数据中心的高能耗问题有更好的解决方案解决电子和冷却系统分开处理的困境，阻止嵌入式冷却系统充分发挥节能潜力。9月9日，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）电气工程研究所功率与宽带隙电子研究实验室（POWERlab）ElisonMatioli教授及其博士生RemcoVanErp等研究人员发表论文在自然界。最新研究成果实现了芯片散热技术的新突破。使用微流控-电子协同设计方案，研究人员在同一半导体基板内协同设计微流控和电子元件，以生产单片集成的歧管微通道冷却结构，可有效管理晶体管产生的大容量。热通量。研究结果表明，冷却结构仅使用0.57W/cm2的泵浦功率就可以提供超过1.7kW/cm2的热通量，这比目前使用的结构更有效。自2019年5G正式商用以来，高速、低时延的移动通信网络为超高密度信息接入提供了便利，同时也产生了海量数据。作为云计算基础设施的数据中心，在规模和数量上都呈现爆发式增长，随之而来的高能耗问题成为行业面临的一大难题。据统计，在传统数据中心的总能耗中，用于制冷和散热的冷却系统能耗占30%~40%。目前数据中心使用的冷却技术主要包括冷冻水、泵送制冷剂、密闭通道、行级和机架级空气、液体冷却等，消耗大量能源和水资源。ElisonMatioli教授的团队致力于从概念的角度改变电子设备的设计。在设计之初，就开始构思电子设备和散热结构的整体设计，目的是在设备中散热量最大的区域附近进行散热。“我们希望结合电气和机械工程技术来制造一种新型设备，”VanErp说。微流控电子协同设计、更轻、更便携等优势，同时也产生更高的热通量，这给散热技术带来了新的挑战。与传统半导体相比，氮化镓(GaN)等宽带隙半导体可实现更小的压铸模具和功率器件的单片集成，可支持将完整的功率转换器小型化为单个芯片，因此被视为研究人员的候选人来解决这个问题。之前的许多研究工作都集中在如何改善散热器和冷却剂之间的热通路，但散热能力从根本上受到芯片和半导体封装之间存在的热阻的限制。此外，由于电子器件不能密集封装，不仅需要依赖更大的散热片，还会降低器件功率密度，阻碍半导体集成。由ElisonMatioli领导的研究团队想要解决如何冷却电子设备，尤其是晶体管的问题。ElisonMatioli表示：“管理这些设备产生的热量将是未来电子产品面临的最大挑战之一。最大限度地减少能源消耗对环境的影响变得越来越重要，因此我们需要创新冷却技术，高效处理大量芯片以可持续、成本效益和成本效益的方式产生的热通量。”于是研究人员开始探索如何利用与设备直接接触的冷却剂来实现更高的冷却性能。歧管微通道（MMC）散热器由于具有热阻小、结构紧凑、冷却剂流量小、流速低、沿流动方向温度分布均匀等优点，已成为一种替代解决方案。研究人员展示了在具有外延层的单晶硅基板上设计的单片集成多歧管微通道(mMMC)散热器，无需繁琐的键合步骤即可生产。在这里，器件设计和散热器制造结合在同一个过程中，冷却通道直接嵌入芯片的有源区域下方。结果，冷却剂可以直接冲击热源，提供局部有效的散热。研究结果表明，这种将冷却作为设备整体结构的组成部分的设计可以将冷却性能提高几个数量级。Matioli说：“我们将微流体通道放置在非常靠近晶体管散热点的位置，并使用简单的集成制造工艺在正确的位置提取热量，防止热量扩散到整个设备。”高冷却性能为准确评估MMC结构冷却设备的冷却性能，研究人员以去离子水为冷却剂，对冷却结构进行了水热分析，通过测量热阻、压降和冷却性能系数进行评估(COP)冷却性能。分析结果表明，包含10个歧管的微通道冷却结构可允许的热通量高达1723W/cm2，最高温升可达60K，相当于具有10个歧管的并联微通道（SPMC）的两倍。宽度为25微米。“我们在实验中选择去离子水作为冷却液，但我们已经在测试其他更高效的液体，以便我们可以从晶体管中提取更多热量，”VanErp说。“为了测试半导体器件中嵌入式冷却结构的潜力，研究人员将全桥整流器集成到单个硅基氮化镓(GaN-on-Si)功率器件上。研究发现，单相水-冷却热通量超过1KW/cm2，其冷却性能系数（COP）达到了前所未有的水平（超过10,000），与并联微通道相比提高了50倍。冷却结构中嵌入了集成全桥整流器结构图微通道冷却结构的紧凑性，研究人员开发了一种三层PCB电路板，内嵌冷却剂输送通道，以引导冷却剂进入电子元件。事实上，目前超过30%的数据中心用于冷却平均额外能耗，通过采用这种设计方法，可能会降低到0.01%以下，同时，研究进一步说明，为了最大限度地提高能源消耗。aving，冷却应该是整个电子设备设计链中不可或缺的一部分，而不仅仅是事后的想法。Matioli说：“这种冷却技术将使我们能够设计出更加紧凑的电子设备，并可以显着减少全球系统冷却所消耗的能源。”这种设计可以直接消除当前数据中心对大型外部散热器的需求，研究还表明可以在单个芯片中设计超紧凑的电源转换器。随着当前社会对电子产品依赖程度的加深，这种设计的社会价值将更加凸显。“目前，研究人员正在研究如何管理激光器和通信系统等其他设备中的热量。
