黑科技，首個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生的大量熱量是現代電子產品的最大問題之一。一方面，它限制了組件的性能和結構密度，另一方面，冷卻過程本身也消耗了大量的能量，這些能量用于冷卻風扇或水冷的泵。

為了解決這個問題，科學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，過去的所有方法的效率都不算很高，而且隨著散熱效率的提高，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圍，這不但極大的改善了芯片散熱效果，而且還能節省能源，使未來的電子產品更環保。更棒的是，刊登在《自然》（Nature）上的論文稱（論文見上圖），這種集成式冷卻的生產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（EPFL）的Remco van Erp和他的團隊開發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，冷卻液從下方流過半導體材料中集成的微管，意味著作為熱源的晶體管產生的熱量會被直接散去。

研究人員解釋說：“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所需的壓力。”

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：“觀察到的冷卻能力超過每平方厘米一千瓦，相當于效率比外部散熱手段提高了50倍。”

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％。對于便攜設備來說，這種冷卻技術還可以使電子設備進一步小型化，從而擴展摩爾定律。

更經濟

集成的微芯片冷卻還有另一個優勢：比在外部添加的冷卻單元更便宜。因為在生產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，同時用銅密封開口。然后再加工電子電路。

研究人員解釋說：“整個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，這非常經濟。”他們認為，這種內部冷卻的微芯片將使未來的電子產品更緊湊，更節能。