隨著摩爾定律的演進逐漸逼近極限，芯片尺寸卻仍在持續微縮，而如數據中心等應用場景對功率的需求不斷提升，如何平衡芯片性能、功耗與面積（PPA），成為業界面臨的一大挑戰。

而如何有效為這些芯片散熱又是另一大挑戰。傳統的風冷模式雖簡單可靠，但其散熱能力有限，尤其是在高熱流密度的場景下，風冷的效果尤為不佳。業界亟需新的芯片散熱方式。

液冷技術分類

液冷技術因其更高的熱容量和傳熱效率而逐漸成為主流。根據冷卻液與發熱器件接觸方式的不同，液冷技術可以分為間接液冷和直接液冷。

?間接液冷?是指，冷卻液不直接接觸發熱器件，而是通過中間介質（如銅板或熱管）進行熱量交換。?冷板式液冷?是間接液冷的主要形式，應用最為廣泛。它通過在服務器組件（如CPU、GPU等高發熱部件）上安裝液冷板，利用液冷板內部的液體循環將熱量傳遞到遠離服務器的散熱單元?。

?直接液冷?則是冷卻液直接與發熱元件接觸，如CPU或GPU芯片表面，通過熱界面材料進行高效的熱能傳遞。?直接熱冷又可分為浸沒式液冷?和?噴淋式液冷另種方式：浸沒式液冷?是將發熱器件直接浸泡在冷卻液中，利用液體的流動和熱傳導特性將熱量帶走；?噴淋式液冷?則是將冷卻液精準噴灑于電子設備器件進行散熱?。

液冷具備的優勢和主要應用領域

相較于風冷，液冷具有諸多優勢：一是更高的散熱效率，液體具有較高的比熱容，能夠更快地吸收和釋放熱量；二是更低能耗，由于液體的高效傳熱特性，液冷系統的能耗通常較低；三是能實現更好的設備保護，液冷能夠有效延長設備的使用壽命，減少因過熱導致的故障。

目前，液冷因成本等問題沒有得到廣泛應用，主要的應用領域還是集中于對散熱有嚴格要求的領域。一是高性能計算，如數據中心服務器等需要處理海量數據，運行高性能運算等任務，產生的熱量多，又需及時散熱；二是電子競技及高端游戲硬件，專業的電競PC和顯卡采用液冷系統，可有效解決高負荷下因過熱導致的性能下降問題；三是電動汽車中的電池系統，維持電池模塊在適宜的工作溫度下工作，可延長電池的壽命，提高車輛的續航里程。

三維微流控液冷系統

近日，東京大學工業科學研究所研究人員發表了一項新的有關于芯片冷卻技術的研究，可顯著提升芯片冷卻的性能。

該研究顯示，目前最具前景的芯片冷卻方法包括直接在芯片內部嵌入微通道，這些通道允許水從中流過，能有效地吸收熱量并將其從熱源處轉移走，即前述的間接液冷方式。

然而，這項技術的效率受到水的顯熱的限制。顯熱指的是，在不引起物質相變的情況下升高其溫度所需的熱量。水的相變潛熱，即在沸騰或蒸發過程中吸收的熱能，大約是其顯熱的7倍。該研究的第一作者Hongyuan Shi解釋道：“通過利用水的潛熱，可以實現兩相冷卻，從而在散熱方面顯著提高效率。”

此前的研究已經顯示出兩相冷卻的潛力，同時也凸顯了這項技術的復雜性，這主要是因為在加熱后難以控制氣泡的流動。最大限度地提高熱傳遞效率取決于多種因素，包括微通道的幾何形狀、兩相流調節以及流阻。

這項研究描述了一種新型水冷系統，該系統由三維微流控通道結構組成，利用了毛細結構和歧管分布層。研究人員設計并制造了各種毛細幾何形狀，并在一系列條件下研究了它們的特性。

研究發現，冷卻劑流過的微通道的幾何形狀，以及控制冷卻液分布的歧管通道，都會影響系統的熱性能和水力性能。

所測得的有用冷卻輸出與所需能量輸入之比，即性能系數（COP），最高達到了10的5次方，這標志著相對于傳統冷卻技術的顯著進步。

該研究的資深作者Masahiro Nomura表示：“大功率電子設備的熱管理對于下一代技術的發展至關重要，我們的設計可能為實現所需的冷卻方式開辟新途徑。”

具備高性能的電子產品依賴于先進的冷卻技術，這項研究可能有助于最大限度地提高未來設備的性能，并實現碳中和的目標。

嵌入芯片封裝的微流體冷卻方案

近期，佐治亞理工學院也研發了一種針對電子產品的液體冷卻系統，旨在解決一個長期存在的問題：過熱。

該系統使用了一個冷卻塊，一側有微小的針狀翅片，另一側有一種特殊的熱界面材料。冷卻塊上還連接著一個接口，帶有流體進出的端口。冷卻流體在微針狀翅片中流動，幫助帶走熱量。由于端口的設計與翅片的形狀相匹配，這確保了流體能夠高效流動，并且在芯片規模上盡可能有效地散熱。

該冷卻系統使用了微流體通道——液體流經的微小而復雜的路徑，這些通道嵌入在芯片封裝內部。這種冷卻解決方案直接集成到電子元件中，這使得它比傳統的冷卻方法效率高得多，因為它增強了散熱過程，從而大大降低過熱的風險，減少功耗。

該系統的研發人丹尼爾?洛倫齊尼表示：“我們的解決方案直接針對硅芯片的發熱源頭，因此能夠讓芯片運行速度更快。我們的設計是將系統直接安裝在產生熱量最多的硅芯片上。利用微針狀翅片中的流體，將芯片產生的熱量帶走。”

這項技術可以解決游戲系統、高性能計算、電信和能源系統中類似的電子設備過熱問題。

結語

在芯片性能提升與功耗、面積矛盾加劇，傳統風冷散熱捉襟見肘的當下，液冷技術憑借高效傳熱、節能與設備保護優勢脫穎而出。無論是間接還是直接液冷方式，都在特定領域發揮關鍵作用。無論是東京大學利用相變潛熱的三維微流控系統，還是佐治亞理工嵌入芯片封裝的微流體冷卻方案，這些創新技術均突破了傳統散熱模式的瓶頸，通過結構集成化與熱傳遞機制優化，在提升散熱效率的同時降低能耗，為數據中心、高性能計算、新能源等領域的過熱難題提供前瞻性解決方案。

隨著技術迭代與成本優化，液冷技術不僅將釋放芯片性能潛力，更將為電子產業可持續發展及“碳中和”目標的實現注入核心動力。