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美国普度大学研发出芯片内微通道冷却技术

美国普度大学的研究人员在美国国防先期研究计划局(DARPA)的资金支持下,为高性能雷达和超级计算机研发出“芯片内”冷却技术——一种新型冷却系统,能够通过一系列复杂微通道直接在电子芯片中实现液体冷却剂循环,达到每平方厘米1000瓦的散热能力。


研发需求

对于所有的计算,冷却都是一个持续的挑战。将热沉附加在芯片上是长久以来最常见的措施。传统芯片冷却方法使用称为热沉的金属冷却片,这些冷却片附着在计算芯片上来排出热量。但这样的附着方法对于新兴高性能电子器件而言不足以有效散热。高性能电子所需要的新型先进冷却技术包含呈三维堆叠结构的处理芯片,而不是单个平面芯片。产生的太多热量阻止了电子芯片的性能或者造成损害,尤其是在“热点”中。


普度大学机械工程学院的研究和项目的共同研究人员Justin Weibel说:“这带来了冷却挑战,因为如果你层叠了很多芯片,通常这些中的每一个都有自己的连在其上的系统来散发热量。只要你将两个芯片垂直堆叠,一个就必须显著减小工作功率,因为没有办法用原来的方式直接冷却。”


寻求解决

解决方案是制造一个可嵌入到堆叠芯片中的冷却系统。2013年,DARPA启动了一项为期四年的研发项目,项目总资金达到200万美元。DARPA所提出的项目要求是能够处理每平方厘米产生1000瓦热量的芯片,是传统高性能计算机所产生热量的10倍。


技术进展

新的方法通过减少在芯片上附加冷却器件的需要来改进效率。研究人员Garimella说:“你在芯片上附加热沉的任何时候,在接口处都会有很多电阻,并因此降低效率。”这些界面或寄生热阻限制了热沉的性能。研究人员Weibel说:“我们正在寻求能够减少这些接口的技术,让冷却发生在芯片内部”

新方法基于在芯片中制造微通道,并在其中流过冷却剂。使用微通道是关键,但这样做也让过程变得复杂。论文的主要作者之一和博士生Kevin Drummond说:“一直以来众所周知的是,通道越小热传导性能越好。我们将通道宽度降为15-10微米,是现有常规微通道冷却技术的1/10。”


尽管使用超小通道可以增加冷却性能,但是要通过小微通道抽出所需流速的液体很困难。普度大学克服这个问题,通过设计小型、并行通道系统,而不是此前贯穿整个芯片的长通道。一个特殊的“分层”多层结构使得通过这些通道中的冷却剂实现高散热能力。


Suresh Garimella说:“不再是实现一个长度超过5000微米的通道,我们而是采用分离的结构使单个通道的长度减至250微米长,但通道的总长度是一样的,这阻止了主要的压力液滴,代表了不同的范式。”该通道刻蚀在硅中,宽度大约是15微米,深度可以达到300微米。Peroulis说:“他们的深宽比达到20倍,这对于制造而言,并不是一个微不足道的挑战,尤其是可重复和低成本制造过程”团队的其他成员聚焦于描述冷区技术物理特性的计算模型。


图为基于微通道的新电子冷却技术,只有几微米宽,嵌入到芯片中。由普度大学的Birck纳米技术中心制造。


冷却剂

系统使用的是称为HFE-7100的商用冷却剂,一种绝缘液体,意味着不会在电子器件中引发短路。随着液体在热源附近流动,它能在微通道中沸腾。研究人员表示,允许液体动态沸腾,与传统简单加热液体到低于沸点的情况相比,可增加其能够散发的热量。


测试装置

研究团队研制了一个复杂的测试装置,能够模拟由真实器件产生的热量。一个加热器和温度传感器阵列可使研究人员在一系列条件下测试系统,包括热点产生的效应。研究人员Janes说:“这是一个复杂的任务,能够模拟热点的产生,和不同热场景,而同时又能对温度进行精确测量。”


潜在应用

Garimella说:“该每平方厘米1000瓦的数值是微冷却的圣杯,我们已经在一个功能系统中用电子绝缘液体中展现了这种能力。我们为国防部展现了嵌入式冷却的概念验证,及潜在商业应用。这种转变性方法对于在雷达电子及高性能超级计算机中的应用有很大的前景。在论文中,我们展示了技术和他所提供的前所未有的性能。”


资金背景

尽管团队完成了DARPA资金支持的项目,整个研究还在继续。该研究成果来源于普度国家科学基金会冷却技术研究中心的工作。该中心成立于1999年,是企业、政府实验室、高校的联盟,通过研发新的紧凑型冷却技术来解决电子系统中的热产生问题。


在2011年,Garimella获得国家科学基金会(NSF)产业/高校合作研究中心协会对冷却研究中心的Alexander Schwarzkopf技术创新奖。在更早时候,印第安纳州的21世纪研究和技术基金提供了3800万美元来帮助混合动力和电动汽车的先进冷却技术的商业化。该中心与Toyota在2016年的合作研究获得R&D 100奖,由R&D杂志评选并颁发给排名前100的创新。


参考文献

A hierarchical manifold microchannel heat sink array for high-heat-flux two-phase cooling of electronics

Kevin P.Drummond DoosanBack Michael D.Sinanis David B.Janes Dimitrios Peroulis Justin A.Weibel Suresh V.Garimella


延伸阅读

2017年9月,IBM公司在ICECool项目的支持下,在嵌入式散热领域获新进展,研发了一个在片的解决方案,新的冷却技术来克服堆叠芯片的热障碍,有助于甚至冷却整个数据中心。

2016年3月,美国洛克希德·马丁公司在ICECool项目的支持下,研制出内嵌芯片级微流体散热通道的散热片,尺寸仅为250微米厚、5毫米长和2.5毫米宽,所含冷却用水量不足一滴,但据洛马表示已足以冷却最热的电路芯片。

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