黑科技，首個(gè)內置冷卻系統的芯片誕生，散熱效率提高50倍

冷卻電子設備

無(wú)論是數據中心、超級計算機還是筆記本電腦：芯片和其他半導體組件產(chǎn)生的大量熱量是現代電子產(chǎn)品的最大問(wèn)題之一。一方面，它限制了組件的性能和結構密度，另一方面，冷卻過(guò)程本身也消耗了大量的能量，這些能量用于冷卻風(fēng)扇或水冷的泵。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，科學(xué)家一直在研究提高熱量從芯片傳遞到冷卻劑效率的辦法。例如，使用導熱性更好的金屬充當冷卻系統和芯片之間的接觸面。但是，過(guò)去的所有方法的效率都不算很高，而且隨著(zhù)散熱效率的提高，散熱系統的復雜程度和制造成本也指數級上升。

如今，瑞士科研人員終于找到了更好的方法，發(fā)明出一種不需要外部冷卻的芯片，它集成在半導體中的微管將冷卻水直接帶到晶體管周?chē)?，這不但極大的改善了芯片散熱效果，而且還能節省能源，使未來(lái)的電子產(chǎn)品更環(huán)保。更棒的是，刊登在《自然》（Nature）上的論文稱(chēng)（論文見(jiàn)上圖），這種集成式冷卻的生產(chǎn)比以前的制程還更便宜。

半導體中的冷卻通道

瑞士洛桑理工大學(xué)（EPFL）的Remco van Erp和他的團隊開(kāi)發(fā)出這種全新的高效方法，不再從芯片外部冷卻，而是直接在內部冷卻芯片，冷卻液從下方流過(guò)半導體材料中集成的微管，意味著(zhù)作為熱源的晶體管產(chǎn)生的熱量會(huì )被直接散去。

研究人員解釋說(shuō)：“微管與芯片內的晶體管直接接觸，這在熱源和冷卻通道之間建立了更好的連接。冷卻通道的三維分支還有助于冷卻劑的分配，并降低了冷卻劑循環(huán)所需的壓力?！?/p>

非常高效

對該冷卻系統的初步測試表明，它可以驅散每平方厘米1.7千瓦以上的熱量，每平方厘米僅需0.57瓦的泵功率。這明顯小于外部蝕刻冷卻通道所需的功率。研究人員說(shuō)：“觀(guān)察到的冷卻能力超過(guò)每平方厘米一千瓦，相當于效率比外部散熱手段提高了50倍?！?/p>

如果將采用內部冷卻系統的芯片用于大型數據中心，那么，冷卻所需能耗在整個(gè)系統中所占的份額直接從30％降低至僅0.1％。對于便攜設備來(lái)說(shuō)，這種冷卻技術(shù)還可以使電子設備進(jìn)一步小型化，從而擴展摩爾定律。

更經(jīng)濟

集成的微芯片冷卻還有另一個(gè)優(yōu)勢：比在外部添加的冷卻單元更便宜。因為在生產(chǎn)中可以直接將冷卻微管與芯片電路一起引入到半導體中，所以制造成本更低。該過(guò)程大概如下（上圖）：首先，將窄縫蝕刻到涂覆有氮化鎵的硅襯底中。然后，將槽口擴展到冷卻通道，同時(shí)用銅密封開(kāi)口。然后再加工電子電路。

研究人員解釋說(shuō)：“整個(gè)冷卻結構可以直接集成到基板中，只需要常規的加工方法即可，這非常經(jīng)濟?！彼麄冋J為，這種內部冷卻的微芯片將使未來(lái)的電子產(chǎn)品更緊湊，更節能。