3D打印為新興裸片液體冷卻器突破設(shè)計(jì)障礙，性能可提升3.5倍

2023年5月22日，南極熊獲悉，在比利時(shí)安特衛(wèi)普舉辦的ITF（Innovative Technology Forum）會(huì)議上，由芯片研究領(lǐng)域的重要機(jī)構(gòu)imec展示了一系列3D打印處理器冷卻器，這是活動(dòng)中最引人注目的焦點(diǎn)之一。

△3D打印裸片液體芯片冷卻器原型

相比當(dāng)前最先進(jìn)的CPU冷卻解決方案，這些裸片原型芯片冷卻器可以將密集型處理器（如CPU和GPU）的冷卻能力提高3.5倍，從而實(shí)現(xiàn)更高的功率密度和釋放未開(kāi)發(fā)的性能。這項(xiàng)研究的成果可能會(huì)為各類芯片帶來(lái)全新的水冷卻器應(yīng)用。

△展示中的手冷頭原型

研發(fā)技術(shù)背景

裸片冷卻是一種在處理器芯片表面直接進(jìn)行冷卻的新興技術(shù)。它通過(guò)將液體直接流過(guò)芯片表面，有效地吸收和帶走芯片產(chǎn)生的熱量。相比傳統(tǒng)的散熱器，裸片冷卻可以更直接地將熱量從芯片轉(zhuǎn)移到冷卻介質(zhì)中，提供更高的散熱效率。這種冷卻技術(shù)通常使用微細(xì)的管道或通道，將冷卻液體引導(dǎo)到芯片表面，并以高速流動(dòng)的方式吸收熱量，然后通過(guò)熱交換器將熱量傳遞到外部冷卻系統(tǒng)中。

芯片設(shè)計(jì)師的最終目標(biāo)是在更小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多的功能。然而，如今的芯片已經(jīng)受到功率限制，并且當(dāng)芯片在特定的熱設(shè)計(jì)功率（TDP）和溫度限制下運(yùn)行時(shí)，會(huì)出現(xiàn)“暗硅”區(qū)域被關(guān)閉的情況。這意味著大多數(shù)芯片在正常運(yùn)行期間僅能發(fā)揮部分潛力。此外，隨著每一代芯片的發(fā)展，問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重。例如，像AMD的Epyc Genoa這樣的現(xiàn)代CPU已經(jīng)達(dá)到了400W的最高功率，并且未來(lái)功率極有可能達(dá)到600W以上。

△裸片液體冷卻器手冷頭原型

自由的設(shè)計(jì)能力幫助液體冷卻器突破障礙

與使用帶有水冷塊的標(biāo)準(zhǔn)水冷方法不同，該水冷塊具有與芯片散熱器配對(duì)的冷板，用于冷卻處理器。而下方相冊(cè)中展示的原型3D打印冷卻器則通過(guò)將液體直接強(qiáng)制作用在裸露的處理器芯片上，從而改善了冷卻能力，通過(guò)將冷卻劑直接泵送到處理器表面實(shí)現(xiàn)。

△如圖所示，通過(guò)使用定制的噴嘴陣列，3D打印的水冷塊可以以多種方式進(jìn)行定制，將液體直接噴射到目標(biāo)區(qū)域的芯片表面上，例如用于矢量運(yùn)算的芯片上的單個(gè)核心或高熱產(chǎn)生區(qū)域，以提高散熱能力

水冷頭也是定制的，以盡可能占用較少的空間，并使用O型圈來(lái)防止液體從水冷頭周圍滲出。同時(shí)，imec正在嘗試多種不同類型的密封機(jī)制和3D打印材料來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化水冷塊的性能。

這些冷卻器幾乎可以與任何介電液體一起使用，例如經(jīng)過(guò)處理的水或制冷劑。當(dāng)然，即使液體不導(dǎo)電，裸芯片液體冷卻也需要對(duì)芯片周圍的區(qū)域進(jìn)行密封，如PCB上的電容器和其它電子電路。然而，為了讓冷卻劑盡可能接近芯片，模具頂部沒(méi)有使用任何密封劑。研究人員直接將液體泵送到光滑的模具表面，但還可以通過(guò)在模具頂部添加條紋等其他方法來(lái)提供更高的冷卻性能。

imec表示，它們正在優(yōu)化材料以適應(yīng)快速熱循環(huán)和各種冷卻劑的相互作用挑戰(zhàn)，確保冷卻系統(tǒng)在不同環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性。這對(duì)于開(kāi)發(fā)可靠高效的冷卻解決方案，以滿足不斷增長(zhǎng)的芯片功耗和散熱需求至關(guān)重要。

△這些圖片概述了研究人員實(shí)驗(yàn)的過(guò)程。在一般情況下，要冷卻每平方厘米超過(guò)100W的功率就算是一個(gè)棘手的問(wèn)題。因此，通常的做法是將1W的功率均勻分布在1平方毫米的硅片上。然而，隨著工藝節(jié)點(diǎn)的縮小，功率密度大幅上升，提高從高功率集中區(qū)域散熱的能力至關(guān)重要，以持續(xù)釋放額外的性能

研究人員指出，更高的功耗通常意味著更高的芯片性能。通過(guò)3D打印技術(shù)，他們能夠?qū)崿F(xiàn)每平方厘米內(nèi)高達(dá)1000W（每平方毫米約100W）的冷卻能力，甚至每平方毫米內(nèi)高達(dá)500W的冷卻能力。

△imec設(shè)計(jì)過(guò)程概述

將芯片冷卻能力提高3.5倍

在常見(jiàn)的應(yīng)用中，這些芯片冷卻器可以實(shí)現(xiàn)每平方厘米高達(dá)350W的冷卻能力，或每平方毫米約3.5W的冷卻能力，相比目前常見(jiàn)的冷卻解決方案提高了3.5倍。這種創(chuàng)新的3D打印技術(shù)為芯片行業(yè)帶來(lái)了新的可能性，為提高性能提供了更簡(jiǎn)單、更成本有效的冷卻方法，使芯片設(shè)計(jì)人員能夠采用更保守的方法突破性能極限，而無(wú)需依賴于單相和兩相冷卻解決方案，這些解決方案需要每平方毫米超過(guò)4W的冷卻能力。這項(xiàng)研究的成果為芯片行業(yè)開(kāi)辟了全新的冷卻技術(shù)前景。

據(jù)悉，imec的研究工作仍處于早期階段，預(yù)計(jì)最早的量產(chǎn)產(chǎn)品至少還需要五年時(shí)間才能問(wèn)世。