晶片散熱技術重大突破：科學家將冷卻系統性能提升50倍

2020-09-11 DeepTech深科技

你可能有過這樣的經歷，當你的手機在運行大型遊戲時，或者電腦在運行視頻剪輯軟體時，它們可能會熱得發燙，而且遊戲會卡頓，視頻剪輯軟體也會處於未響應狀態。這一切的原因，或多或少都與電子設備中電子電路的散熱性能有關。

如今，熱管理已經是未來電子產品面臨的主要挑戰之一。隨著數據生成和通信速度的不斷提高，以及工業器件尺寸和成本的不斷降低，電子產品的功率密度也一直在增加，電子電路的冷卻已變得極具挑戰性。

目前，由於液態冷卻的散熱性能大大優於金屬散熱器，液體散熱技術被逐漸應用在大功率器件或者高性能計算晶片上。但這種液體必須是絕緣體，並且不能與電子元件發生任何化學反應。而且，儘管液體冷卻系統可用於冷卻電子器件，但是傳統的液態冷卻器可以產生溫度梯度以及能耗大等問題。

將液體冷卻系統嵌入微晶片是一種很有吸引力的方法，但當前晶片和冷卻系統的設計限制了冷卻系統的效率。

近日，瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）助理教授伊麗尚·馬蒂尼奧（Elison Matioli）及其同事研發出了一種新型集成液體冷卻系統，通過將液體冷卻系統直接嵌入電子晶片內部，來控制電子產品產生的熱量。與傳統的電子冷卻方法相比，這種方法的冷卻性能最高可以達到傳統設計的 50 倍，是一種前景可觀、可持續，並且具有成本效益的方法。相關論文已於 9 月 10 日發表在《自然》（Nature）雜誌上。

（來源：Nature）

據論文描述，研究人員僅使用 0.57 瓦 / 平方釐米的泵浦功率就可以散去超過 1.7 千瓦 / 平方釐米的熱通量。單相水冷熱通量超過每平方釐米 1 千瓦時，性能係數達到了前所未有的水平（超過 10000），相較於平行微通道整整增加了 50 倍，晶片的溫度也被限制在 60 攝氏度以內。

研究人員表示，通過消除對大型外部散熱器的需求，這種方法可以使更多緊湊電子設備（如電源轉換器）集成到一個晶片上。

在此次研究中，研究人員在一個極為精細的尺度上控制矽晶圓的結構，用來在氮化鎵（GaN）電路表面上放置冷卻劑通道。研究人員將設備中氮化鎵最熱的部分靠近其中一個通道，以便更有效地散熱。

為了把這項研究成果轉化為一種實際可用的冷卻裝置，研究人員開發了與之相匹配的具有內部嵌入式冷卻液輸送分布流道的三層印製電路板（PCB）電路板結構，這些冷卻液輸送通道通過雷射切割，以及多層板的粘合組裝來實現，冷卻劑最後通過這些輸送通道進入電子器件背面的微流道系統，從而實現高效散熱。

該系統運行後，每輸出一瓦電，溫度只會上升大約 1/3 攝氏度，由於其耐熱性已被提高到 60 攝氏度，這意味著該設備可以吸收 176 瓦的能量，所需水流量也低於每秒 1 毫升。

圖 | 微晶片內的集成液體冷卻系統（來源：Nature）

研究人員表示，當前數據中心大約 30% 的能源用於冷卻，每年使用約 1000 億升水，如果採用這一設計，冷卻所需的能量有望被降到當前值的 1% 以下。

但實際上，我們離這個目標還有很長的路要走。研究人員選擇了一種極其簡單的方法來測試他們的系統，但在更複雜的情況下，布置路線可能要困難得多，尤其是在通用處理器中，晶片執行工作的部分可能會根據工作負載而改變；而且，研究人員還需要繼續對該系統進行長期穩定性測試，以確保其不會造成器件的結構缺陷，以及高溫水與銅、矽和氮化鎵的相互作用不會導致不可預見的問題。

