3D打印为新兴裸片液体冷却器突破设计障碍，性能可提升3.5倍

2023年5月22日，南极熊获悉，在比利时安特卫普举办的ITF（Innovative Technology Forum）会议上，由芯片研究领域的重要机构imec展示了一系列3D打印处理器冷却器，这是活动中最引人注目的焦点之一。

△3D打印裸片液体芯片冷却器原型

相比当前最先进的CPU冷却解决方案，这些裸片原型芯片冷却器可以将密集型处理器（如CPU和GPU）的冷却能力提高3.5倍，从而实现更高的功率密度和释放未开发的性能。这项研究的成果可能会为各类芯片带来全新的水冷却器应用。

△展示中的手冷头原型

研发技术背景

裸片冷却是一种在处理器芯片表面直接进行冷却的新兴技术。它通过将液体直接流过芯片表面，有效地吸收和带走芯片产生的热量。相比传统的散热器，裸片冷却可以更直接地将热量从芯片转移到冷却介质中，提供更高的散热效率。这种冷却技术通常使用微细的管道或通道，将冷却液体引导到芯片表面，并以高速流动的方式吸收热量，然后通过热交换器将热量传递到外部冷却系统中。

芯片设计师的最终目标是在更小的空间内实现更多的功能。然而，如今的芯片已经受到功率限制，并且当芯片在特定的热设计功率（TDP）和温度限制下运行时，会出现“暗硅”区域被关闭的情况。这意味着大多数芯片在正常运行期间仅能发挥部分潜力。此外，随着每一代芯片的发展，问题越来越严重。例如，像AMD的Epyc Genoa这样的现代CPU已经达到了400W的最高功率，并且未来功率极有可能达到600W以上。

△裸片液体冷却器手冷头原型

自由的设计能力帮助液体冷却器突破障碍

与使用带有水冷块的标准水冷方法不同，该水冷块具有与芯片散热器配对的冷板，用于冷却处理器。而下方相册中展示的原型3D打印冷却器则通过将液体直接强制作用在裸露的处理器芯片上，从而改善了冷却能力，通过将冷却剂直接泵送到处理器表面实现。

△如图所示，通过使用定制的喷嘴阵列，3D打印的水冷块可以以多种方式进行定制，将液体直接喷射到目标区域的芯片表面上，例如用于矢量运算的芯片上的单个核心或高热产生区域，以提高散热能力

水冷头也是定制的，以尽可能占用较少的空间，并使用O型圈来防止液体从水冷头周围渗出。同时，imec正在尝试多种不同类型的密封机制和3D打印材料来进一步优化水冷块的性能。

这些冷却器几乎可以与任何介电液体一起使用，例如经过处理的水或制冷剂。当然，即使液体不导电，裸芯片液体冷却也需要对芯片周围的区域进行密封，如PCB上的电容器和其它电子电路。然而，为了让冷却剂尽可能接近芯片，模具顶部没有使用任何密封剂。研究人员直接将液体泵送到光滑的模具表面，但还可以通过在模具顶部添加条纹等其他方法来提供更高的冷却性能。

imec表示，它们正在优化材料以适应快速热循环和各种冷却剂的相互作用挑战，确保冷却系统在不同环境下的稳定性和可靠性。这对于开发可靠高效的冷却解决方案，以满足不断增长的芯片功耗和散热需求至关重要。

△这些图片概述了研究人员实验的过程。在一般情况下，要冷却每平方厘米超过100W的功率就算是一个棘手的问题。因此，通常的做法是将1W的功率均匀分布在1平方毫米的硅片上。然而，随着工艺节点的缩小，功率密度大幅上升，提高从高功率集中区域散热的能力至关重要，以持续释放额外的性能

研究人员指出，更高的功耗通常意味着更高的芯片性能。通过3D打印技术，他们能够实现每平方厘米内高达1000W（每平方毫米约100W）的冷却能力，甚至每平方毫米内高达500W的冷却能力。

△imec设计过程概述

将芯片冷却能力提高3.5倍

在常见的应用中，这些芯片冷却器可以实现每平方厘米高达350W的冷却能力，或每平方毫米约3.5W的冷却能力，相比目前常见的冷却解决方案提高了3.5倍。这种创新的3D打印技术为芯片行业带来了新的可能性，为提高性能提供了更简单、更成本有效的冷却方法，使芯片设计人员能够采用更保守的方法突破性能极限，而无需依赖于单相和两相冷却解决方案，这些解决方案需要每平方毫米超过4W的冷却能力。这项研究的成果为芯片行业开辟了全新的冷却技术前景。

据悉，imec的研究工作仍处于早期阶段，预计最早的量产产品至少还需要五年时间才能问世。