (siehe 19). Aufgrund einer beschränkten katalytischen Selektivität kann dieser Ansatz jedoch bei Reaktionen von 1 V schwierig zu realisieren sein (Mano 2003). Bei niedrigeren Spannungen lässt er sich Leichter realisieren.As previously noted, in other embodiments, the electrodes are functionalized to allow specific anode and cathode reactions to selectively occur at the electrodes from the same solution (see 19 ). However, due to limited catalytic selectivity, this approach may be difficult to realize for 1 V reactions (Mano 2003). At lower voltages it is easier to realize.

Zu guter Letzt können die vorteilhaften Wirkungen der elektrochemischen Leistungsversorgung erhöht werden, wenn die Systeme bei erhöhten Temperaturen betrieben werden, wie es für eine direkte thermische Verwertung erforderlich ist. Die Wiederverwendung von Wärmeenergie z. B. in Heizungsanwendungen verbessert den energetischen Wirkungsgrad des Computersystems weiter. Ein Temperaturanstieg um 40 K erhöht die elektrochemische Reaktionskinetik, wenn sie mit wirksamen Verbesserungen des Massentransports kombiniert wird, um drei bis vier Größenordnungen. Eine solche Kombination scheint besonders vorteilhaft für solche Anwendungen, bei denen hohe Leistungsdichten benötigt werden, um den Chips in den Chip-Stapeln ausreichend Leistung zuzuführen.Lastly, the beneficial effects of the electrochemical power supply can be increased if the systems are operated at elevated temperatures, as required for direct thermal utilization. The reuse of heat energy z. B. in heating applications further improves the energy efficiency of the computer system. A temperature increase of 40 K increases the electrochemical reaction kinetics by three to four orders of magnitude when combined with effective improvements in mass transport. Such a combination seems particularly advantageous for those applications where high power densities are needed to provide sufficient power to the chips in the chip stacks.

Ein Computerprogrammcode, der dazu erforderlich ist, zumindest Teile der obigen Erfindung (z. B. die Flüssigkeitskonvektionsregelung) zu implementieren, kann in einer höheren (z. B. einer verfahrensorientierten oder objektorientierten) Programmiersprache oder auf Wunsch in einer Assembler- oder Maschinensprache implementiert werden; und bei der Sprache kann es sich in jedem Fall um eine Compiler- oder Interpretersprache handeln. Zu geeigneten Prozessoren zählen Universal- und Spezialmikroprozessoren. Es ist zu beachten, dass Vorgänge, die die Einheit, das Endgerät, der Server oder der Empfänger durchführen, in einem Computerprogrammprodukt gespeichert werden können, das physisch in einer maschinenlesbaren Speichereinheit zur Ausführung durch einen programmierbaren Prozessor verkörpert wird; und dass Verfahrensschritte der Erfindung durch einen oder mehrere programmierbare Prozessoren durchgeführt werden können, die Befehle ausführen, um Funktionen der Erfindung durchzuführen.Computer program code required to implement at least portions of the above invention (eg, liquid convection control) may be implemented in a higher (e.g., procedural or object-oriented) programming language or, if desired, in assembly or machine language ; and the language can in any case be a compiler or interpreter language. Suitable processors include general purpose and specialty microprocessors. It should be noted that operations performed by the device, the terminal, the server or the receiver may be stored in a computer program product that is physically embodied in a machine-readable storage device for execution by a programmable processor; and that method steps of the invention may be performed by one or more programmable processors executing instructions to perform functions of the invention.

