黑科技，首個(gè)內(nèi)置冷卻系統(tǒng)的芯片誕生，散熱效率提高50倍

冷卻電子設(shè)備

無(wú)論是數(shù)據(jù)中心、超級(jí)計(jì)算機(jī)還是筆記本電腦：芯片和其他半導(dǎo)體組件產(chǎn)生的大量熱量是現(xiàn)代電子產(chǎn)品的最大問題之一。一方面，它限制了組件的性能和結(jié)構(gòu)密度，另一方面，冷卻過(guò)程本身也消耗了大量的能量，這些能量用于冷卻風(fēng)扇或水冷的泵。

為了解決這個(gè)問題，科學(xué)家一直在研究提高熱量從芯片傳遞到冷卻劑效率的辦法。例如，使用導(dǎo)熱性更好的金屬充當(dāng)冷卻系統(tǒng)和芯片之間的接觸面。但是，過(guò)去的所有方法的效率都不算很高，而且隨著散熱效率的提高，散熱系統(tǒng)的復(fù)雜程度和制造成本也指數(shù)級(jí)上升。

如今，瑞士科研人員終于找到了更好的方法，發(fā)明出一種不需要外部冷卻的芯片，它集成在半導(dǎo)體中的微管將冷卻水直接帶到晶體管周圍，這不但極大的改善了芯片散熱效果，而且還能節(jié)省能源，使未來(lái)的電子產(chǎn)品更環(huán)保。更棒的是，刊登在《自然》（Nature）上的論文稱（論文見上圖），這種集成式冷卻的生產(chǎn)比以前的制程還更便宜。

半導(dǎo)體中的冷卻通道

瑞士洛桑理工大學(xué)（EPFL）的Remco van Erp和他的團(tuán)隊(duì)開發(fā)出這種全新的高效方法，不再?gòu)男酒獠坷鋮s，而是直接在內(nèi)部冷卻芯片，冷卻液從下方流過(guò)半導(dǎo)體材料中集成的微管，意味著作為熱源的晶體管產(chǎn)生的熱量會(huì)被直接散去。

研究人員解釋說(shuō)：“微管與芯片內(nèi)的晶體管直接接觸，這在熱源和冷卻通道之間建立了更好的連接。冷卻通道的三維分支還有助于冷卻劑的分配，并降低了冷卻劑循環(huán)所需的壓力?！?/p>

非常高效

對(duì)該冷卻系統(tǒng)的初步測(cè)試表明，它可以驅(qū)散每平方厘米1.7千瓦以上的熱量，每平方厘米僅需0.57瓦的泵功率。這明顯小于外部蝕刻冷卻通道所需的功率。研究人員說(shuō)：“觀察到的冷卻能力超過(guò)每平方厘米一千瓦，相當(dāng)于效率比外部散熱手段提高了50倍?！?/p>

如果將采用內(nèi)部冷卻系統(tǒng)的芯片用于大型數(shù)據(jù)中心，那么，冷卻所需能耗在整個(gè)系統(tǒng)中所占的份額直接從30％降低至僅0.1％。對(duì)于便攜設(shè)備來(lái)說(shuō)，這種冷卻技術(shù)還可以使電子設(shè)備進(jìn)一步小型化，從而擴(kuò)展摩爾定律。

更經(jīng)濟(jì)

集成的微芯片冷卻還有另一個(gè)優(yōu)勢(shì)：比在外部添加的冷卻單元更便宜。因?yàn)樵谏a(chǎn)中可以直接將冷卻微管與芯片電路一起引入到半導(dǎo)體中，所以制造成本更低。該過(guò)程大概如下（上圖）：首先，將窄縫蝕刻到涂覆有氮化鎵的硅襯底中。然后，將槽口擴(kuò)展到冷卻通道，同時(shí)用銅密封開口。然后再加工電子電路。

研究人員解釋說(shuō)：“整個(gè)冷卻結(jié)構(gòu)可以直接集成到基板中，只需要常規(guī)的加工方法即可，這非常經(jīng)濟(jì)?！彼麄冋J(rèn)為，這種內(nèi)部冷卻的微芯片將使未來(lái)的電子產(chǎn)品更緊湊，更節(jié)能。