數據中心的高能耗問題，有了更好的解答思路

文丨學術頭條

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。

研究人員使用微流體電子協同設計方案，在同一半導體的襯底內將微流體和電子元器件進行協同設計，生產出一個單片集成的歧管微通道冷卻結構，可以有效地管理電晶體產生的大熱通量。

研究結果表明，該冷卻結構僅使用 0.57 瓦/平方釐米的泵送功率，就可以輸送超過 1.7 千瓦/平方釐米的熱通量，其冷卻效果超出當前所使用的結構的效果。

2019 年 5G 進入正式商用以來，高速率低時延的移動通信網絡為超高密度的信息接入提供了便捷，與此同時也產生了海量的數據，作為雲計算基礎設施的數據中心，在規模和數量方面都呈現出爆發式增長態勢，隨之而來的高能耗問題已然成為業界面臨的一大難題。

據統計，在一個傳統數據中心的總能耗中，製冷系統用於冷卻散熱的能耗佔比達 30% 至 40% 。數據中心目前採用的冷卻技術主要包括冷凍水、泵送製冷劑、遏制通道、行和機架級空氣、液體冷卻等方式，需要消耗大量的能源和水資源。

Elison Matioli 教授團隊致力於從觀念上真正實現改變電子設備的設計，在設計之初就開始通過構思電子設備與冷卻結構的整體設計，目的是將設備中散熱最大的區域附近的熱量散發出去。

Van Erp 表示：「 我們希望結合電氣和機械工程方面的技術，製造出一種新型設備。」

微流體電子協同設計

隨著電子產品的集成度越來越高，不斷縮小的半導體器件在擁有更小、 更輕、更便攜等優勢的同時，也產生了更高的熱通量，為冷卻技術帶來新的挑戰。

與傳統的半導體相比，氮化鎵（GaN）之類的寬帶隙半導體可實現更小的壓鑄模，以及功率器件的單片集成，從而可以支持將完整的功率轉換器小型化為單個晶片，因此被研究人員當作解決這一問題的候選者。

先前大量的研究工作都聚焦在如何改善散熱區和冷卻劑之間的熱路徑上，但排熱能力從根本上受限於半導體的模具和封裝之間存在的熱阻。此外，由於電子設備不能密集封裝，不僅需要依賴更大的散熱器，而且會降低設備功率密度並阻礙半導體集成。

Elison Matioli 帶領的研究團隊希望解決如何冷卻電子設備（尤其是電晶體）的問題。Elison Matioli 說：「 管理這些設備產生的熱量將是未來電子產品面臨的最大挑戰之一，最大限度地減少能源消耗對環境的影響變得越來越重要，因此我們需要在冷卻技術方面實現創新，以可持續、低成本、高效益的方式，有效地處理晶片產生的大量熱通量。」

於是，研究人員開始探索使用冷卻劑與設備直接接觸的方式，來實現更高的冷卻性能。歧管式微通道（MMC）熱沉憑藉熱阻小、結構緊湊、冷卻液流量小、流速低、沿著流動方向溫度分布均勻等優點，成為備選方案。

研究人員提出了在具有外延層的單晶矽襯底上設計的單片集成的多歧管微通道（mMMC）散熱器，無需繁瑣的鍵合步驟即可生產。此處，器件的設計和散熱器的製造是在同一過程中結合在一起，冷卻通道直接嵌入在晶片的有效區域下方。因此，冷卻劑可以直接撞擊熱源，提供局部和有效的散熱。

研究結果表明，這種將冷卻作為設備整體結構的一個組成部分的設計，可以將冷卻性能提高几個數量級。

「我們將微流體通道放置在非常靠近電晶體散熱點的位置，並採用簡單的集成製造工藝，實現在正確的位置提取熱量，並防止熱量散布到整個器件中 。」 Matioli 說。

高冷卻性能

為準確評估MMC結構的冷卻設備的冷卻性能，研究人員使用去離子水作為冷卻劑，對冷卻結構進行了熱液分析，通過測量熱阻、壓降和冷卻性能係數（COP）來評估冷卻性能。

分析結果顯示，含有10個歧管的微通道冷卻結構能夠允許高達 1723 W/cm2 的熱通量，最大溫升可達 60 K，相當於 25μm 寬的平行微通道（SPMC）的兩倍。

Van Erp 說：「我們在實驗中選擇了去離子水作為冷卻液，但我們已經在測試其他更有效的液體，以便可以從電晶體中吸收更多的熱量。」

為了測試半導體器件中嵌入式冷卻結構的潛力，研究人員將一個全橋整流器集成到單個矽基氮化鎵（GaN-on-Si）功率器件上。研究發現，單相水冷式熱通量超過 1 KW/cm2時，其冷卻性能係數（COP）達到了前所未有的水平（超過 10000），與平行微通道相比增加了 50 倍。

圖 嵌入式冷卻結構的集成全橋整流器結構

為充分利用高性能微通道冷卻結構的緊密度，研究人員開發了帶有嵌入式冷卻液輸送通道的三層 PCB 電路板，用於引導冷卻劑進入電子元器件。實際上，數據中心目前超過 30% 用於冷卻的平均額外能源消耗，通過採用這種設計方法，可能會降到 0.01% 以下。

同時，該研究進一步說明，為了最大限度地實現節能，冷卻應該是整個電子設備設計鏈中不可或缺的一部分，而不僅僅是一個事後的想法。

Matioli 說：「 這種冷卻技術將使我們能夠設計出更加緊密的電子設備，並可以大大減少全球因系統冷卻而消耗的能源。這項設計可以直接去除當前數據中心對於大型外部散熱器的需求，研究還表明可以在單個晶片中設計超緊湊型的電源轉換器。隨著當前社會對於電子產品依賴程度的不斷加深，將更加彰顯出這一設計的社會價值。」

目前，研究人員正在研究如何管理雷射和通訊系統等其他設備中的熱量。

參考資料：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2666-1

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-09/epfd-tcf090220.php