Allgemeiner ausgedrückt, die obige Erfindung kann zumindest teilweise in digitalen elektronischen Schaltungen oder in Computer-Hardware, -Firmware, -Software oder in Kombinationen davon realisiert werden. Im Allgemeinen empfängt ein Prozessor Befehle und Daten von einem Nur-Lese-Speicher und/oder einem Direktzugriffsspeicher. Zu Speichereinheiten, die zum physischen Verkörpern von Computerprogrammbefehlen und Daten geeignet sind, zählen alle Formen nichtflüchtigen Speichers, darunter zum Beispiel Halbleiter-Speichereinheiten wie beispielsweise EPROM, EEPROM, Flash-Speichereinheiten oder sonstige.More generally, the above invention can be implemented, at least in part, in digital electronic circuits or in computer hardware, firmware, software, or combinations thereof. In general, a processor receives instructions and data from a read only memory and / or random access memory. Storage devices that are suitable for physically embodying computer program instructions and data include all forms of nonvolatile memory, including, for example, semiconductor memory devices such as EPROM, EEPROM, flash memory devices, or others.

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Claims (14)

Integriertes Schaltungsmodul (10a bis 10n), das aufweist: – eine Schichtstruktur mit: – Elektroden (17), die auf einer Schicht (11, 16) davon angeordnet sind; und – integrierten Schaltungen (16), die mit den Elektroden in elektrischer Verbindung stehen, und – einen oder mehrere Flüssigkeitskreislaufabschnitte (19, 19', 19 1', 19 2'), die jeweils dazu eingerichtet sind, zumindest eine jeweilige Elektrolytlösung (29, 29', 29'') mit löslichen elektroaktiven Spezies darin aufzunehmen und der Lösung zu ermöglichen, mit zumindest einigen der Elektroden (17) in Kontakt zu treten, um die integrierten Schaltungen im Betrieb mit Leistung zu versorgen und, wobei zumindest der eine Flüssigkeitskreislaufabschnitt (19, 19', 19 1', 19 2') oder einer der mehreren Flüssigkeitskreislaufabschnitte (19, 19', 19 1', 19 2') gemäß einer entsprechenden Elektrolytlösung konzipiert ist, um die integrierten Schaltungen im Betrieb abzukühlen.Integrated circuit module ( 10a to 10n ), comprising: - a layer structure comprising: - electrodes ( 17 ) on one layer ( 11 . 16 ) thereof; and integrated circuits ( 16 ) in electrical communication with the electrodes, and - one or more fluid circuit sections ( 19 . 19 ' . 19 1 ', 19 2 '), which are each adapted to at least one respective electrolytic solution ( 29 . 29 ' . 29 '' ) with soluble electroactive species therein and allowing the solution to react with at least some of the electrodes ( 17 ) in order to power the integrated circuits during operation and, wherein at least the one liquid circuit section ( 19 . 19 ' . 19 1 ', 19 2 ') or one of the plurality of fluid circuit sections ( 19 . 19 ' . 19 1 ', 19 2 ') is designed in accordance with a corresponding electrolyte solution to cool the integrated circuits during operation. Integriertes Schaltungsmodul nach Anspruch 1, wobei zumindest der eine Flüssigkeitskreisiaufabschnitt (19, 19', 19 1', 19 2') oder einer der mehreren Flüssigkeitskreislaufabschnitte (19, 19', 19 1', 19 2') dazu eingerichtet ist, einer entsprechenden Lösung zu ermöglichen, entlang einer Schicht der Schichtstruktur zu fließen.An integrated circuit module according to claim 1, wherein at least said one liquid circuit section ( 19 . 19 ' . 19 1 ', 19 2 ') or one of the plurality of fluid circuit sections ( 19 . 19 ' . 