作為該論文的三位審稿人之一，歐洲微電子研究中心 IMEC 三維系統集成博士，史丹福大學機械工程系納米傳熱組博士後魏體偉，受 Nature 邀請撰寫 News and Views 對該項研究成果進行解讀和評論。魏體偉認為，與以往任何技術進步一樣，這項研究還有很多工作要做。例如，氮化鎵薄層的結構完整性還需進一步研究，以了解其在長期工作服役條件下對器件可靠性的影響；研究人員使用最高工作溫度為 120°C 的粘合劑將設備中的微通道連接到支撐電路板上的流體傳輸通道，這意味著組裝後的系統將無法承受更高的溫度，還需要進一步開發與電子設備製造過程溫度環境兼容的流體連接。

此外，魏體偉還表示，研究人員在此次研究中僅用了液態水進行單相流動冷卻，而大量文獻表明液體的兩項流動散熱效果會更好。在兩相流動冷卻系統中，大量的熱是通過流體的蒸發而散失的，因此，對冷卻裝置的散熱性能和器件的電氣性能評估是很有必要的。而且，由於水可能會凍結或直接與晶片接觸，對於現實應用而言，水可能不是理想的冷卻劑，未來的工作應研究使用不同的液體冷卻劑。

儘管以上問題還有待解決，但研究人員已經朝著開發低成本、超緊湊和高能效的電力電子冷卻系統邁出了一大步，他們的方法優於當前最先進的冷卻技術，而且可能會使產生高熱通量的設備成為我們日常生活的一部分。

