进展 | 冷却芯片的4种新方法

工程师们寻找

 超越传统芯片设计的

冷却方法。

▼

微处理器领域有点过热了。这已经不是第一次了。摩尔定律一直警示我们，更多的晶体管、更高的切换频率意味着更多的热量。多年来，芯片制造商们已经用过许多方法来散热，比如降低时钟速度，或者在一块芯片上放置多个微处理器内核。

但热量依然继续限制着芯片的性能。今天的处理器上的热点能够达到每平方厘米1千瓦的功率密度，比火箭喷管内部的热量要高得多。美国国防部高级研究计划局（DARPA）微系统技术办公室的项目经理艾弗拉姆•巴尔-科恩（Avram Bar-Cohen）表示，高级微处理器上的晶体管越来越多，却不会在同一时刻运行，因为那样会产生过多的热量。“随着我们在微处理器上安置越来越多的晶体管，这个‘暗硅’部分的面积已经从10%扩展到了20%，某些情况下甚至更多。”他说。

为了避免芯片产生过多热量，处理器设计者们能做的也只有这些了，现在该寻找散热的新方法了。传统的散热方式是将硅片附着在刻有散热鳍片和隆脊的铜块或铝块上。塑料风扇向金属送风。你可以猜到，这些系统既大又吵，还很耗电。此外，未来处理器将是3D堆叠式的集成电路，因此散热槽和散热片也不能减少它们的热量。这种分层方式会将热量困在芯片之间，使散热更加困难。

研究人员正在探索冷却芯片和小电器的更好方法，要么对已证明可靠的方法进行重新设计，要么彻底进行变革。而拉维•普瑞舍（Ravi Prasher）说，所有这些技术都面临同一个挑战，那就是半导体行业是否已准备好整合它们。普瑞舍是加州劳伦斯伯克利国家实验室能源技术部门的主任，研究过各种芯片冷却技术。

以下是一些可以降低热量的方法。

━━━━━━

微型水管 

━━━━━━

一种方法是让仅仅几微米厚的冰冷物体离开产生热量的晶体管，进而带走热量，而非通过多个几毫米厚的导热层把热量转移到空气中。这种方法的实现途径是：在芯片或基体上雕刻微流通道，再把冷却液送入这些通道。

2015年9月，乔治亚理工学院的工程师在一个商用的现场可编程门阵列（FPGA）上演示了首个嵌入式芯片液体冷却系统。（FPGA包含多个逻辑块，用户利用软件可对其进行配置，形成任意计算电路，用于国防、天文学领域和医学成像等。）电气和计算机工程学教授穆罕纳德•巴克尔（Muhannad Bakir）及其同事使用传统的微制造技术在芯片背面的硅上蚀刻了200微米高的通道，并与外部水管相连；最终，水泵和蓄水池将与芯片封装集成在一起。与风冷设备相比，该系统将FPGA的运行温度降低了60%多。“这项技术与所有硅芯片和封装技术都兼容。”巴克尔说。

液体冷却的另一个主要优势在于：它可以嵌入到3D堆叠式大功率芯片之间。为了证明这种潜力，巴克尔的研究团队在用于连接堆叠式芯片的冷却通道里嵌入了连接体。 

━━━━━━

制冷机 

━━━━━━

如果说水还不足以完成这项工作，一些研究小组正在考虑在微流通道内放置蒸发制冷剂。IBM苏黎世研究实验室高级热封装团队的带头人布鲁诺•米歇尔（Bruno Michel）表示，冷却剂加热汽化后能够比循环式液体带走更多的热量。蒸汽在芯片外的一个冷凝器中重新变成液体，再返回去重复这一过程。米歇尔说，这种两阶段式冷却方法利用低压帮助汽化，应该可以实现DARPA将芯片热点温度降低1千瓦/平方厘米的目标。但难点在于控制系统压力，使冷却剂永远不会完全蒸发。“需要控制沸腾的量和蒸汽质量。”他说。

这种两阶段式冷却方法的简单版本正在尝试应用于智能手机。2015年3月，富士通宣布已开发出厚度不到1毫米的冷却系统。 

━━━━━━

风扇叶片 

━━━━━━

CoolChip科技公司是一家源自麻省理工学院的创业公司，该公司把散热片和风扇合二为一，改进了旧式的风扇冷却式散热槽设计。他们把这种整合设备称为动态冷却引擎。它是一块平坦的环形铝片，上面刻有鳍片，转起来像风扇一样。该公司称，这一设备只有传统冷却风扇的一半大小，噪音也低得多，而且可以多带走50%的热量。

微软已雇用CoolChip公司为其制造Xbox One游戏机的散热系统。到2016年年初，CoolChip技术应该已经用于由台湾企业酷冷至尊（Cooler Master）制造的数万个游戏单元冷却系统上了。

━━━━━━

碳纳米管 

━━━━━━

目前，导热硅脂和热聚合物被用做在硅片和散热槽之间传递热量的界面材料。而碳纳米管将是绝佳替代物。它们具有目前已知的最高的热传导性，而且是一种柔性材料；而刚性材料则可能会发生膨胀，也许会损坏芯片或其封装。

但问题在于，纳米管非常稳定，不容易形成使其与芯片封装的其他部分结合在一起的化学键。所以“很难在它们与任何一端的热源或散热槽之间形成良好的热传递。”劳伦斯伯克利国家实验室的物理学家弗兰克•欧格利特（Frank Ogletree）博士说。他已使用有机分子在纳米管和金属之间形成共价键，使热流动提高了6倍。还剩下一个大障碍，那就是只有约5%的纳米管（在硅上呈垂直阵列）会接触金属表面。劳伦斯伯克利国家实验室的普瑞舍表示：“如果有人能解决这个难题，就将真正成就一项引人注目的技术。”

作者：Prachi Patel

>>>本文为原创，转载请回复。<<<

往期推荐