近日，東京大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)公布了一種創(chuàng)新的3D水冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用了水的相變過程，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)7倍的熱傳遞效率提升。這一研究成果目前發(fā)表在《Cell Reports Physical Science》雜志上。
摩爾定律所描述的芯片持續(xù)微型化趨勢(shì)一直是數(shù)字時(shí)代發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。然而，隨著芯片尺寸不斷縮小且性能日益強(qiáng)大，散熱問題逐漸成為制約其發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸，現(xiàn)有的冷卻技術(shù)已難以滿足需求。
目前，一種有效的冷卻方法是在芯片內(nèi)部直接構(gòu)建微通道。這些微小的通道通過循環(huán)水吸收并帶走熱量。然而，這種方法受到水的“顯熱”的限制，即水在不發(fā)生相變的情況下能夠吸收的熱量。相比之下，水在沸騰或蒸發(fā)時(shí)吸收的“潛熱”大約是其顯熱的 7 倍。該研究的主要作者解釋稱：“通過利用水的潛熱，可以實(shí)現(xiàn)兩相冷卻，從而顯著提高散熱效率。”
此前的研究已經(jīng)展示了兩相冷卻的潛力，但也指出了該技術(shù)的復(fù)雜性，主要是由于在加熱后難以控制蒸汽氣泡的流動(dòng)。同時(shí)提高熱傳遞效率取決于多種因素，包括微通道的幾何形狀、兩相流的調(diào)控以及流動(dòng)阻力。
此次研究的新型水冷系統(tǒng)包括三維微流體通道結(jié)構(gòu)，利用毛細(xì)管結(jié)構(gòu)和歧管分配層，同時(shí)設(shè)計(jì)和制造了各種毛細(xì)血管幾何形狀，并在一系列條件下研究了它們的特性。
其核心技術(shù)采用雙級(jí)流動(dòng)設(shè)計(jì)：冷卻劑先流經(jīng)寬幅歧管，再進(jìn)入20微米寬的精密微通道網(wǎng)絡(luò)，精準(zhǔn)鎖定芯片熱點(diǎn)實(shí)現(xiàn)瞬間汽化散熱。團(tuán)隊(duì)證實(shí)該方案熱流密度可達(dá)1千瓦/平方厘米，完美適配下一代AI芯片需求，且微通道可直接蝕刻于硅晶圓背面，兼容現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝。
研究發(fā)現(xiàn)，冷卻液流經(jīng)的微通道的幾何形狀以及控制冷卻液分配的歧管通道，都會(huì)影響系統(tǒng)的熱性能和水力性能。根據(jù)其所測(cè)量的有用冷卻輸出與所需能量輸入的比率，即制冷系數(shù)（COP），最高可達(dá)10萬，這一數(shù)字顯著優(yōu)于傳統(tǒng)冷卻技術(shù)。
當(dāng)前的芯片散熱方案
隨著芯片技術(shù)的不斷進(jìn)步，芯片性能在日益提升的同時(shí)功耗也隨之增加。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，電子元器件溫度每升高2℃，可靠性下降10%，溫度達(dá)到50℃時(shí)的壽命只有25℃時(shí)的1/6，因此數(shù)據(jù)中心及AI芯片廠商都在不斷探索散熱技術(shù)以保證其產(chǎn)品性能。
前文提到的芯片內(nèi)微通道散熱就是當(dāng)前芯片散熱的一種技術(shù)。該技術(shù)最初是由斯坦福大學(xué)的TUCKERMAN和PEASE在1981年提出，其在硅襯底上加工了寬度為 50 μm的微通道結(jié)構(gòu)，在 790 W/c㎡的熱流密度下，芯片的溫升被控制在71℃以內(nèi)。2022 年，北京大學(xué)提出了一種雙H型芯片歧管內(nèi)嵌冷卻結(jié)構(gòu)，采用硅-硅鍵合工藝集成，可針對(duì)面積為400m㎡、功耗為417W的芯片，在溫升為22.2℃的情況下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)104.3 W/c㎡熱流密度的冷卻。另外，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員再次升級(jí)了嵌入式冷卻的想法，從一開始就將電子元件和冷卻裝置設(shè)計(jì)在一起，在芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)了三維冷卻通道，在晶體管的有源部分下方，距離實(shí)際產(chǎn)生熱量的地方只有幾微米，這樣可以防止熱量在整個(gè)設(shè)備中擴(kuò)散。
隨著市場(chǎng)需求的增長，越來越多的企業(yè)開始涉足芯片級(jí)散熱領(lǐng)域，芯片廠商臺(tái)積電、英偉達(dá)、英特爾等均有自己的散熱方案。
其中，臺(tái)積電在2021年針對(duì)高性能芯片提出了兩種近芯片冷卻方案，一種是在芯片與硅微通道之間采用氧硅鍵合進(jìn)行集成，可在特定溫升和功耗下實(shí)現(xiàn)有效冷卻；另一種是片上水冷技術(shù)，能滿足不同參數(shù)芯片的散熱需求。2022年又提出浸沒式兩相冷卻方案，將浸沒式冷卻應(yīng)用于高功率封裝上，熱阻低，可在一定溫升下實(shí)現(xiàn)高功率密度的冷卻，且該方案在電源使用效率方面表現(xiàn)優(yōu)異，有望成為未來數(shù)據(jù)中心或超算中心主流的冷卻方式之一。
英偉達(dá)推出了基于直接芯片冷卻技術(shù)的A100 800G PCIe液冷GPU，較風(fēng)冷版本性能相當(dāng)，但電力節(jié)約30%左右，單插槽設(shè)計(jì)節(jié)省最多66%的機(jī)架空間。2024年發(fā)布的GB200 NVL72，單功率約120kw，采用液冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低了成本和能耗。此外，英偉達(dá)還率先采用鉆石散熱GPU進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，性能顯著提升。
英特爾的散熱方案主要是通過“新材料和結(jié)構(gòu)革新”，涵蓋了從3D均熱板的改進(jìn)和射流液體冷卻，以及浸沒式冷卻相關(guān)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。例如計(jì)劃通過改進(jìn)的沸騰涂層來促進(jìn)兩相冷卻中的成核點(diǎn)密度，提高均熱板工質(zhì)的核沸騰能力，并降低接觸熱阻。
日月光半導(dǎo)體在2024年10月公布的“封裝結(jié)構(gòu)”專利中，引入了一種第一熱電結(jié)構(gòu)，具備溫度感測(cè)模式和制冷模式。該熱電結(jié)構(gòu)能夠穿入介電層，貼近芯片的第一表面，從而在制冷模式下對(duì)芯片提供有效的冷卻。
值得注意的是，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2024年全球數(shù)據(jù)中心熱管理市場(chǎng)規(guī)模為165.6億美元，預(yù)計(jì)到2029年將增長至345.1億美元，2024-2029年的復(fù)合年增長率（CAGR）為15.8%。從技術(shù)滲透率來看，Omdia預(yù)計(jì)2023年數(shù)據(jù)中心風(fēng)冷和液冷市場(chǎng)規(guī)模為76.7億美元，其中液冷的滲透率約為17%。
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