相關焦點

  • 《Nature》：晶片散熱技術重大創新，冷卻性能暴增50倍
    這種方式產生的熱量正成為一個大問題:美國的數據中心為冷卻其計算機技術而消耗的能源和水，與費城（美國第五大城市）消耗的能源和水一樣多。因此，熱管理是電子設備面臨的主要挑戰之一。其中，將液體冷卻直接嵌入到晶片內部是一種很高效的方法，然而，最先進的微流體冷卻系統在設計和構造上都是與電子晶片分開的，這使得液體通道無法集成到電路中，在熱點地區提供直接冷卻。這種集成大大增加了晶片製造的複雜性，同時會增加成本。
  • Nature：晶片散熱技術重大創新，將液冷模塊嵌入晶片內部，冷卻性能增加 50 倍
    近年來，研究人員開始探索將液體冷卻模塊直接嵌入晶片內部，以實現更加高效的製冷效果的新技術，但這一技術仍未解決電子設備和冷卻系統分開處理的困境，從而無法發揮嵌入式冷卻系統的全部節能潛力。9 月 9 日，來自瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）電氣工程研究所功率和寬帶隙電子研究實驗室（POWERlab）的 Elison Matioli 教授及其博士生 Remco Van Erp 等研究人員，在 Nature 上發表了一項最新研究成果，在晶片冷卻技術方面實現了新的突破。
  • 瑞士科學家發明新型晶片散熱技術：冷卻性能提高50倍
    近日，瑞士洛桑聯邦理工學院研究團隊提出了一種全新的電子設備散熱思路，可以將冷卻效率提高50倍。該團隊提出，可以將冷卻系統直接做進晶片內部。在實驗中，他們在氮化鎵晶片表面布置了冷卻劑通道，靠近發熱最大的電路。
  • 科學家找到一種新的晶片散熱方式：散熱性能是傳統的50倍多
    隨著晶片性能的不斷提升，發熱已經是越來越關鍵的限制，大家超頻CPU時就有這樣的體會。現在瑞士的科學家們找到了一種新的晶片散熱方式，散熱性能是傳統的50倍多，可將溫度控制在60°C。《自然》雜誌日前刊登了洛桑聯邦理工學院（EPFL）助理教授伊Elison Matioli及其團隊的一篇論文，介紹了一種新的晶片散熱方式。
  • 晶片溫度不超過60°C 科學家找到全新散熱方法50倍性能提升
    隨著晶片性能的不斷提升，發熱已經是越來越關鍵的限制，大家超頻CPU時就有這樣的體會。現在瑞士的科學家們找到了一種新的晶片散熱方式，散熱性能是傳統的50倍多，可將溫度控制在60°C。《自然》雜誌日前刊登了洛桑聯邦理工學院（EPFL）助理教授伊Elison Matioli及其團隊的一篇論文，介紹了一種新的晶片散熱方式。
  • 黑科技,首個內置冷卻系統的晶片誕生,散熱效率提高50倍
    一方面，它限制了組件的性能和結構密度，另一方面，冷卻過程本身也消耗了大量的能量，這些能量用於冷卻風扇或水冷的泵。為了解決這個問題，科學家一直在研究提高熱量從晶片傳遞到冷卻劑效率的辦法。例如，使用導熱性更好的金屬充當冷卻系統和晶片之間的接觸面。但是，過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，散熱系統的複雜程度和製造成本也指數級上升。
  • Nature：晶片散熱技術重大創新，將液冷模塊嵌入晶片內部
    近年來，研究人員開始探索將液體冷卻模塊直接嵌入晶片內部，以實現更加高效的製冷效果的新技術，但這一技術仍未解決電子設備和冷卻系統分開處理的困境，從而無法發揮嵌入式冷卻系統的全部節能潛力。9 月 9 日，來自瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）電氣工程研究所功率和寬帶隙電子研究實驗室（POWERlab）的 Elison Matioli 教授及其博士生 Remco Van Erp 等研究人員，在 Nature 上發表了一項最新研究成果，在晶片冷卻技術方面實現了新的突破。
  • 晶片溫度不超過60°C 科學家找到全新散熱方法
    隨著晶片性能的不斷提升，發熱已經是越來越關鍵的限制，大家超頻CPU時就有這樣的體會。現在瑞士的科學家們找到了一種新的晶片散熱方式，散熱性能是傳統的50倍多，可將溫度控制在60°C。
  • 北大碳基晶片研發突破，採用碳納米管工藝，性能將提升10倍以上
    ，同類型和體積的晶片裡面包含的電晶體每隔18-24個月就會增加一倍，性能也將提升一倍。，既然普通的沙子做成的矽晶片都有著如此優異的性能，如果我們把這些材料更換成目前已經研發突破具有超導性能的石墨烯或者碳納米管，那麼晶片的性能是不是會成指數倍的增加呢，答案是肯定的。
  • 晶片集成液體冷卻系統問世，摩爾定律將再擴展
