当芯片散热“高烧不退”，新型液冷技术如何改写芯片散热规则

随着摩尔定律的演进逐渐逼近极限，芯片尺寸却仍在持续微缩，而如数据中心等应用场景对功率的需求不断提升，如何平衡芯片性能、功耗与面积（PPA），成为业界面临的一大挑战。

而如何有效为这些芯片散热又是另一大挑战。传统的风冷模式虽简单可靠，但其散热能力有限，尤其是在高热流密度的场景下，风冷的效果尤为不佳。业界亟需新的芯片散热方式。

液冷技术分类

液冷技术因其更高的热容量和传热效率而逐渐成为主流。根据冷却液与发热器件接触方式的不同，液冷技术可以分为间接液冷和直接液冷。

‌间接液冷‌是指，冷却液不直接接触发热器件，而是通过中间介质（如铜板或热管）进行热量交换。‌冷板式液冷‌是间接液冷的主要形式，应用最为广泛。它通过在服务器组件（如CPU、GPU等高发热部件）上安装液冷板，利用液冷板内部的液体循环将热量传递到远离服务器的散热单元‌。

‌直接液冷‌则是冷却液直接与发热元件接触，如CPU或GPU芯片表面，通过热界面材料进行高效的热能传递。‌直接热冷又可分为浸没式液冷‌和‌喷淋式液冷另种方式：浸没式液冷‌是将发热器件直接浸泡在冷却液中，利用液体的流动和热传导特性将热量带走；‌喷淋式液冷‌则是将冷却液精准喷洒于电子设备器件进行散热‌。

液冷具备的优势和主要应用领域

相较于风冷，液冷具有诸多优势：一是更高的散热效率，液体具有较高的比热容，能够更快地吸收和释放热量；二是更低能耗，由于液体的高效传热特性，液冷系统的能耗通常较低；三是能实现更好的设备保护，液冷能够有效延长设备的使用寿命，减少因过热导致的故障。

目前，液冷因成本等问题没有得到广泛应用，主要的应用领域还是集中于对散热有严格要求的领域。一是高性能计算，如数据中心服务器等需要处理海量数据，运行高性能运算等任务，产生的热量多，又需及时散热；二是电子竞技及高端游戏硬件，专业的电竞PC和显卡采用液冷系统，可有效解决高负荷下因过热导致的性能下降问题；三是电动汽车中的电池系统，维持电池模块在适宜的工作温度下工作，可延长电池的寿命，提高车辆的续航里程。

三维微流控液冷系统

近日，东京大学工业科学研究所研究人员发表了一项新的有关于芯片冷却技术的研究，可显著提升芯片冷却的性能。

该研究显示，目前最具前景的芯片冷却方法包括直接在芯片内部嵌入微通道，这些通道允许水从中流过，能有效地吸收热量并将其从热源处转移走，即前述的间接液冷方式。

然而，这项技术的效率受到水的显热的限制。显热指的是，在不引起物质相变的情况下升高其温度所需的热量。水的相变潜热，即在沸腾或蒸发过程中吸收的热能，大约是其显热的7倍。该研究的第一作者Hongyuan Shi解释道：“通过利用水的潜热，可以实现两相冷却，从而在散热方面显著提高效率。”

此前的研究已经显示出两相冷却的潜力，同时也凸显了这项技术的复杂性，这主要是因为在加热后难以控制气泡的流动。最大限度地提高热传递效率取决于多种因素，包括微通道的几何形状、两相流调节以及流阻。

这项研究描述了一种新型水冷系统，该系统由三维微流控通道结构组成，利用了毛细结构和歧管分布层。研究人员设计并制造了各种毛细几何形状，并在一系列条件下研究了它们的特性。

研究发现，冷却剂流过的微通道的几何形状，以及控制冷却液分布的歧管通道，都会影响系统的热性能和水力性能。

所测得的有用冷却输出与所需能量输入之比，即性能系数（COP），最高达到了10的5次方，这标志着相对于传统冷却技术的显著进步。

该研究的资深作者Masahiro Nomura表示：“大功率电子设备的热管理对于下一代技术的发展至关重要，我们的设计可能为实现所需的冷却方式开辟新途径。”

具备高性能的电子产品依赖于先进的冷却技术，这项研究可能有助于最大限度地提高未来设备的性能，并实现碳中和的目标。

嵌入芯片封装的微流体冷却方案

近期，佐治亚理工学院也研发了一种针对电子产品的液体冷却系统，旨在解决一个长期存在的问题：过热。

该系统使用了一个冷却块，一侧有微小的针状翅片，另一侧有一种特殊的热界面材料。冷却块上还连接着一个接口，带有流体进出的端口。冷却流体在微针状翅片中流动，帮助带走热量。由于端口的设计与翅片的形状相匹配，这确保了流体能够高效流动，并且在芯片规模上尽可能有效地散热。

该冷却系统使用了微流体通道——液体流经的微小而复杂的路径，这些通道嵌入在芯片封装内部。这种冷却解决方案直接集成到电子元件中，这使得它比传统的冷却方法效率高得多，因为它增强了散热过程，从而大大降低过热的风险，减少功耗。

该系统的研发人丹尼尔・洛伦齐尼表示：“我们的解决方案直接针对硅芯片的发热源头，因此能够让芯片运行速度更快。我们的设计是将系统直接安装在产生热量最多的硅芯片上。利用微针状翅片中的流体，将芯片产生的热量带走。”

这项技术可以解决游戏系统、高性能计算、电信和能源系统中类似的电子设备过热问题。

结语

在芯片性能提升与功耗、面积矛盾加剧，传统风冷散热捉襟见肘的当下，液冷技术凭借高效传热、节能与设备保护优势脱颖而出。无论是间接还是直接液冷方式，都在特定领域发挥关键作用。无论是东京大学利用相变潜热的三维微流控系统，还是佐治亚理工嵌入芯片封装的微流体冷却方案，这些创新技术均突破了传统散热模式的瓶颈，通过结构集成化与热传递机制优化，在提升散热效率的同时降低能耗，为数据中心、高性能计算、新能源等领域的过热难题提供前瞻性解决方案。

随着技术迭代与成本优化，液冷技术不仅将释放芯片性能潜力，更将为电子产业可持续发展及“碳中和”目标的实现注入核心动力。