微流控賦能芯片冷卻，解決數(shù)據(jù)中心散熱問(wèn)題

如果人們認(rèn)為浸入式水箱是液體冷卻的最終選擇，那還需要再認(rèn)真考慮一下。因?yàn)椋?a target="_blank">工程師們希望冷卻劑在芯片內(nèi)部流動(dòng)。

人們都知道，液體冷卻是數(shù)據(jù)中心的未來(lái)?？諝饫鋮s根本無(wú)法處理到達(dá)數(shù)據(jù)中心的功率密度，因此利用具有高熱容量的稠密液體替換空氣進(jìn)行冷卻是一項(xiàng)可行的措施。隨著IT設(shè)備熱密度的增加，液體冷卻越來(lái)越接近實(shí)際應(yīng)用階段。

通過(guò)數(shù)據(jù)中心機(jī)柜后門(mén)運(yùn)行循環(huán)水系統(tǒng)的冷卻方法已被廣泛接受。接著，系統(tǒng)將水循環(huán)到特別熱的組件（例如GPU或CPU）的冷卻板上。除此之外，浸入式冷卻系統(tǒng)將整個(gè)機(jī)架沉入介電液體罐中，因此冷卻劑可以接觸系統(tǒng)的每個(gè)部分。目前，主要供應(yīng)商提供優(yōu)化浸入式環(huán)境的服務(wù)器。但還可以更進(jìn)一步。如果液體能被帶到離熱源更近的地方——硅芯片內(nèi)部的晶體管，會(huì)怎么樣呢？如果冷卻劑流入處理器內(nèi)部怎么辦？

微軟（Microsoft）系統(tǒng)技術(shù)總監(jiān)Husam Alissa認(rèn)為這是一個(gè)令人興奮的潛在選項(xiàng)：“在微流控領(lǐng)域中，冷卻系統(tǒng)被稱(chēng)為嵌入式冷卻、3D異構(gòu)或集成冷卻，我們將該冷卻技術(shù)‘帶到’硅芯片內(nèi)部，非常接近運(yùn)行工作的有源核心。”

這不僅僅是一個(gè)更好的冷卻系統(tǒng)，Husam Alissa說(shuō)道：“當(dāng)進(jìn)入微流控領(lǐng)域，解決的不再只是一個(gè)‘熱’問(wèn)題?！睋碛凶约豪鋮s系統(tǒng)的硅芯片可以從硬件源頭上解決問(wèn)題。

微流控的誕生

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，1981年，美國(guó)斯坦福大學(xué)（Stanford University）的研究人員David Tuckerman和R F Pease建議，使用與硅片代工廠類(lèi)似的技術(shù)，在散熱器中蝕刻微小的“微通道”，可以更有效地散熱。

微通道具有更大的表面積并且能夠更有效地散熱。斯坦福大學(xué)研究人員建議，散熱器可以成為超大規(guī)模集成電路（VLSI）芯片的一個(gè)組成部分，他們的演示證明，在當(dāng)時(shí)，微通道散熱器可以支持令人驚奇的每平方米800 W的熱通量。從那時(shí)起，這個(gè)設(shè)想就一直在斯坦福大學(xué)流傳，但對(duì)數(shù)據(jù)中心中運(yùn)行的芯片并未產(chǎn)生多大影響。

2002年，斯坦福大學(xué)教授Ken Goodson、Tom Kenny和Juan Santiago成立了Cooligy公司，這是一家初創(chuàng)公司，其令人印象深刻的設(shè)計(jì)是在芯片上直接集成一個(gè)散熱器。該散熱器采用“有源微通道”設(shè)計(jì)，以及一個(gè)巧妙的靜音固態(tài)電動(dòng)泵來(lái)循環(huán)水。

Cooligy公司的理念已經(jīng)被部分主流觀點(diǎn)認(rèn)可。該公司于2005年被艾默生網(wǎng)絡(luò)能源公司（Emerson Network Power，后來(lái)更名為：維諦技術(shù)有限公司）收購(gòu)。它的技術(shù)和一些員工仍然在維諦技術(shù)有限公司（Vertiv）存續(xù)。