19 1 ', 19 2 ') is adapted to allow a corresponding solution to flow along a layer of the layer structure. Integriertes Schaltungsmodul nach Anspruch 2, wobei zumindest der eine Flüssigkeitskreislaufabschnitt (19') oder einer der mehreren Flüssigkeitskreislaufabschnitte (19') dazu eingerichtet ist, einer entsprechenden Lösung zu ermöglichen, zwischen zwei Schichten (16) der Schichtstruktur zu fließen, wobei es sich bei den beiden Schichten (16) um zwei Schichten von integrierten Schaltungen handelt, die als 3D-Stapel von Schichten eines Multi-Chip-Moduls (10g) angeordnet sind.An integrated circuit module according to claim 2, wherein at least said one liquid circuit section (16) 19 ' ) or one of the plurality of fluid circuit sections ( 19 ' ) is set up to allow a corresponding solution to take place between two layers ( 16 ) of the layer structure, whereby the two layers ( 16 ) are two layers of integrated circuits designed as a 3D stack of layers of a multi-chip module ( 10g ) are arranged. Integriertes Schaltungsmodul (10j, 10l, 10n) nach Anspruch 3, wobei zumindest einige der Elektroden (17a, 17c, 17a2, 17c1) als Distanzstücke konzipiert sind, die Schichten (13, 16) der Schichtstruktur einschränken.Integrated circuit module ( 10j . 10l . 10n ) according to claim 3, wherein at least some of the electrodes ( 17a . 17c . 17a2 . 17c1 ) are designed as spacers, the layers ( 13 . 16 ) restrict the layer structure. Integriertes Schaltungsmodul nach Anspruch 2, 3 oder 4, wobei zumindest einige der Elektroden (17) auf einer Seite einer Schicht der Schichtstruktur angeordnet sind, wobei einer Lösung durch zumindest den einen Flüssigkeitskreislaufabschnitt (19') oder einen der mehreren Flüssigkeitskreislaufabschnitte (19') ermöglicht wird, entlang dieser Seite zu fließen.Integrated circuit module according to claim 2, 3 or 4, wherein at least some of the electrodes ( 17 ) are arranged on one side of a layer of the layer structure, wherein a solution through at least one liquid circulation section ( 19 ' ) or one of the plurality of fluid circuit sections ( 19 ' ) is allowed to flow along this side. integriertes Schaltungsmodul nach Anspruch 3 oder 4, wobei zumindest einige der Elektroden (17) auf jeder der beiden Schichten angeordnet sind, zwischen denen einer Elektrolytlösung eines entsprechenden des einen oder der mehreren Flüssigkeitskreislaufabschnitte (19') zu fließen ermöglicht wird.integrated circuit module according to claim 3 or 4, wherein at least some of the electrodes ( 17 ) are arranged on each of the two layers, between which an electrolyte solution of a corresponding one of the one or more liquid circulation sections ( 19 ' ) is allowed to flow. Integriertes Schaltungsmodul (10h, 10j, 10m, 10n) nach Anspruch 6, wobei Elektroden (17), die auf einer Seite einer der beiden Schichten angeordnet sind, sowohl Kathoden als auch Anoden aufweisen.Integrated circuit module ( 10h . 10j . 10m . 10n ) according to claim 6, wherein electrodes ( 17 ) disposed on one side of one of the two layers have both cathodes and anodes. Integriertes Schaltungsmodul (10a bis 10c, 10e, 10f) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Schichtstruktur aufweist: eine Leiterplatte (11); eine Substratverbindung (13); und einen integrierten Schaltungs-Chip (16), der zumindest einige der integrierten Schaltungen aufweist, und wobei zumindest einige der Elektroden (17) und zumindest der eine Flüssigkeitskreislaufabschnitt (19, 19') oder einer der mehreren Flüssigkeitskreislaufabschnitte (19, 19') auf einer Seite von einem von: der Leiterplatte (11); der Substratverbindung (13); oder dem integrierten Schaltungs-Chip (16) angeordnet sind. Integrated circuit module ( 10a to 10c . 10e . 10f ) according to one of claims 1 or 2, wherein the layer structure comprises: a printed circuit board ( 11 ); a substrate compound ( 13 ); and an integrated circuit chip ( 16 ) comprising at least some of the integrated circuits, and wherein at least some of the electrodes ( 17 ) and at least one liquid circuit section ( 19 . 