隨著摩爾定律的演進逐漸逼近極限，芯片尺寸卻仍在持續(xù)微縮，而如數據中心等應用場景對功率的需求不斷提升，如何平衡芯片性能、功耗與面積（PPA），成為業(yè)界面臨的一大挑戰(zhàn)。
而如何有效為這些芯片散熱又是另一大挑戰(zhàn)。傳統的風冷模式雖簡單可靠，但其散熱能力有限，尤其是在高熱流密度的場景下，風冷的效果尤為不佳。業(yè)界亟需新的芯片散熱方式。
液冷技術分類
液冷技術因其更高的熱容量和傳熱效率而逐漸成為主流。根據冷卻液與發(fā)熱器件接觸方式的不同，液冷技術可以分為間接液冷和直接液冷。
?間接液冷?是指，冷卻液不直接接觸發(fā)熱器件，而是通過中間介質（如銅板或熱管）進行熱量交換。?冷板式液冷?是間接液冷的主要形式，應用最為廣泛。它通過在服務器組件（如CPU、GPU等高發(fā)熱部件）上安裝液冷板，利用液冷板內部的液體循環(huán)將熱量傳遞到遠離服務器的散熱單元?。
?直接液冷?則是冷卻液直接與發(fā)熱元件接觸，如CPU或GPU芯片表面，通過熱界面材料進行高效的熱能傳遞。?直接熱冷又可分為浸沒式液冷?和?噴淋式液冷另種方式：浸沒式液冷?是將發(fā)熱器件直接浸泡在冷卻液中，利用液體的流動和熱傳導特性將熱量帶走；?噴淋式液冷?則是將冷卻液精準噴灑于電子設備器件進行散熱?。
液冷具備的優(yōu)勢和主要應用領域
相較于風冷，液冷具有諸多優(yōu)勢：一是更高的散熱效率，液體具有較高的比熱容，能夠更快地吸收和釋放熱量；二是更低能耗，由于液體的高效傳熱特性，液冷系統的能耗通常較低；三是能實現更好的設備保護，液冷能夠有效延長設備的使用壽命，減少因過熱導致的故障。
目前，液冷因成本等問題沒有得到廣泛應用，主要的應用領域還是集中于對散熱有嚴格要求的領域。一是高性能計算，如數據中心服務器等需要處理海量數據，運行高性能運算等任務，產生的熱量多，又需及時散熱；二是電子競技及高端游戲硬件，專業(yè)的電競PC和顯卡采用液冷系統，可有效解決高負荷下因過熱導致的性能下降問題；三是電動汽車中的電池系統，維持電池模塊在適宜的工作溫度下工作，可延長電池的壽命，提高車輛的續(xù)航里程。
三維微流控液冷系統
近日，東京大學工業(yè)科學研究所研究人員發(fā)表了一項新的有關于芯片冷卻技術的研究，可顯著提升芯片冷卻的性能。
該研究顯示，目前最具前景的芯片冷卻方法包括直接在芯片內部嵌入微通道，這些通道允許水從中流過，能有效地吸收熱量并將其從熱源處轉移走，即前述的間接液冷方式。
然而，這項技術的效率受到水的顯熱的限制。顯熱指的是，在不引起物質相變的情況下升高其溫度所需的熱量。水的相變潛熱，即在沸騰或蒸發(fā)過程中吸收的熱能，大約是其顯熱的7倍。該研究的第一作者Hongyuan Shi解釋道：“通過利用水的潛熱，可以實現兩相冷卻，從而在散熱方面顯著提高效率。”
此前的研究已經顯示出兩相冷卻的潛力，同時也凸顯了這項技術的復雜性，這主要是因為在加熱后難以控制氣泡的流動。最大限度地提高熱傳遞效率取決于多種因素，包括微通道的幾何形狀、兩相流調節(jié)以及流阻。
這項研究描述了一種新型水冷系統，該系統由三維微流控通道結構組成，利用了毛細結構和歧管分布層。研究人員設計并制造了各種毛細幾何形狀，并在一系列條件下研究了它們的特性。
研究發(fā)現，冷卻劑流過的微通道的幾何形狀，以及控制冷卻液分布的歧管通道，都會影響系統的熱性能和水力性能。
所測得的有用冷卻輸出與所需能量輸入之比，即性能系數（COP），最高達到了10的5次方，這標志著相對于傳統冷卻技術的顯著進步。
該研究的資深作者Masahiro Nomura表示：“大功率電子設備的熱管理對于下一代技術的發(fā)展至關重要，我們的設計可能為實現所需的冷卻方式開辟新途徑。”
具備高性能的電子產品依賴于先進的冷卻技術，這項研究可能有助于最大限度地提高未來設備的性能，并實現碳中和的目標。
嵌入芯片封裝的微流體冷卻方案
近期，佐治亞理工學院也研發(fā)了一種針對電子產品的液體冷卻系統，旨在解決一個長期存在的問題：過熱。
該系統使用了一個冷卻塊，一側有微小的針狀翅片，另一側有一種特殊的熱界面材料。冷卻塊上還連接著一個接口，帶有流體進出的端口。冷卻流體在微針狀翅片中流動，幫助帶走熱量。由于端口的設計與翅片的形狀相匹配，這確保了流體能夠高效流動，并且在芯片規(guī)模上盡可能有效地散熱。
該冷卻系統使用了微流體通道——液體流經的微小而復雜的路徑，這些通道嵌入在芯片封裝內部。這種冷卻解決方案直接集成到電子元件中，這使得它比傳統的冷卻方法效率高得多，因為它增強了散熱過程，從而大大降低過熱的風險，減少功耗。
該系統的研發(fā)人丹尼爾?洛倫齊尼表示：“我們的解決方案直接針對硅芯片的發(fā)熱源頭，因此能夠讓芯片運行速度更快。我們的設計是將系統直接安裝在產生熱量最多的硅芯片上。利用微針狀翅片中的流體，將芯片產生的熱量帶走。”
這項技術可以解決游戲系統、高性能計算、電信和能源系統中類似的電子設備過熱問題。
結語
在芯片性能提升與功耗、面積矛盾加劇，傳統風冷散熱捉襟見肘的當下，液冷技術憑借高效傳熱、節(jié)能與設備保護優(yōu)勢脫穎而出。無論是間接還是直接液冷方式，都在特定領域發(fā)揮關鍵作用。無論是東京大學利用相變潛熱的三維微流控系統，還是佐治亞理工嵌入芯片封裝的微流體冷卻方案，這些創(chuàng)新技術均突破了傳統散熱模式的瓶頸，通過結構集成化與熱傳遞機制優(yōu)化，在提升散熱效率的同時降低能耗，為數據中心、高性能計算、新能源等領域的過熱難題提供前瞻性解決方案。
隨著技術迭代與成本優(yōu)化，液冷技術不僅將釋放芯片性能潛力，更將為電子產業(yè)可持續(xù)發(fā)展及“碳中和”目標的實現注入核心動力。
END