隨著硅片制造的發(fā)展和三維化，集成冷卻與處理的理念變得更加實(shí)用。從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，制造商嘗試在硅芯片上構(gòu)建多個(gè)組件。在多層硅芯片的上層制作微通道可能是冷卻的捷徑，因?yàn)樗梢院?jiǎn)單地通過(guò)實(shí)現(xiàn)類(lèi)似于散熱器的微小凹槽實(shí)施。

但這個(gè)設(shè)想并沒(méi)有得到太多的關(guān)注，因?yàn)楣栊酒?yīng)商希望使用3D技術(shù)來(lái)堆疊有源組件。這種方法現(xiàn)在被高密度存儲(chǔ)器芯片所接受，相關(guān)專(zhuān)利表明英偉達(dá)（Nvidia）可能有意堆疊GPU。

在微處理器行業(yè)，冷卻和處理被視為兩個(gè)獨(dú)立的學(xué)科。芯片必須被設(shè)計(jì)成能散熱，一般使用導(dǎo)熱材料將熱量吸到表面的大銅散熱器上，這是通過(guò)相對(duì)簡(jiǎn)單的方式實(shí)現(xiàn)的。

散熱器可以通過(guò)蝕刻更小的微通道來(lái)改善，但它是一個(gè)單獨(dú)的項(xiàng)目，熱量必須穿過(guò)粘合劑的屏障才能到達(dá)指定位置。

但一些研究人員可以看到這種可能性。2020年，比利時(shí)魯汶大學(xué)（KU Leuven）和校際微電子中心（Interuniversity Microelectronics Centre，IMEC）的研究人員Tiwei Wei將冷卻和處理集成在一顆芯片中。

Tiwei Wei的成果于2020年發(fā)表在Nature期刊上，他認(rèn)為這一理念不會(huì)在微處理器中流行，他說(shuō)微冷卻通道在電力電子領(lǐng)域更有用，在電力電子領(lǐng)域中，由氮化鎵（GaN）等半導(dǎo)體制成的大尺寸芯片實(shí)際管理和轉(zhuǎn)換電路中的電力。

這可能解釋了艾默生網(wǎng)絡(luò)能源公司/維諦技術(shù)有限公司想要收購(gòu)Cooligy公司的原因，但Tiwei Wei沒(méi)有料想到這項(xiàng)技術(shù)會(huì)走得更遠(yuǎn)，他在IEEE Spectrum期刊的文章中表示：“這種嵌入式冷卻解決方案不適用于CPU等現(xiàn)代處理器和芯片”。

挖掘芯片新技術(shù)

在那時(shí)，研究人員已經(jīng)在硅芯片表面蝕刻微流控通道數(shù)年了。2015年，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院（Georgia Institute of Technology，Georgia Tech）與英特爾（Intel）合作的一個(gè)研究小組可能是第一個(gè)在硅片上制造出具有集成微流控冷卻層的FPGA芯片的團(tuán)隊(duì)，該冷卻層“距離晶體管運(yùn)行處只有幾百微米”。

佐治亞理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Muhannad Bakir教授在佐治亞理工學(xué)院的新聞稿中表示：“我們通過(guò)將液體冷卻裝置移動(dòng)到距離晶體管僅幾百微米的地方，不再需要硅芯片頂部的散熱器。我們相信，將微流控冷卻裝置直接可靠地集成于硅片內(nèi)部，將是新一代電子產(chǎn)品的顛覆性技術(shù)?！?/p>

2020年，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（école Polytechnique Fédérale deLausanne，EPFL）的研究人員有了新的跨越，他們?cè)诎l(fā)熱晶體管下方的微通道中利用液體進(jìn)行冷卻。

