4/08/2024,光纖在線訊,近日,微電子所新技術(shù)開發(fā)部微系統(tǒng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室焦斌斌研究員團(tuán)隊(duì)在芯片自適應(yīng)微流散熱領(lǐng)域取得了新進(jìn)展。本研究從動(dòng)物通過毛孔蒸發(fā)汗液以增強(qiáng)散熱獲得靈感,基于仿生原理,在硅基微流冷板內(nèi)制備了溫敏閥體結(jié)構(gòu)及工質(zhì)蒸發(fā)區(qū)。當(dāng)芯片在極端高功耗工況下工作使自己溫度急劇升高時(shí),溫敏閥體打開并釋放冷卻工質(zhì)至蒸發(fā)區(qū)以實(shí)現(xiàn)冷板自適應(yīng)散熱增強(qiáng)。該研究為高功率密度芯片自適應(yīng)微流散熱提供了可行的散熱方法。
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(jí)已由百瓦躍升至千瓦量級(jí)。在集成度提升、尺寸微縮的發(fā)展趨勢(shì)下,芯片平均功率密度將達(dá)到500W/cm2,對(duì)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(duì)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(duì)于提升系統(tǒng)能效具有重要意義。
本研究提出一種自適應(yīng)動(dòng)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(duì)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(dòng)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(dòng)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。
該研究以
An adaptive thermal management method via bionic sweat pores on electronic devices為題發(fā)表在Applied Thermal Engineering(2024,122953,https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2024.122953.)。微電子所焦斌斌研究員為論文通訊作者,余立航博士為論文第一作者。
Applied Thermal Engineering期刊傳播與組件、裝置、設(shè)備、技術(shù)、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開發(fā)和演示有關(guān)的新穎研究,以及一般涉及熱力生產(chǎn)、儲(chǔ)存、利用、管理和節(jié)約能源的解決方案。
論文鏈接:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359431124006215。
基于仿生原理的芯片自適應(yīng)微流散熱結(jié)構(gòu)