    近日，集成電路領域迎來重磅研究成果：首個微晶片內的集成液體冷卻系統。研究人員通過將液體冷卻直接嵌入電子晶片內部來控制電子產品產生的熱量，這種新系統與傳統的電子冷卻方法相比，表現出了優異的冷卻性能，該研究由瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）研究團隊完成。
  • 重大技術突破，中科院傳來又一個好消息，新材料性能提升1000倍
    圖為石墨烯材料近日，中科院傳來一個天大喜訊，又一項重大技術取得突破，它就是新型石墨烯材料，據專家介紹這種新材料的性能可以將電磁延遲時間縮短1000倍，用這種材料製成的雷達可以瞬間讓隱身戰機失效，就算美軍的F35戰機見了它也得退避三舍，在聽到這一好消息後，有網友表示，看來在石墨烯領域裡，中國已遠超美國。
  • 中科院迎來重大突破，性能提升1000倍，美：還有什麼中國做不到？
    我國重要的科學研究所中國科學院也傳來了好消息，宣布在石墨烯材料研究方面取得了重大的突破。石墨烯材料是一種運用十分廣泛的材料，並且是很有可能在未來會發展中成為萬能超導體材料。據悉，這種石墨烯能將電池延遲的時間縮短到大約1000倍，這也預示著很有可能未來石墨烯也可以發展成為晶片的重要材料。
  • 中科院迎來重大突破，性能提升1000倍，美：還有什麼中國做不到
    我國重要的科學研究所中國科學院也傳來了好消息，宣布在石墨烯材料研究方面取得了重大的突破據悉，這種石墨烯能將電池延遲的時間縮短到大約1000倍，這也預示著很有可能未來石墨烯也可以發展成為晶片的重要材料。也就是說如果可以在原來基礎上縮短1000倍，也就相當於性能提升了1000倍。美方在了解到這些消息後表示：「還有什麼是中國做不到的？」
  • 碳基晶片新突破，我國8寸石墨烯晶圓有望量產，性能將提升10倍
    不是汽車和飛機，而是晶片；晶片的集成化程度越高，產品的體積就會越小，性能也會越來越強。但是矽基晶片發展到現在，受到矽材料本身的性能限制，2nm或是其開發的極限。目前我們一直在尋找一種新材料的電晶體，用來代替矽基成為未來晶片的新材料，而被稱為21世紀的神奇材料—「石墨烯」成為全球科學家們研究的對象。
  • 【深度】5G時代開闢散熱技術新天地
    一方面，隨著智慧型手機的發展，手機晶片的主頻越來越高，功率越來越大。5G晶片處理能力是現有晶片的5倍；5G手機總功率約9.6W，是4G的2倍；5G手機運行在多頻段和高頻網絡，MassiveMIMO（大規模多入多出）天線技術商用，耗能是4G晶片的2.5倍；加上高速處理大量數據，同時手機視頻內容、遊戲內容等的高畫質化。 導熱係數和厚度是評估散熱材料的核心指標。
  • 重大技術突破！中科院傳來好消息，新型石墨烯材料性能大幅提升
    近段時間，中科院傳來了一個振奮人心的好消息，在研究的新型石墨烯材料當中，他們獲得了重大的技術突破。據專家介紹這種新材料的性能可以將電磁延遲時間縮短1000倍。眾所周知，新型石墨烯材料應用廣泛，運用在作戰軍事裝備上，更可以事半功倍，大幅度提升武器性能。據專家表示，用這種材料製成的雷達可以讓隱身飛機瞬間失效。就算美軍的F35戰機見了它也得退避三舍，在石墨烯領域，中國已經創造了不小的成就。
  • 晶片內集成的液冷系統：散熱效果好，有助於電子產品進一步小型化
    導讀據瑞士洛桑聯邦理工學院官網近日報導，該校研究人員公布了其首個在晶片中集成的液體冷卻系統。與傳統冷卻方式相比，這種新型冷卻方法具有卓越的冷卻效果，並且前景廣闊、可持續、低成本、高效益。著名的摩爾定律曾指出：「當價格不變時，集成電路上可容納的電晶體數目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。」
  • 解讀NEC教育投影機的防塵散熱技術
    本文轉自【站長之家】；所有電子產品都繞不開防塵與散熱這兩個核心問題，對於投影機來說，防塵散熱技術的強弱直接關乎機器整體性能、使用壽命、觀看體驗。教育投影機使用頻率高、時間長熱量積聚更多，加之教室窗戶高大、人員活動頻繁導致灰塵粉塵增多，因此更加考驗機器防塵散熱性能。
  • 新能源汽車電池冷卻系統是怎麼散熱的
    新能源汽車電池冷卻系統是怎麼散熱的 ,「iyufk」   無錫冠亞恆溫製冷技術有限公司致力於致力於製冷加熱控溫系統、超低溫冷凍機、新能源汽車部件測試系統、VOCs冷凝回收裝置、加熱循環系統等生產銷售，新能源汽車電池冷卻系統，節能環保，性能穩定，歡迎新老客戶來電選購！
  • 重大技術突破，中科院傳來又一個好消息，新材料性能提升1000
    圖為石墨烯材料近日，中科院傳來一個天大喜訊，又一項重大技術取得突破，它就是新型石墨烯材料，據專家介紹這種新材料的性能可以將電磁延遲時間縮短1000倍，用這種材料製成的雷達可以瞬間讓隱身戰機失效，就算美軍的F35戰機見了它也得退避三舍，在聽到這一好消息後，有網友表示，看來在石墨烯領域裡，中國已遠超美國。