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在比利時安特衛(wèi)普主辦的ITF世界會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，比我們在當今最好的 CPU 冷卻器性能高出 3.5倍，從而實現(xiàn)更高的功率密度并釋放現(xiàn)代芯片中尚未開發(fā)的性能。這項研究結(jié)果有望為芯片行業(yè)帶來一種全新的水冷器。

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正在用新技術引領這一方向，以釋放最密集工藝節(jié)點的全部性能。隨著每一代新芯片的誕生，這一點變得越來越重要，因為隨著芯片節(jié)點變得越來越小，功耗的降低比例越來越小，功耗也隨之激增。此外，更小的晶體管使功率密度更高，使冷卻工作更加復雜，最終限制了芯片的性能。

芯片設計師的最終目標是在更小的空間內(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，并且當芯片運行以保持在特定的 TDP 和溫度限制內(nèi)時，“暗硅”區(qū)域被關閉。這意味著大多數(shù)芯片在正常運行期間僅發(fā)揮出了部分潛力。此外，每一代芯片的問題都在加劇——像 AMD 的 Epyc Genoa這樣的現(xiàn)代 CPU已經(jīng)達到 400W 的最高功率，并且路線圖指向未來的 600W 服務器芯片。

傳統(tǒng)的水冷方法是使用獨立水冷塊，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，它是通過將冷卻劑直接泵送到處理器表面來提高冷卻能力。

△中央處理器散熱（圖片來源：Tom's Hardware）

3D打印的水冷塊允許快速制作原型，imec使用3D打印中不同類型的標準聚合物來確保冷塊能夠處理溫度負荷。水冷塊可以通過幾種不同的方式進行定制，定制的噴嘴陣列將液體直接噴射到芯片表面的目標區(qū)域，例如直接在單個內(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O型環(huán)來防止液體從水塊周圍滲出。當然，imec正在試驗幾種不同類型的密封機制和不同類型的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，如處理過的水或制冷劑。當然，即使液體不導電，裸片液體冷卻也需要密封芯片周圍的區(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，密封劑帶來了長期的可靠性挑戰(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，以確保長期的可靠性。

一般來說，冷卻每平方厘米超過100W的功率已被證明是不劃算的，這導致了一個普遍的經(jīng)驗法則，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，隨著芯片更小工藝節(jié)點的產(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500W，但這種類型的冷卻性能并不代表典型的性能，因為它不能很好地擴展到整個芯片。

在常見的應用中，這些芯片冷卻器可以使每平方厘米的冷卻能力達到350W，或每平方毫米約3.5W，比常見的冷卻器提升了3.5倍。如上所示，這將使芯片設計者能夠以一種相對更保守的方法繼續(xù)推動性能的極限，而不是單相和兩相冷卻解決方案，因為這些解決方案需要擴展到每平方毫米 4W以上。

當然，想要將這種新型冷卻解決方案實現(xiàn)效益最大化，還需要關注到許多其他變量，例如溫度增量和其他因素，才能對該方法的優(yōu)點有一個準確的衡量。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提高冷卻能力的最簡單方法之一。其他技術，例如臺積電提出的通過芯片內(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，而且還遙遙無期。

Imec 的努力仍處于研究階段，因為研究人員目前仍在努力確定正確的材料、液體和設計，以便創(chuàng)建大規(guī)模生產(chǎn)的冷卻解決方案，這項研究的最早產(chǎn)品可能需要五年時間才能篩選出市場。