研究人员展示了芯片内水冷却

随着台式机处理器首次跨过千兆赫的水平，有一段时间似乎别无选择，只能往上走。但时钟速度的进步最终陷入停顿，不是因为速度本身，而是因为电力需求和所有电力产生的热量。即使现在普通的风扇和巨大的散热器，以及一些零星的水冷却，热量仍然是一个限制因素，经常扼杀当前的处理器。

液体冷却解决方案的部分问题是，它们受到限制，因为它们必须首先将热量从芯片中取出并送入水中。这使得一些研究人员考虑让液体通过芯片本身。现在，一些来自瑞士的研究人员已经将芯片和冷却系统设计成一个单一的单元，芯片上的液体通道放置在芯片最热的部分旁边。结果是对热限制性能的令人印象深刻的提升。

我们对芯片散热的部分问题是，它通常涉及多个连接：从芯片到芯片封装，再到芯片封装到散热器。虽然可以采取措施改善这些连接，但它们的效率很低，这加起来限制了我们可以从芯片中提取的热量。当前使用的液体冷却系统也是如此，它们使用液体代替金属散热器。虽然可以将芯片直接放入导热液体中，但这种液体必须是绝缘体，不能与电子元件发生任何化学反应-这两个障碍都是水无法清除的。

已经有许多芯片上液体冷却的演示。这些通常涉及这样一个系统，在该系统中，具有一组液体通道的设备被融合到芯片上，并且系统通过该芯片泵送流体。这可以从芯片上散热，最初的实现已经发现有一点权衡：通过这些通道泵水比从处理器中提取水需要更多的电力。这种电力不是用在热量问题的地方，所以它不会阻碍散热，但它确实降低了系统的能效。

这项新的研究建立在这些想法的基础上，以提高芯片上冷却系统的效率。参与研究的研究人员证明，它使用的是电力转换芯片，否则会因为热量而导致性能下降。

用于电力转换任务的半导体通常不是硅。取而代之的是，氮化镓(GaN)通常是选择，因为它能更好地处理电流并达到较高的频率。然而，为了保持与现有制造方法的兼容性，大多数GaN器件都建立在硅片之上，这只是提供物理支持，而不是对电路做出贡献。对于研究人员来说，硅提供了一个机会：我们知道如何在极其精细的范围内控制其结构，这可以用来将冷却剂通道直接放置在GaN电路的表面。

施工过程相当精细。最初，极薄的狭缝穿过GaN进入底层硅。然后，只影响硅的蚀刻工艺被用来拓宽这些通道，通过GaN层的原始间隙被铜封闭，这增强了热传导到水中。在这些通道下面是一组交替的通道，它们充当馈送和汇流。冷水通过进料进入，通过通道循环起来，在那里它获得热量，然后通过邻近的水槽被抽出来。

研究人员将设备的GaN部分中最热的部分放置在靠近其中一个通道的位置，以便更有效地提取热量。许多论文都涉及到测试不同几何形状的元素，如通道宽度和间距。在整个过程中，研究人员测试了迫使水通过系统所需的能量，这也对几何图形施加了另一个限制。他们发现的最佳设计能够处理高达每平方厘米1700瓦的热流，同时将芯片的温升限制在60°C以内。

为了将这项研究转化为可用的设备，研究小组使用了一层厚厚的双面粘合层，并用激光将通道切割成通道；然后将芯片粘在这种粘合剂上。水被泵入胶粘剂中，然后从胶粘剂中流进芯片。所有这些都封装在一个标准的电子板上，两条导线都用来连接到电源和用来给系统供水的阀门。

随着系统的运行，它每处理一瓦的功率，温度只会上升大约三分之一摄氏度。由于耐热性提高了60°C，这意味着该设备可以提取176瓦的功率，同时需要的水流量低于每秒1毫升。此外，通过限制热量，电路可以更有效地进行电力转换。

这能有多大呢？作者援引估计，数据中心约30%的能源消耗用于冷却，他们每年使用约1000亿升水。如果这项技术可以在所有芯片上采用-而不仅仅是电源转换器-它可以将冷却所需的能量降低到当前值的1%以下。

但我们离这还有很长的路要走。首先，研究人员选择了非常简单的东西来测试他们的系统，这有助于他们设计出一种与芯片热点位置一致的冷却系统。任何比这更复杂的事情，安排路线都可能要困难得多。对于通用处理器尤其如此，其中执行的芯片部分可能会根据工作负载而改变。该系统还需要对其长期稳定性进行测试，确保它的存在不会造成结构缺陷，并确保高温水与铜、硅和GaN的相互作用不会导致不可预见的问题。

最后，有可能需要整合水源和水槽，也许是多个(电源、GPU、处理器)，所有这些都在适当的压力下。因此，我们距离在任何硬件上看到这一点还有很长的路要走。但至少能看到这一过程可以高效完成的演示是件好事。