Elison Matioli教授看到了將各項(xiàng)技術(shù)更加緊密地結(jié)合在一起的機(jī)會(huì)，他們團(tuán)隊(duì)的相關(guān)論文發(fā)表在Nature期刊上，他在2020年說(shuō)：“我們從一開(kāi)始就將電子裝置和冷卻裝置設(shè)計(jì)在一起?！?/p>

Elison Matioli的團(tuán)隊(duì)成功地在芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)了一個(gè)微流控冷卻通道的3D網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置在每個(gè)晶體管裝置的有源部分正下方，距離產(chǎn)生熱量的地方只有幾微米。他說(shuō)，這種方法可以將冷卻性能提高50倍。

Elison Matioli在硅襯底上的氮化鎵層中蝕刻了微米寬的狹縫，然后加寬了硅襯底中的狹縫，形成了足夠大的通道，可以泵送液體冷卻劑通過(guò)。

接下來(lái)，用銅密封氮化鎵層中的微小開(kāi)口，并在頂部形成一個(gè)規(guī)則的硅器件。他當(dāng)時(shí)說(shuō)：“我們只在與每個(gè)晶體管接觸的硅片的微小區(qū)域上蝕刻有微通道。這使該微流控冷卻技術(shù)變得更加高效?！?/p>

Elison Matioli成功地制造出了像12 kV交流到直流整流電路這樣的耗電器件，但它不需要外部散熱器。該器件內(nèi)部的微通道將液體直接輸送到熱點(diǎn)區(qū)域，并處理每平方厘米1.7 kW的不可思議的功率密度，這相當(dāng)于每平方米17 MW，是當(dāng)今GPU熱通量的數(shù)倍。

與標(biāo)準(zhǔn)硅芯片集成

與此同時(shí)，通過(guò)在現(xiàn)有微處理器的背面創(chuàng)建微流控結(jié)構(gòu)，將微流控技術(shù)添加到標(biāo)準(zhǔn)硅芯片中的工作仍在繼續(xù)。

2021年，包括Husam Alissa在內(nèi)的微軟領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)有英特爾酷睿i7-8700K CPU的背面直接蝕刻了“微針（micropins）”鰭。

Husam Alissa說(shuō)：“我們實(shí)際上采用了一款拆除機(jī)箱的現(xiàn)成的桌面級(jí)處理器。在沒(méi)有散熱罩和熱界面材料（TIM）的情況下，芯片就暴露出來(lái)了?！?/p>

他繼續(xù)說(shuō)道：“當(dāng)芯片暴露出來(lái)時(shí)，我們采用蝕刻方法制造出我們想要的通道。”芯片的背面被選擇性地蝕刻掉，深度為200微米，然后留下100微米厚的棒狀殘茬區(qū)域圖案——這些“微針”構(gòu)成了直接集成到芯片冷卻系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

Husam Alissa提醒說(shuō)，這是一項(xiàng)精細(xì)的任務(wù)：“我們必須考慮蝕刻的深度，這樣就不會(huì)影響硅芯片的有源區(qū)域?！?/p>

最后，CPU芯片的背面被密封在3D打印的歧管中，該歧管將冷卻劑輸送到“微針”之間。然后，該芯片經(jīng)過(guò)超頻，功耗達(dá)到215 W——是其熱設(shè)計(jì)功率（TDP）的兩倍多，該能量被設(shè)計(jì)為在不過(guò)熱的情況下安全處理。

令人驚訝的是，該芯片僅通過(guò)歧管輸送室溫的水就能達(dá)到這一水平。該實(shí)驗(yàn)顯示，與傳統(tǒng)的冷卻板相比，接頭到入口的熱阻降低了44%，每瓦使用的冷卻劑體積減少了三十分之一。他們使用標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)程序?qū)π阅苓M(jìn)行了評(píng)估。

這是首次在標(biāo)準(zhǔn)消費(fèi)級(jí)CPU上直接創(chuàng)建微流控通道，并在有源CMOS器件上實(shí)現(xiàn)了微流控冷卻的最高功率密度。該小組在IEEE Xplore期刊上發(fā)表了該項(xiàng)研究成果，表明在不需要能源密集型制冷系統(tǒng)的情況下，數(shù)據(jù)中心有可能更高效地運(yùn)行。

