近日，東京大學的研究團隊公布了一種創新的3D水冷系統，該系統充分利用了水的相變過程，實現了高達7倍的熱傳遞效率提升。這一研究成果目前發表在《Cell Reports Physical Science》雜志上。
摩爾定律所描述的芯片持續微型化趨勢一直是數字時代發展的強大動力。然而，隨著芯片尺寸不斷縮小且性能日益強大，散熱問題逐漸成為制約其發展的關鍵瓶頸，現有的冷卻技術已難以滿足需求。
目前，一種有效的冷卻方法是在芯片內部直接構建微通道。這些微小的通道通過循環水吸收并帶走熱量。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，水在沸騰或蒸發時吸收的“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，可以實現兩相冷卻，從而顯著提高散熱效率。”
此前的研究已經展示了兩相冷卻的潛力，但也指出了該技術的復雜性，主要是由于在加熱后難以控制蒸汽氣泡的流動。同時提高熱傳遞效率取決于多種因素，包括微通道的幾何形狀、兩相流的調控以及流動阻力。
此次研究的新型水冷系統包括三維微流體通道結構，利用毛細管結構和歧管分配層，同時設計和制造了各種毛細血管幾何形狀，并在一系列條件下研究了它們的特性。
其核心技術采用雙級流動設計：冷卻劑先流經寬幅歧管，再進入20微米寬的精密微通道網絡，精準鎖定芯片熱點實現瞬間汽化散熱。團隊證實該方案熱流密度可達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，兼容現有半導體工藝。
研究發現，冷卻液流經的微通道的幾何形狀以及控制冷卻液分配的歧管通道，都會影響系統的熱性能和水力性能。根據其所測量的有用冷卻輸出與所需能量輸入的比率，即制冷系數（COP），最高可達10萬，這一數字顯著優于傳統冷卻技術。
當前的芯片散熱方案
隨著芯片技術的不斷進步，芯片性能在日益提升的同時功耗也隨之增加。根據統計數據，電子元器件溫度每升高2℃，可靠性下降10%，溫度達到50℃時的壽命只有25℃時的1/6，因此數據中心及AI芯片廠商都在不斷探索散熱技術以保證其產品性能。
前文提到的芯片內微通道散熱就是當前芯片散熱的一種技術。該技術最初是由斯坦福大學的TUCKERMAN和PEASE在1981年提出，其在硅襯底上加工了寬度為 50 μm的微通道結構，在 790 W/c㎡的熱流密度下，芯片的溫升被控制在71℃以內。2022 年，北京大學提出了一種雙H型芯片歧管內嵌冷卻結構，采用硅-硅鍵合工藝集成，可針對面積為400m㎡、功耗為417W的芯片，在溫升為22.2℃的情況下，實現了對104.3 W/c㎡熱流密度的冷卻。另外，洛桑聯邦理工學院的研究人員再次升級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計在一起，在芯片內部設計了三維冷卻通道，在晶體管的有源部分下方，距離實際產生熱量的地方只有幾微米，這樣可以防止熱量在整個設備中擴散。
隨著市場需求的增長，越來越多的企業開始涉足芯片級散熱領域，芯片廠商臺積電、英偉達、英特爾等均有自己的散熱方案。
其中，臺積電在2021年針對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行集成，可在特定溫升和功耗下實現有效冷卻；另一種是片上水冷技術，能滿足不同參數芯片的散熱需求。2022年又提出浸沒式兩相冷卻方案，將浸沒式冷卻應用于高功率封裝上，熱阻低，可在一定溫升下實現高功率密度的冷卻，且該方案在電源使用效率方面表現優異，有望成為未來數據中心或超算中心主流的冷卻方式之一。
英偉達推出了基于直接芯片冷卻技術的A100 800G PCIe液冷GPU，較風冷版本性能相當，但電力節約30%左右，單插槽設計節省最多66%的機架空間。2024年發布的GB200 NVL72，單功率約120kw，采用液冷系統設計，降低了成本和能耗。此外，英偉達還率先采用鉆石散熱GPU進行測試實驗，性能顯著提升。
英特爾的散熱方案主要是通過“新材料和結構革新”，涵蓋了從3D均熱板的改進和射流液體冷卻，以及浸沒式冷卻相關的優化設計。例如計劃通過改進的沸騰涂層來促進兩相冷卻中的成核點密度，提高均熱板工質的核沸騰能力，并降低接觸熱阻。
日月光半導體在2024年10月公布的“封裝結構”專利中，引入了一種第一熱電結構，具備溫度感測模式和制冷模式。該熱電結構能夠穿入介電層，貼近芯片的第一表面，從而在制冷模式下對芯片提供有效的冷卻。
值得注意的是，根據相關數據顯示，2024年全球數據中心熱管理市場規模為165.6億美元，預計到2029年將增長至345.1億美元，2024-2029年的復合年增長率（CAGR）為15.8%。從技術滲透率來看，Omdia預計2023年數據中心風冷和液冷市場規模為76.7億美元，其中液冷的滲透率約為17%。
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