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芯片降温新思路:皮下注射

2020 / 09 / 29新浪

大家发现没有,无论是手机,笔记本,还是电视,我们使用的电子产品,更新换代的速度越来越快,但有个老毛病始终改不掉:持续久后就开始烫手发热,简直令人头疼。电子器件发热有多严重呢?有的电子产品用户戏称,在供暖不足的冬日里,自己能把手头的电子设备直接当做暖宝宝来用,甚至有善烹饪者,利用CPU来烤肉,隔壁小孩都馋哭了。

CPU烤肉,是程序员们乐此不疲的保留恶作剧节目
CPU烤肉,是程序员们乐此不疲的保留恶作剧节目

对电子产品本身来说,温度过高带来的影响可能是致命的:首先,温度过高会使很多电子元件的特性发生改变,从而导致运行卡顿,图像和声音失真,存储数据丢失,甚至会让整个产品报废;其次,即使产品仍然能正常使用,过高的温度也会使系统能耗增加,反过来又促进温度进一步升高,形成套娃。

如何给电子设备“退烧”

为了给自己的宝贝设备“退烧”,我们用了各种办法,从空调降温,到风扇底座,甚至小型冰枕,诸如此类,不一而足,但它们的原理却大同小异:在自然界,热的传递有三种方式——热辐射,例如冬日照耀的暖阳;第二种就是热对流,例如腊月里的寒风;第三种就是热传导,例如抚摸冰凉的铁板。人类只需要把热量从热源传递出去,就可以有效散发热量。具体到给电子设备降温,方式也就是基于三种热传递模式的自然散热、空冷散热,与液冷散热。

在这三种方法中,自然散热是技术门槛最低的,简单来说,就是让器件紧贴着一个散热结构来帮助散热:它长得有点像火锅里的毛肚。这种翅片用高导热率材料制成,可以增加一定的散热效率,不过散热效果差强人意。

有鉴于此,空冷散热技术应运而生,就是借助空气的流动来降低电子元器件表面的温度。我们身边最常见的应用,就是台式机和笔记本内安装的风扇,再配合一个散热风通道,这种方式成本低结构简单,但却挤占宝贵的设备内部空间,还会发出很大的噪声。不过一些设备制造商把风扇附加了炫彩流星特效,光影闪耀,如梦如幻,反而给这项笨重的散热设备加上了几分魔幻色彩,成为一些硬核游戏控的心头好。

加了LED效果风扇的游戏电脑机箱,运转起来真是流光飞影
加了LED效果风扇的游戏电脑机箱,运转起来真是流光飞影

液冷散热是风冷散热的加强版。一般用作冷却的液体是去离子水,通过水的循环流动来带走热量。目前大多数液冷散热,都是非接触性的,工程设计师在电路板周围安装水冷结构,冷却水在水槽中循环。电路板和冷却水之间,通常隔着一层水冷板。它的散热效率,远不如直接接触式效率高。毕竟,没有什么比直接冷水骑脸更能让人冷静了。

这种散热方式的缺点,是需要消耗大量电能和水。许多大型数据公司把数据中心安排在高纬度极寒地区,甚至别出心裁放到海底水下,就是为了在严格控制成本的前提下,满足散热这个刚需。

微软的水下数据中心
微软的水下数据中心

降温新思路:皮下注射

然而,非接触性液冷散热,对设备本身的密闭性要求很高,同时还需要设计复杂的冷却结构,成本很高。研究人员一直在想,如果能让冷却液体直接接触发热的元件本身,那岂不是事半功倍?

瑞士洛桑联邦理工学院的液体冷却芯片结构方案
瑞士洛桑联邦理工学院的液体冷却芯片结构方案

这不,瑞士洛桑联邦理工学院的研究团队,近日研制出了一种新冷却系统,将液体冷却系统直接嵌入芯片内部。通过芯片上预留的微通道,作为冷却剂的水,直接流经半导体的氮化镓层下面。根据公布的试验结果,这种接触式冷却设计的效率,是原来的50倍,同时,水循环能耗甚至低到了不可思议的地步:仅使用每平方厘米0.57瓦的泵功率就可以带走超过1.7千瓦/平方厘米的热量。

瑞士洛桑联邦理工学院团队制作的,带有冷却结构的整流电路实物,它体积仅有大拇指大小
瑞士洛桑联邦理工学院团队制作的,带有冷却结构的整流电路实物,它体积仅有大拇指大小

这意味着什么呢?用直观的方法来说就是,在指甲盖大小的地方,每秒钟水泵所耗费的功率,仅仅相当于提起一个鸡蛋,却能带走差不多能把这个鸡蛋煮熟的热量。研究人员算了一笔账:现在大型网络数据中心为了冷却系统所需的能耗,占据了总能耗的30%,如果使用这种直接镶入芯片和电路版的接触式液冷冷却方式,立刻能将降温所耗费的能量比例降低到0.01%。

两种冷却方式对比,左图为两种冷却方式的功效,右图为两种冷却方式在不同输出功率下的温度
两种冷却方式对比,左图为两种冷却方式的功效,右图为两种冷却方式在不同输出功率下的温度

未来应用,谨慎又乐观

当然,这项新发明要想投入实际应用,还有一段不短的路要走。首先,洛桑联邦理工学院研究团队在设计电路板的时候,使用了最高承受温度120℃的粘合剂,这意味着这个系统的温度耐受有一个上限,限制了功率的进一步提高。另外,利用液体蒸发效果对整个电子系统进行冷却,要比现有模式更加高效,到时冷却剂可能就改成比水更高效的液态氟利昂。

尽管如此,这项研究还是朝着电子设备的低成本、高密度和高能效的冷却系统迈出了一大步。如果未来可以大规模应用,人类或许会告别主机中嗡嗡的风扇,告别笔记本电脑那发烫的外壳……有理由相信,这一天可能不会太遥远。