3D打印芯片冷却器打破障碍，使性能提升高达3.5倍未知大陆-数字制造云平台

3D打印芯片冷却器打破障碍，使性能提升高达3.5倍

未知大陆发表于 2023-05-22

一系列3D打印处理器冷却器是 ITF 世界上最有趣的展示之一，该会议由芯片研究巨头 imec 在比利时安特卫普主办。这些原型水冷头将冷却密集型处理器（如 CPU 和 GPU）的能力提高了 3.5 倍，是我们目前在最好的CPU冷却器中看到的解决方案的3.5倍，从而实现更高的功率密度并释放现代芯片中未开发的性能。这项研究的结果可能会导致用于各种芯片的全新水冷却器。

裸晶片冷却，即迫使液体直接流过处理器晶片，正成为解决新芯片产生的多余热量的最明显的进步之一，imec正以新技术引领潮流，以解锁最密集的工艺节点的全部性能。随着每一代新芯片的出现，这一点变得越来越重要，因为随着节点越小，功耗越低，功耗也会飙升。此外，更小的晶体管推动更高的功率密度，使冷却工作复杂化，最终限制芯片性能。

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使用其部分潜力。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 600W 服务器芯片。

与标准的水冷方法不同，标准的水冷方法是使用一个独立的水块，其中有一个冷板与芯片散热器相结合来冷却处理器，下图中的原型3D打印冷却器将液体直接压在裸露的处理器模具上，从而通过将冷却剂直接泵送到处理器表面来提高冷却能力。

3D打印的水块可以快速成型，imec使用3D打印中使用的不同类型的标准聚合物来确保水块可以处理温度负载。目前还不清楚能否在最好的3D打印机上打印出这些设计。

3D打印的水冷块可以通过几种不同的方式进行定制，使用定制的喷嘴阵列将液体直接喷射到目标区域的芯片表面，例如直接在单个内核或用于矢量操作的芯片高热区域上，以提高冷却能力。

水冷头也是定制的，以尽可能占用最少的空间，目前使用 O 型圈来防止液体从水冷头周围渗出。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打印材料。

几乎任何介电液体都可以与这些冷却器一起使用，例如处理过的水或制冷剂。当然，即使液体不导电，裸芯片液体冷却也需要密封芯片周围的区域，例如 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，模具顶部没有任何密封剂。研究人员将液体直接泵送到光滑的模具表面，但其他方法，如在模具顶部添加条纹，可以释放更多的冷却性能。

由于快速的热循环以及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，以确保长期可靠性。

上面的专辑包含几张概述研究人员实验的幻灯片。一般来说，冷却每平方厘米超过 100W 的功率已被证明是非常有问题的，这导致了一个普遍的经验法则，即在 1 平方毫米的硅上散布 1W 的功率可以实现有效的冷却。不过，功率密度随着工艺节点的减小而飙升，因此提高从较高功率集中散热的能力对于继续释放额外性能至关重要。

请记住，更多的功耗通常等同于更高的芯片性能（需要注意的是——效率会受到影响）。 imec 研究人员告诉我们，他们可以在一平方厘米内冷却多达 1,000W（每毫米^2 100W），甚至在一毫米^2内冷却高达 500W，但这种冷却性能并不代表典型性能，因为它不能很好地扩展到整个芯片。

在常见应用中，这些芯片冷却器可实现每平方厘米高达 350W 的冷却能力，或每 mm^2 约 3.5W——比目前常见的冷却能力提高 3.5 倍。如上面的相册所示，这将允许芯片设计人员使用比单相和两相冷却解决方案更保守的方法继续突破性能极限，单相和两相冷却解决方案需要扩展到每 mm^2 4W 以上。

当然，这是对这些冷却解决方案如何执行的一种简单的看法，还有许多其他变量，如温度增量和其他因素，需要适当地衡量该方法的各种优点。然而，有一件事是肯定的——这种方法标志着以合理的增加成本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，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，因为研究人员正在努力确定正确的材料、液体和设计，以便创造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进入市场。

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