近年來(lái)，研究人員開始探索將液體冷卻模塊直接嵌入芯片內(nèi)部，以實(shí)現(xiàn)更加高效的制冷效果的新技術(shù)，但這一技術(shù)仍未解決電子設(shè)備和冷卻系統(tǒng)分開處理的困境，從而無(wú)法發(fā)揮嵌入式冷卻系統(tǒng)的全部節(jié)能潛力。
9 月 9 日，來(lái)自瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）電氣工程研究所功率和寬帶隙電子研究實(shí)驗(yàn)室（POWERlab）的 Elison Matioli 教授及其博士生 Remco Van Erp 等研究人員，在 Nature 上發(fā)表了一項(xiàng)最新研究成果，在芯片冷卻技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)了新的突破。
研究人員使用微流體電子協(xié)同設(shè)計(jì)方案，在同一半導(dǎo)體的襯底內(nèi)將微流體和電子元器件進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，生產(chǎn)出一個(gè)單片集成的歧管微通道冷卻結(jié)構(gòu)，可以有效地管理晶體管產(chǎn)生的大熱通量。
研究結(jié)果表明，該冷卻結(jié)構(gòu)僅使用 0.57 瓦/平方厘米的泵送功率，就可以輸送超過(guò) 1.7 千瓦/平方厘米的熱通量，其冷卻效果超出當(dāng)前所使用的結(jié)構(gòu)的效果。
2019 年 5G 進(jìn)入正式商用以來(lái)，高速率低時(shí)延的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)為超高密度的信息接入提供了便捷，與此同時(shí)也產(chǎn)生了海量的數(shù)據(jù)，亞洲服務(wù)器租用，作為云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)據(jù)中心，在規(guī)模和數(shù)量方面都呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，隨之而來(lái)的高能耗問(wèn)題已然成為業(yè)界面臨的一大難題。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，在一個(gè)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的總能耗中，制冷系統(tǒng)用于冷卻散熱的能耗占比達(dá) 30% 至 40% 。數(shù)據(jù)中心目前采用的冷卻技術(shù)主要包括冷凍水、泵送制冷劑、遏制通道、行和機(jī)架級(jí)空氣、液體冷卻等方式，需要消耗大量的能源和水資源。
Elison Matioli 教授團(tuán)隊(duì)致力于從觀念上真正實(shí)現(xiàn)改變電子設(shè)備的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)之初就開始通過(guò)構(gòu)思電子設(shè)備與冷卻結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)，目的是將設(shè)備中散熱最大的區(qū)域附近的熱量散發(fā)出去。
Van Erp 表示：“ 我們希望結(jié)合電氣和機(jī)械工程方面的技術(shù)，制造出一種新型設(shè)備。”
微流體電子協(xié)同設(shè)計(jì)
隨著電子產(chǎn)品的集成度越來(lái)越高，不斷縮小的半導(dǎo)體器件在擁有更小、 更輕、更便攜等優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，也產(chǎn)生了更高的熱通量，為冷卻技術(shù)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。
與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體相比，氮化鎵（GaN）之類的寬帶隙半導(dǎo)體可實(shí)現(xiàn)更小的壓鑄模，以及功率器件的單片集成，從而可以支持將完整的功率轉(zhuǎn)換器小型化為單個(gè)芯片，因此被研究人員當(dāng)作解決這一問(wèn)題的候選者。
先前大量的研究工作都聚焦在如何改善散熱區(qū)和冷卻劑之間的熱路徑上，但排熱能力從根本上受限于半導(dǎo)體的模具和封裝之間存在的熱阻。此外，由于電子設(shè)備不能密集封裝，不僅需要依賴更大的散熱器，而且會(huì)降低設(shè)備功率密度并阻礙半導(dǎo)體集成。
Elison Matioli 帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)希望解決如何冷卻電子設(shè)備（尤其是晶體管）的問(wèn)題。Elison Matioli 說(shuō)：“ 管理這些設(shè)備產(chǎn)生的熱量將是未來(lái)電子產(chǎn)品面臨的最大挑戰(zhàn)之一，最大限度地減少能源消耗對(duì)環(huán)境的影響變得越來(lái)越重要，因此我們需要在冷卻技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新，以可持續(xù)、低成本、高效益的方式，有效地處理芯片產(chǎn)生的大量熱通量。”
于是，研究人員開始探索使用冷卻劑與設(shè)備直接接觸的方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的冷卻性能。歧管式微通道（MMC）熱沉憑借熱阻小、結(jié)構(gòu)緊湊、冷卻液流量小、流速低、沿著流動(dòng)方向溫度分布均勻等優(yōu)點(diǎn)，成為備選方案。
研究人員提出了在具有外延層的單晶硅襯底上設(shè)計(jì)的單片集成的多歧管微通道（mMMC）散熱器，無(wú)需繁瑣的鍵合步驟即可生產(chǎn)。此處，器件的設(shè)計(jì)和散熱器的制造是在同一過(guò)程中結(jié)合在一起，冷卻通道直接嵌入在芯片的有效區(qū)域下方。因此，冷卻劑可以直接撞擊熱源，提供局部和有效的散熱。
研究結(jié)果表明，這種將冷卻作為設(shè)備整體結(jié)構(gòu)的一個(gè)組成部分的設(shè)計(jì)，可以將冷卻性能提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。
“我們將微流體通道放置在非常靠近晶體管散熱點(diǎn)的位置，并采用簡(jiǎn)單的集成制造工藝，實(shí)現(xiàn)在正確的位置提取熱量，并防止熱量散布到整個(gè)器件中 。” Matioli 說(shuō)。
高冷卻性能
