3D 打印裸片液體芯片冷卻器打破障礙，將冷卻性能提升3.5 倍

2023年5月22日，南極熊獲悉，芯片研究巨頭 imec在比利時(shí)安特衛(wèi)普主辦的ITF世界會(huì)議上展出一件很有趣的物件——3D 打印處理器冷卻器。這些原型冷卻器將冷卻密集型處理器（如 CPU 和 GPU）的能力提高了3.5 倍，比我們?cè)诋?dāng)今最好的 CPU 冷卻器性能高出 3.5倍，從而實(shí)現(xiàn)更高的功率密度并釋放現(xiàn)代芯片中尚未開(kāi)發(fā)的性能。這項(xiàng)研究結(jié)果有望為芯片行業(yè)帶來(lái)一種全新的水冷器。

將液體直接覆在處理器芯片上的裸片冷卻方式正在成為散發(fā)芯片產(chǎn)生熱量的主流方式之一，而IMEC正在用新技術(shù)引領(lǐng)這一方向，以釋放最密集工藝節(jié)點(diǎn)的全部性能。隨著每一代新芯片的誕生，這一點(diǎn)變得越來(lái)越重要，因?yàn)殡S著芯片節(jié)點(diǎn)變得越來(lái)越小，功耗的降低比例越來(lái)越小，功耗也隨之激增。此外，更小的晶體管使功率密度更高，使冷卻工作更加復(fù)雜，最終限制了芯片的性能。

芯片設(shè)計(jì)師的最終目標(biāo)是在更小的空間內(nèi)完成更多的工作。盡管如此，今天的芯片已經(jīng)受到功率限制，并且當(dāng)芯片運(yùn)行以保持在特定的 TDP 和溫度限制內(nèi)時(shí)，“暗硅”區(qū)域被關(guān)閉。這意味著大多數(shù)芯片在正常運(yùn)行期間僅發(fā)揮出了部分潛力。此外，每一代芯片的問(wèn)題都在加劇——像 AMD 的 Epyc Genoa這樣的現(xiàn)代 CPU已經(jīng)達(dá)到 400W 的最高功率，并且路線圖指向未來(lái)的 600W 服務(wù)器芯片。

傳統(tǒng)的水冷方法是使用獨(dú)立水冷塊，其冷板與芯片散熱器配合以冷卻處理器。而下圖中展出的3D打印原型冷卻器則與之不同，它是通過(guò)將冷卻劑直接泵送到處理器表面來(lái)提高冷卻能力。

△中央處理器散熱（圖片來(lái)源：Tom's Hardware）

3D打印的水冷塊允許快速制作原型，imec使用3D打印中不同類(lèi)型的標(biāo)準(zhǔn)聚合物來(lái)確保冷塊能夠處理溫度負(fù)荷。水冷塊可以通過(guò)幾種不同的方式進(jìn)行定制，定制的噴嘴陣列將液體直接噴射到芯片表面的目標(biāo)區(qū)域，例如直接在單個(gè)內(nèi)核或用于矢量操作的芯片的高發(fā)熱區(qū)域，以提高冷卻能力。

水冷頭也是定制的，以盡可能減少空間占比，目前是使用一個(gè)O型環(huán)來(lái)防止液體從水塊周?chē)鷿B出。當(dāng)然，imec正在試驗(yàn)幾種不同類(lèi)型的密封機(jī)制和不同類(lèi)型的3D打印水冷塊材料。

幾乎任何介電液體都可以用于這些冷卻器，如處理過(guò)的水或制冷劑。當(dāng)然，即使液體不導(dǎo)電，裸片液體冷卻也需要密封芯片周?chē)�的區(qū)域，如PCB上的電容器和其他電子電路。然而，為了使冷卻劑盡可能靠近芯片，裸片的頂部沒(méi)有任何密封劑。研究人員直接在光滑的芯片表面泵送液體，但其他方法，如在芯片頂部添加條紋，可以釋放更多的冷卻性能。

由于快速的熱循環(huán)和與系統(tǒng)中使用的各種冷卻劑的相互作用，密封劑帶來(lái)了長(zhǎng)期的可靠性挑戰(zhàn)。盡管如此，imec仍在有條不紊地努力尋找所有材料的正確組合，以確保長(zhǎng)期的可靠性。

一般來(lái)說(shuō)，冷卻每平方厘米超過(guò)100W的功率已被證明是不劃算的，這導(dǎo)致了一個(gè)普遍的經(jīng)驗(yàn)法則，即把1W的功率分散到1平方毫米的硅上可以有效地冷卻。不過(guò)，隨著芯片更小工藝節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)生，其功率密度正在急劇上升，所以提高從更高的功率集中地清除熱量的能力對(duì)于繼續(xù)釋放額外的性能是最重要的。

通常情況下，更多的功耗往往等同于更多的芯片性能。imec的研究人員告訴我們，他們可以在一平方厘米內(nèi)冷卻多達(dá)1000W（每平方毫米100W）的熱量散發(fā)，甚至在一平方毫米內(nèi)冷卻多達(dá)500W，但這種類(lèi)型的冷卻性能并不代表典型的性能，因?yàn)樗�不能很好地�(cái)U(kuò)展到整個(gè)芯片。

在常見(jiàn)的應(yīng)用中，這些芯片冷卻器可以使每平方厘米的冷卻能力達(dá)到350W，或每平方毫米約3.5W，比常見(jiàn)的冷卻器提升了3.5倍。如上所示，這將使芯片設(shè)計(jì)者能夠以一種相對(duì)更保守的方法繼續(xù)推動(dòng)性能的極限，而不是單相和兩相冷卻解決方案，因?yàn)檫@些解決方案需要擴(kuò)展到每平方毫米 4W以上。

當(dāng)然，想要將這種新型冷卻解決方案實(shí)現(xiàn)效益最大化，還需要關(guān)注到許多其他變量，例如溫度增量和其他因素，才能對(duì)該方法的優(yōu)點(diǎn)有一個(gè)準(zhǔn)確的衡量。然而，有一件事是肯定的——這種方法意味著是以合理的成本增加來(lái)提高冷卻能力的最簡(jiǎn)單方法之一。其他技術(shù)，例如臺(tái)積電提出的通過(guò)芯片內(nèi)部的微通道泵送冷卻劑的研究，這一想法顯然更加奇特，因此成本更高，而且還遙遙無(wú)期。

Imec 的努力仍處于研究階段，因?yàn)檠芯咳藛T目前仍在努力確定正確的材料、液體和設(shè)計(jì)，以便創(chuàng)建大規(guī)模生產(chǎn)的冷卻解決方案，這項(xiàng)研究的最早產(chǎn)品可能需要五年時(shí)間才能篩選出市場(chǎng)。