19 ' ) or one of the plurality of fluid circuit sections ( 19 . 19 ' ) on one side of one of: the printed circuit board ( 11 ); the substrate compound ( 13 ); or the integrated circuit chip ( 16 ) are arranged. Integriertes Schaltungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der eine oder die mehreren Flüssigkeitskreislaufabschnitte (19, 19') dazu eingerichtet sind, eine einzige Elektrolytlösung (31) aufzunehmen, und wobei die Elektroden selektive Kathoden und Anoden aufweisen, wobei der eine oder die mehreren Flüssigkeitskreislaufabschnitte dazu eingerichtet sind, der einzigen Elektrolytlösung zu ermöglichen, mit den selektiven Kathoden und Anoden in Kontakt zu treten, wodurch ein Einzelstrom-Redoxsystem ausgebildet wird.An integrated circuit module according to any one of claims 1 to 8, wherein the one or more liquid circuit sections (16) 19 . 19 ' ) are adapted to use a single electrolyte solution ( 31 and wherein the electrodes comprise selective cathodes and anodes, wherein the one or more liquid circulation sections are adapted to allow the single electrolyte solution to contact the selective cathodes and anodes, thereby forming a single-current redox system. Integriertes Schaltungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der eine oder die mehreren Flüssigkeitskreislaufabschnitte (19, 19, 19 1', 19 2') dazu eingerichtet sind: – zwei Elektrolytlösungen (31, 32) aufzunehmen, und bevorzugt eine Membran aufweisen, die so angeordnet ist, dass sie die beiden Elektrolytlösungen in dem einen oder den mehreren Flüssigkeitskreislaufabschnitten trennt, und – den beiden Elektrolytlösungen zu ermöglichen, mit jeweiligen Teilmengen der Elektroden in Kontakt zu treten, und wobei eine der Teilmengen Kathoden aufweist und eine weitere der Teilmengen Anoden aufweist, wodurch ein Doppelstrom-Redoxsystem ausgebildet wird.An integrated circuit module according to any one of claims 1 to 8, wherein the one or more liquid circuit sections (16) 19 . 19 . 19 1 ', 19 2 ') are arranged: - two electrolyte solutions ( 31 . 32 ), and preferably comprise a membrane arranged to separate the two electrolyte solutions in the one or more liquid circulation sections, and to allow the two electrolyte solutions to contact respective subsets of the electrodes, and one of the Has subsets cathodes and another of the subsets anodes, whereby a double-current redox system is formed. Integriertes Schaltungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der eine oder die mehreren Flüssigkeitskreislaufabschnitte jeweils mit einer jeweiligen Elektrolytlösung gefüllt sind, wobei: – die jeweilige Elektrolytlösung ein Redoxpaar, das sowohl in seiner oxidierten Form als auch in seiner reduzierten Form löslich ist, ein Trägerelektrolyt, das bevorzugt keine Redoxprozesse in einem Potenzialbereich zeigt, der zum Zuführen von Leistung zu den integrierten Schaltungen verwendet wird, und Zusätze zum Einstellen eines Redoxpotenzials und/oder einer Umkehrbarkeit des Redoxpaars aufweist.An integrated circuit module according to any one of the preceding claims, wherein the one or more liquid circuit sections are each filled with a respective electrolyte solution, wherein: - the respective electrolyte solution is a redox couple which is soluble in both its oxidized form and reduced form, a supporting electrolyte, which preferably shows no redox processes in a potential range used to supply power to the integrated circuits, and Having additives for adjusting a redox potential and / or a reversibility of the redox couple. Integriertes Schaltungsmodul nach Anspruch 12, wobei