3D打印為新興裸片液體冷卻器突破設計障礙，性能可提升3.5倍

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

△3D打印裸片液體芯片冷卻器原型

相比當前最先進的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，從而實現(xiàn)更高的功率密度和釋放未開發(fā)的性能。這項研究的成果可能會為各類芯片帶來全新的水冷卻器應用。

△展示中的手冷頭原型

研發(fā)技術背景

裸片冷卻是一種在處理器芯片表面直接進行冷卻的新興技術。它通過將液體直接流過芯片表面，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。這種冷卻技術通常使用微細的管道或通道，將冷卻液體引導到芯片表面，并以高速流動的方式吸收熱量，然后通過熱交換器將熱量傳遞到外部冷卻系統(tǒng)中。

芯片設計師的最終目標是在更小的空間內(nèi)實現(xiàn)更多的功能。然而，如今的芯片已經(jīng)受到功率限制，并且當芯片在特定的熱設計功率（TDP）和溫度限制下運行時，會出現(xiàn)“暗硅”區(qū)域被關閉的情況。這意味著大多數(shù)芯片在正常運行期間僅能發(fā)揮部分潛力。此外，隨著每一代芯片的發(fā)展，問題越來越嚴重。例如，像AMD的Epyc Genoa這樣的現(xiàn)代CPU已經(jīng)達到了400W的最高功率，并且未來功率極有可能達到600W以上。

△裸片液體冷卻器手冷頭原型

自由的設計能力幫助液體冷卻器突破障礙

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

△如圖所示，通過使用定制的噴嘴陣列，3D打印的水冷塊可以以多種方式進行定制，將液體直接噴射到目標區(qū)域的芯片表面上，例如用于矢量運算的芯片上的單個核心或高熱產(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型圈來防止液體從水冷頭周圍滲出。同時，imec正在嘗試多種不同類型的密封機制和3D打印材料來進一步優(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)過處理的水或制冷劑。當然，即使液體不導電，裸芯片液體冷卻也需要對芯片周圍的區(qū)域進行密封，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，但還可以通過在模具頂部添加條紋等其他方法來提供更高的冷卻性能。

imec表示，它們正在優(yōu)化材料以適應快速熱循環(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。這對于開發(fā)可靠高效的冷卻解決方案，以滿足不斷增長的芯片功耗和散熱需求至關重要。

△這些圖片概述了研究人員實驗的過程。在一般情況下，要冷卻每平方厘米超過100W的功率就算是一個棘手的問題。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3D打印技術，他們能夠?qū)崿F(xiàn)每平方厘米內(nèi)高達1000W（每平方毫米約100W）的冷卻能力，甚至每平方毫米內(nèi)高達500W的冷卻能力。

△imec設計過程概述

將芯片冷卻能力提高3.5倍

在常見的應用中，這些芯片冷卻器可以實現(xiàn)每平方厘米高達350W的冷卻能力，或每平方毫米約3.5W的冷卻能力，相比目前常見的冷卻解決方案提高了3.5倍。這種創(chuàng)新的3D打印技術為芯片行業(yè)帶來了新的可能性，為提高性能提供了更簡單、更成本有效的冷卻方法，使芯片設計人員能夠采用更保守的方法突破性能極限，而無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4W的冷卻能力。這項研究的成果為芯片行業(yè)開辟了全新的冷卻技術前景。

據(jù)悉，imec的研究工作仍處于早期階段，預計最早的量產(chǎn)產(chǎn)品至少還需要五年時間才能問世。