3D 打印裸片液体芯片冷却器打破障碍，将冷却性能提升3.5 倍

2023年5月22日，南极熊获悉，芯片研究巨头 imec在比利时安特卫普主办的ITF世界会议上展出一件很有趣的物件——3D 打印处理器冷却器。这些原型冷却器将冷却密集型处理器（如 CPU 和 GPU）的能力提高了3.5 倍，比我们在当今最好的 CPU 冷却器性能高出 3.5倍，从而实现更高的功率密度并释放现代芯片中尚未开发的性能。这项研究结果有望为芯片行业带来一种全新的水冷器。

将液体直接覆在处理器芯片上的裸片冷却方式正在成为散发芯片产生热量的主流方式之一，而IMEC正在用新技术引领这一方向，以释放最密集工艺节点的全部性能。随着每一代新芯片的诞生，这一点变得越来越重要，因为随着芯片节点变得越来越小，功耗的降低比例越来越小，功耗也随之激增。此外，更小的晶体管使功率密度更高，使冷却工作更加复杂，最终限制了芯片的性能。

芯片设计师的最终目标是在更小的空间内完成更多的工作。尽管如此，今天的芯片已经受到功率限制，并且当芯片运行以保持在特定的 TDP 和温度限制内时，“暗硅”区域被关闭。这意味着大多数芯片在正常运行期间仅发挥出了部分潜力。此外，每一代芯片的问题都在加剧——像 AMD 的 Epyc Genoa这样的现代 CPU已经达到 400W 的最高功率，并且路线图指向未来的 600W 服务器芯片。

传统的水冷方法是使用独立水冷块，其冷板与芯片散热器配合以冷却处理器。而下图中展出的3D打印原型冷却器则与之不同，它是通过将冷却剂直接泵送到处理器表面来提高冷却能力。

△中央处理器散热（图片来源：Tom's Hardware）

3D打印的水冷块允许快速制作原型，imec使用3D打印中不同类型的标准聚合物来确保冷块能够处理温度负荷。水冷块可以通过几种不同的方式进行定制，定制的喷嘴阵列将液体直接喷射到芯片表面的目标区域，例如直接在单个内核或用于矢量操作的芯片的高发热区域，以提高冷却能力。

水冷头也是定制的，以尽可能减少空间占比，目前是使用一个O型环来防止液体从水块周围渗出。当然，imec正在试验几种不同类型的密封机制和不同类型的3D打印水冷块材料。

几乎任何介电液体都可以用于这些冷却器，如处理过的水或制冷剂。当然，即使液体不导电，裸片液体冷却也需要密封芯片周围的区域，如PCB上的电容器和其他电子电路。然而，为了使冷却剂尽可能靠近芯片，裸片的顶部没有任何密封剂。研究人员直接在光滑的芯片表面泵送液体，但其他方法，如在芯片顶部添加条纹，可以释放更多的冷却性能。

由于快速的热循环和与系统中使用的各种冷却剂的相互作用，密封剂带来了长期的可靠性挑战。尽管如此，imec仍在有条不紊地努力寻找所有材料的正确组合，以确保长期的可靠性。

一般来说，冷却每平方厘米超过100W的功率已被证明是不划算的，这导致了一个普遍的经验法则，即把1W的功率分散到1平方毫米的硅上可以有效地冷却。不过，随着芯片更小工艺节点的产生，其功率密度正在急剧上升，所以提高从更高的功率集中地清除热量的能力对于继续释放额外的性能是最重要的。

通常情况下，更多的功耗往往等同于更多的芯片性能。imec的研究人员告诉我们，他们可以在一平方厘米内冷却多达1000W（每平方毫米100W）的热量散发，甚至在一平方毫米内冷却多达500W，但这种类型的冷却性能并不代表典型的性能，因为它不能很好地扩展到整个芯片。

在常见的应用中，这些芯片冷却器可以使每平方厘米的冷却能力达到350W，或每平方毫米约3.5W，比常见的冷却器提升了3.5倍。如上所示，这将使芯片设计者能够以一种相对更保守的方法继续推动性能的极限，而不是单相和两相冷却解决方案，因为这些解决方案需要扩展到每平方毫米 4W以上。

当然，想要将这种新型冷却解决方案实现效益最大化，还需要关注到许多其他变量，例如温度增量和其他因素，才能对该方法的优点有一个准确的衡量。然而，有一件事是肯定的——这种方法意味着是以合理的成本增加来提高冷却能力的最简单方法之一。其他技术，例如台积电提出的通过芯片内部的微通道泵送冷却剂的研究，这一想法显然更加奇特，因此成本更高，而且还遥遥无期。

Imec 的努力仍处于研究阶段，因为研究人员目前仍在努力确定正确的材料、液体和设计，以便创建大规模生产的冷却解决方案，这项研究的最早产品可能需要五年时间才能筛选出市场。