die jeweiligen Elektrolytlösungen aufweisen: – ein beliebiges der folgenden Redoxpaare oder ein Derivat davon: Fe2+/Fe3+, V2+/V3+, VO2+/VO2 +, Ce3+/Ce4+, Co2+/Co3+, Cr2+/Cr3+, Ti3+/TiOH3+, Cr3+/Cr2O7 2–, BH4 –/BO2, OH–/H2O2, Br/Br3–, Mn2+/Mn3+, Ru2 +/Ru3+; und – einen der Zusätze Acetat, o-Phenanthrolin, Methylphenanthrolin, Dimethylphenanthrolin, Bipyridin, Ethylendiamin, und wobei die jeweiligen Elektrolytlösungen aufweisen: einen beliebigen der folgenden Trägerelektrolyte: H2SO4, HCl, Na2SO4, NaCl, NaOH, K2SO4, KOH und Wasser als Lösungsmittel.The integrated circuit module of claim 12, wherein the respective electrolyte solutions comprise: any of the following redox couples or a derivative thereof: Fe 2+ / Fe 3+ , V 2+ / V 3+ , VO 2+ / VO 2 + , Ce 3+ / Ce 4+ , Co 2+ / Co 3+ , Cr 2+ / Cr 3+ , Ti 3+ / TiOH 3+ , Cr 3+ / Cr 2 O 7 2- , BH 4 - / BO 2 , OH - / H 2 O 2, Br / Br 3-, Mn 2+ / Mn 3+, Ru 2+ / Ru 3+; and one of the additives acetate, o-phenanthroline, methylphenanthroline, dimethylphenanthroline, bipyridine, ethylenediamine, and wherein the respective electrolyte solutions comprise: any of the following carrier electrolytes: H 2 SO 4 , HCl, Na 2 SO 4 , NaCl, NaOH, K 2 SO 4 , KOH and water as solvent. Computersystem, das aufweist: – zumindest ein integriertes Schaltungsmodul (10a bis 10n) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; und – eine elektrochemische Leistungsversorgungseinheit (110), die mit einem oder mehreren Flüssigkeitskreislaufabschnitten (19, 19', 19 1 ', 19 2 ') des zumindest einen integrierten Schaltungsmoduls in Flüssigkeitsverbindung (111, 112, 19i, 19o) steht, wobei die elektrochemische Leistungsversorgungseinheit eine Konvektionseinheit (141, 142) aufweist, die dazu eingerichtet ist, die Konvektion einer oder mehrerer Elektrolytlösungen (31, 32) in den Flüssigkeitskreislaufabschnitten des zumindest einen integrierten Schaltungsmoduls gemäß einem Leistungsversorgungsbedarf davon im Betrieb zu regeln.Computer system, comprising: - at least one integrated circuit module ( 10a to 10n ) according to any one of the preceding claims; and - an electrochemical power supply unit ( 110 ) associated with one or more fluid circuit sections ( 19 . 19 ' . 19 1 ' . 19 2 ' ) of the at least one integrated circuit module in fluid communication ( 111 . 112 . 19i . 19o ), wherein the electrochemical power supply unit comprises a convection unit ( 141 . 142 ), which is adapted to prevent the convection of one or more electrolyte solutions ( 31 . 32 ) in the liquid circulation sections of the at least one integrated circuit module according to a power supply demand thereof in operation. Verfahren zum Betreiben eines Computersystems, das einen Schritt aufweist zum: – Bereitstellen (S100) eines Computersystems, das ein integriertes Schaltungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 12 aufweist; – Zuführen von Leistung (S200 bis S300) zu den integrierten Schaltungen, indem zumindest eine Elektrolytlösung in einem jeweiligen Flüssigkeitskreislaufabschnitt des zumindest einen integrierten Schaltungsmoduls gezwungen wird, mit zumindest einigen der Elektroden (17) des zumindest einen integrierten Schaltungsmoduls in Kontakt zu treten.A method of operating a computer system, comprising the step of: providing (S100) a computer system having an integrated circuit module according to any one of claims 1 to 12; Supplying power (S200 to S300) to the integrated circuits by forcing at least one electrolyte solution in a respective liquid circulation section of the at least one integrated circuit module with at least some of the electrodes ( 17 ) of the at least one integrated circuit module.
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