芯片制造商所需要做的就是批量生產(chǎn)帶有蝕刻“微針”的處理器，并在出售時(shí)附帶一個(gè)歧管，以代替常規(guī)散熱帽。

如果像臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司（TSMC）這樣的硅片代工廠能夠?yàn)樗麄兊男酒峁﹥?nèi)置的液體冷卻，這將改變對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的采用。Husam Alissa說(shuō)，這也將使這項(xiàng)技術(shù)得到進(jìn)一步的突破。

他說(shuō)：“使用冷卻板可能會(huì)得到40°C（104°F）的水，但使用微流控技術(shù)，這些芯片可能會(huì)產(chǎn)生80°C（176°F）甚至更高溫度的水，因?yàn)槔鋮s劑離有源核心太近了。這明顯提高了效率和熱回收效益，同時(shí)降低了對(duì)流速的要求?！?/p>

微流控的未來(lái)

Husam Alissa說(shuō)：“微流控主要有兩種類(lèi)型。其中的‘輕觸’選項(xiàng)能夠在幾年內(nèi)部署實(shí)施。”這是他的團(tuán)隊(duì)展示的在商業(yè)芯片中蝕刻微通道的方法：“買(mǎi)芯片，蝕刻，然后就完成了?！?/p>

這種方法的一個(gè)更全面的可能是由硅片代工廠在芯片到達(dá)消費(fèi)者手中之前進(jìn)行蝕刻，因?yàn)椴⒉皇敲總€(gè)人都想把處理器的背面撬下來(lái)，然后用酸液腐蝕它。

除此之外，還有Husam Alissa所說(shuō)的“重觸”選項(xiàng)。在這種情況下，人們可以“在硅片代工廠早期‘?dāng)r截’并開(kāi)始構(gòu)建3D微結(jié)構(gòu)?！彼傅氖嵌嗫仔酒?，將組件堆疊在一起，中間有冷卻劑通道。

這是Elison Matioli在瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院使用的方法的延伸。正如Husam Alissa所說(shuō)：“這意味更多的期望，但顯然也有更多的工作要做。”

Elison Matioli有一個(gè)目標(biāo)：“我們想要達(dá)到的目標(biāo)是，通過(guò)將多個(gè)芯片堆疊在一起，并在兩者之間的微通道進(jìn)行蝕刻，這樣我們能夠同時(shí)在冷卻和電氣方面共同優(yōu)化芯片?！?/p>

冷卻將允許多個(gè)組件通過(guò)“芯片通孔（TCV）”堆疊和連接，芯片通孔是通過(guò)穿過(guò)硅芯片的銅連接。這些塔式芯片可能需要更好的散熱，工作速度更快，因?yàn)榻M件之間的距離更近，Elison Matioli表示：“總體來(lái)說(shuō)，由于距離較近，性能、冷卻能力都提高了，而且延遲也縮短了。”

還有另一個(gè)好處。如果微流控技術(shù)允許芯片達(dá)到更高的熱設(shè)計(jì)點(diǎn)（TDP），這可能會(huì)消除硅芯片設(shè)計(jì)者目前面臨的障礙。

散熱的困難意味著當(dāng)今最大的芯片不能同時(shí)使用所有晶體管，否則會(huì)過(guò)熱產(chǎn)生問(wèn)題。芯片有“暗硅”區(qū)域，采用微流控技術(shù)可以讓設(shè)計(jì)者“點(diǎn)亮”這些區(qū)域，提高芯片性能。

但不能指望微流控技術(shù)能解決所有問(wèn)題。早在2012年，Nikos Hardavellas教授就預(yù)測(cè)了接下來(lái)的問(wèn)題：“即使采用了奇特的冷卻技術(shù)，例如液體冷卻與微流控技術(shù)相結(jié)合，但是向芯片輸送電功率也可能會(huì)帶來(lái)新的限制?！?/p>