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微处理器世界的温度又在升高

摩尔定律的警示一直存在：更多晶体管、更高开关频率意味着更多热量。多年来，芯片制造商通过降低时钟频率和在单颗芯片上集成多个微处理器核心来分散热量。然而，热量仍然制约着芯片性能。如今处理器上的热点功率密度可达到每平方厘米1千瓦，远高于火箭喷嘴内部的温度。DARPA微系统技术办公室项目经理Avram Bar-Cohen指出，高级微处理器上越来越多的晶体管甚至无法同时运行，否则会产生过多热量。“随着晶体管数量不断增加，这部分‘暗硅（dark silicon）’比例已经从10%升至20%，有时甚至更高。”

处理器设计师在限制芯片发热方面的手段有限，因此迫切需要新的散热方法。传统散热方法是将硅芯片固定在带有复杂鳍片和沟槽的铜或铝块上，再用塑料风扇吹过金属块。可想而知，这种系统往往体积庞大、噪音高且功耗大。而对于未来的三维堆叠IC处理器，散热器和风扇显然无法满足需求。多层芯片容易在层间形成热阻，使散热更加困难。

研究人员正在探索更高效的芯片和电子设备散热方法，包括对现有方案的改进或彻底创新。挑战在于半导体行业能否及时整合这些新技术。加州劳伦斯伯克利国家实验室能源技术部主任Ravi Prasher指出，他长期研究各种芯片散热技术，并表示：“关键在于这些方法能否在产业中被有效应用。”以下是一些可能有效解决芯片过热问题的技术途径。

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微型嵌入式液冷散热

与通过多毫米厚的导热层再将热量传导到空气中不同，一种思路是将冷却介质放置在距离产生热量的晶体管仅几微米的位置。这可以通过在芯片或基板中刻蚀微流体通道，并让液体冷却剂流经其中来实现。

Photo: Rob Felt/Georgia Tech Water flows through microchannels on a chip.

2015年9月，乔治亚理工学院的工程师展示了首个在商用现场可编程门阵列（FPGA）上实现的片上嵌入式液冷系统。（FPGA包含可通过软件配置的逻辑模块，可构建任意计算电路，应用涵盖国防、天文、医学成像等领域。）电气与计算机工程教授Muhannad Bakir及其团队使用常规微加工技术，在芯片背面的硅层刻蚀出高200微米的微通道，并将通道连接至外部水管；泵和储液装置最终将集成到芯片封装中。该系统使FPGA的工作温度相比空气冷却装置降低了60%以上。Bakir表示：“该技术与所有硅芯片及封装工艺兼容。”

液冷的另一个关键优势是：它可以嵌入到三维堆叠的高功率芯片之间。为了展示这一潜力，Bakir团队在冷却通道中嵌入了可用于连接堆叠芯片的互连线路。

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The Fridge

如果水冷仍不足以解决问题，一些研究团队正在探索在微流体通道中使用可蒸发制冷剂。IBM苏黎世研究实验室先进热封装组负责人Bruno Michel表示，制冷剂受热蒸发时能够吸收比循环液体更多的热量。蒸发后的蒸气在芯片外的冷凝器中重新凝结为液体，再返回通道重复循环。

Fujitsu’s superslim refrigerator is designed to suck heat out of a smartphone.Image: Fujitsu

Michel指出，这种两相冷却（two-phase cooling）方法利用低压促进蒸发，应能达到DARPA设定的目标——冷却功率密度高达1 kW/cm²的芯片热点。技术难点在于精确控制系统压力，确保制冷剂不会完全蒸发。“必须控制沸腾量和蒸气质量，”他说。这种两相冷却的简化版本已开始进入智能手机领域。2015年3月，富士通宣布开发出厚度不足一毫米的微型制冷系统。

04

The Fan of Fans

由麻省理工衍生出的初创公司CoolChip Technologies改进了传统风冷散热器的设计，将风扇与散热鳍片合二为一。该公司称这一组合装置为动能冷却引擎（kinetic cooling engine），它是一个扁平的圆形铝片，上面刻有鳍片，可像风扇一样旋转。CoolChip表示，这款装置体积仅为传统风扇的一半，噪音更低，同时散热效率提高了50%。微软已聘请CoolChip为Xbox One游戏主机开发散热系统。到2016年初，CoolChip的技术预计将应用于由台湾Cooler Master公司生产的数万个游戏主机散热系统中。

05

碳纳米管

目前，热界面材料（TIM）主要使用导热膏和聚合物，将硅芯片的热量传导到散热器。碳纳米管则是极佳的替代材料。它们的热导率是已知材料中最高之一，并且具有柔性；相比之下，刚性材料在热胀冷缩过程中可能会损坏芯片或封装。

问题在于，纳米管非常稳定，不易形成将其与芯片封装其他部分连接的化学键。因此，Lawrence Berkeley国家实验室物理学家D. Frank Ogletree指出：“纳米管与热源或散热器之间实现高效热传导非常困难。”Ogletree利用有机分子在纳米管与金属之间形成共价键，使热流提高了六倍。然而，一个重大障碍仍然存在：在硅片上垂直生长的纳米管中，只有约5%与金属表面接触。Berkeley Lab的Prasher表示：“如果有人能解决这个难题，这项技术将真正具有吸引力。”