隨著摩爾定律的放緩，人工智能和高性能計(jì)算（HPC）芯片逐漸變得炙手可熱。當(dāng)前，單芯片功耗等級已由百瓦躍升至千瓦量級。在集成度提升、尺寸微縮的發(fā)展趨勢下，芯片平均功率密度將達(dá)到500W/cm2，對散熱和可靠性提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。微流散熱將冷卻工質(zhì)引入微納尺度通道中，通過強(qiáng)制對流換熱將芯片熱量迅速轉(zhuǎn)移，是一種新型高效散熱手段。為滿足可靠性需求，通常根據(jù)芯片極端高功耗計(jì)算恒定散熱功率閾值。但極端功耗工況運(yùn)行時(shí)間不足10%，這將導(dǎo)致散熱資源的閑置和浪費(fèi)。因此，根據(jù)高功率芯片的功耗特性，設(shè)計(jì)一種自適應(yīng)調(diào)節(jié)散熱功率閾值的方法對于提升系統(tǒng)能效具有重要意義。
02 成果掠影
近日，中國科學(xué)院微電子研究所焦斌斌研究員團(tuán)隊(duì)在芯片自適應(yīng)微流散熱領(lǐng)域取得最新進(jìn)展。本研究提出一種自適應(yīng)動態(tài)閾值散熱方法取代傳統(tǒng)恒定閾值散熱方法。當(dāng)芯片工作處于極端高功耗工況時(shí)，該方法利用仿生發(fā)汗行為，通過犧牲冷卻工質(zhì)提供額外散熱能力。采用該方法制備的硅基微流冷板，可通過微通道強(qiáng)制對流實(shí)現(xiàn)的固定閾值及通過自適應(yīng)蒸發(fā)實(shí)現(xiàn)的動態(tài)閾值，利用記憶合金溫敏閥體結(jié)構(gòu)控制“毛孔”開閉并調(diào)節(jié)工質(zhì)在蒸發(fā)區(qū)內(nèi)“蒸發(fā)汗液”，實(shí)現(xiàn)散熱功率閾值的動態(tài)調(diào)控。相比傳統(tǒng)的微流散熱結(jié)構(gòu)，該冷板既能滿足極端高功耗散熱需求，又能在常規(guī)功耗下有效降低散熱資源消耗，且自適應(yīng)調(diào)控過程所需能量全部來源于芯片自身產(chǎn)熱，無需消耗額外能量。實(shí)驗(yàn)表明，在芯片極端功耗工況下，自適應(yīng)蒸發(fā)可提升80%的散熱能力，使結(jié)溫降低22.3℃。通過進(jìn)一步優(yōu)化蒸發(fā)區(qū)親水性調(diào)節(jié)，排液控制及相變狀態(tài)調(diào)控等工作，芯片在額定工作溫度下功率密度可提升208W/cm2。研究成果以“An adaptive thermal management method via bionic sweat pores on electronic devices ”為題發(fā)表在《Applied Thermal Engineering》。
03 圖文導(dǎo)讀
圖1. 通過仿生汗孔進(jìn)行出汗冷卻的示意圖。 圖2.熱測試芯片原理圖。 圖3. (a)形狀記憶合金(SMA)兩相:馬氏體和奧氏體。(b)低溫和高溫下SMA開關(guān)狀態(tài)示意圖。 圖4. 出汗過程包括三種狀態(tài):(a)不出汗?fàn)顟B(tài)，(b)出汗?fàn)顟B(tài)，(c)汗液蒸發(fā)狀態(tài)。 圖5.驗(yàn)證性能的測試平臺原理圖。 圖6.(a)等離子體表面處理前后的界面狀態(tài)。(b)模擬發(fā)汗過程中不同蒸發(fā)區(qū)界面狀態(tài)下的芯片溫度變化情況。 圖7.汗液量對降溫和穩(wěn)定蒸發(fā)時(shí)間的影響。 圖8. 排汗量對(a)穩(wěn)定排汗階段芯片溫度、(b)穩(wěn)定蒸發(fā)階段溫度降低、(c)穩(wěn)定蒸發(fā)階段持續(xù)時(shí)間、(d)親水界面和未處理界面蒸發(fā)制冷量的影響。
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