全球最强芯片冷却技术诞生

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突破散热极限！刷新世界纪录的芯片冷却技术。

数据中心常被称作“耗电巨兽”。人工智能运算本身会消耗巨量电力，芯片工作时持续发热，配套散热系统同样需要大量能耗。随着大模型、生成式AI技术快速迭代，AI芯片性能持续攀升，芯片集成度与运算速率大幅提升，单位面积的发热量也随之急剧暴涨，高热流密度散热成为制约高端算力发展的核心难题。目前行业普遍采用的传统风冷散热、外置铜质散热片等方案，受物理结构和散热效率限制，已逼近实际应用极限，无法满足超高算力芯片的持续稳定散热需求。为破解这一行业痛点，韩国科学技术院（KAIST）科研团队深耕芯片级热管理技术，成功研发出一款芯片内置超高效液冷散热技术，为高端电子设备散热难题提供了全新解决方案。
韩国科学技术院16日对外公布，由机械工程系金成振教授、人工智能与计算机学院李益振教授联合牵头的跨学科研究团队，攻克了超高热流密度芯片散热技术难题，成功开发出适配高端半导体芯片的高效液冷散热技术。该技术最大的实用优势，是可直接采用常规常温清水作为冷却介质，对高负载工况下的半导体芯片进行精准降温，摆脱了传统液冷技术对低温冷却水、特殊冷却介质的依赖。团队的核心技术方案，是将直径远小于人类发丝的微米级液冷微通道，直接集成嵌入硅半导体芯片内部，实现散热结构与芯片本体的一体化融合。实测数据显示，即便在2000瓦/平方厘米的极端超高发热工况下，该散热系统仍可稳定运行，将芯片核心温度严格控制在100℃以内，保障芯片持续高性能运转。
研究团队的核心创新载体，是在硅芯片内部集成的歧管微通道（MMC）结构，这也是区别于传统微通道散热技术的核心设计。常规微通道散热技术，依靠芯片表层布设的微米级流体管路输送冷却液、带走设备热量，但传统结构设计存在明显缺陷。在传统方案中，冷却液需要贯穿芯片整条微通道，从一端输送至另一端完成热交换，过长的流体流动路径会大幅增加冷却液的流动阻力，为保障冷却液正常循环，设备需要消耗更高的泵送功率，不仅增加能耗，还会降低整体散热能效，长期运行成本较高。
本次研发的新型歧管分流微通道结构，彻底重构了冷却液的循环逻辑，通过多组分布式入口通道均匀分配冷却液，完成热交换后再经由多条出口通道统一回收，形成短路径、分布式的散热循环网络。该原理可通过物流配送网络直观类比：传统散热模式如同单点长途运输，所有热量依靠单一流道输送排出，路径长、损耗大；新型结构则如同全域布设集散中心，就近完成热量交换与介质循环，大幅缩短冷却液在单条流道内的流动距离。这一设计不仅显著降低流体阻力与设备泵送压力，减少散热系统能耗，还能让冷却液均匀覆盖芯片全域，杜绝局部散热不均、温度偏高的问题，有效提升整块芯片的温度分布均衡性，避免芯片因局部过热出现降频、故障等问题。
本次研究的核心创新并非单纯缩小微通道尺寸，而是通过系统化、智能化的设计优化，实现散热性能与能耗的双向最优。研究人员针对芯片微通道的宽度、高度、排布数量、布局方式以及冷却液流速等多项核心参数，开展全方位迭代优化，在最大化芯片散热能力、适配超高发热工况的同时，最大限度降低散热系统的能量损耗。为精准筛选最优设计方案，研究团队搭建了多保真度优化框架，采用分层研发模式，先通过运算效率更高的一维模型，大范围筛选海量基础设计方案，快速剔除低效、不适配的结构，再依托高精度仿真技术，对筛选后的优质方案进行精细化调校，精准优化各项参数配比。
依托这套科学的优化体系，团队同步实现了散热性能、流体压降、芯片温度均匀度三大核心指标的协同优化。过往相关研究受限于计算机算力，无法完整遍历海量设计方案，难以找到兼顾各项性能的最优结构，而本次优化框架突破了传统研发的算力局限，在庞大的设计空间中精准锁定了适配超高热流芯片的最优结构方案，解决了传统散热设计性能失衡的痛点。
此前，全球歧管微通道散热技术的相关研究，普遍存在冷却液分配不均的共性问题，即部分微通道冷却液流量充足、散热效果好，而部分通道供液不足、散热能力薄弱，导致芯片整体散热效率受限，无法发挥结构设计的最大优势。针对这一行业技术短板，研究团队结合简易计算模型与高精度仿真模拟，对数百种结构设计方案逐一演算、对比测试，反复验证不同结构的分流效果、散热性能与能耗表现，最终敲定了能够实现全域均匀分流、兼顾高效散热与低能耗运行的最优构型，彻底解决了传统结构分流失衡的核心问题。
研究团队将这套优化后的新型歧管微通道结构，成功加工集成至实体硅半导体芯片，并通过多项严苛工况实验完成性能验证。在统一的芯片温升测试条件下，该新型芯片液冷散热系统的制冷性能系数（COP）达到106000，数值是2020年《自然》期刊刊载的范厄普团队全球最优纪录（约10000）的十倍。从实际应用角度来看，在带走同等芯片热量、实现同等散热效果的前提下，这套全新技术方案仅需传统顶尖散热方案十分之一的泵送功耗，节能优势极为突出。
值得关注的是，该技术的高性能优势无需依赖高端工艺与昂贵材料，具备极强的落地实用性。整套散热方案无需采用相变制冷、纳米表面改性等复杂工艺，也不依赖金刚石等高价特种散热材料，仅以普通常温清水作为冷却介质，大幅降低散热系统的搭建与运维成本。同时，芯片集成微通道的制备工艺温度低于350℃，完全兼容当前主流的半导体量产制造流程，无需对现有芯片产线进行大规模改造、新增昂贵设备，能够快速适配工业化量产，具备极高的商业化落地价值。
该技术可有效破解各类超高热流密度电子设备的热管理难题，应用场景覆盖AI加速芯片、高性能计算（HPC）系统、三维半导体封装、功率电子器件、军工精密电子设备等多个高端领域。当前，全球算力产业快速发展，数据中心的发展瓶颈已从单纯的算力不足，逐步转变为散热功耗过高、冷却基建成本庞大、散热效率不足等问题。这款芯片级超低功耗液冷散热技术，能够从硬件底层降低算力设备的散热能耗，大幅提升下一代数据中心的整体能源利用效率，精准缓解高端AI芯片的散热瓶颈，为算力产业绿色低碳发展提供核心技术支撑。
金成振教授表示：“随着AI半导体芯片性能持续升级、先进电子封装技术不断迭代，设备的性能上限愈发受制于高温散热问题。我们研发的这项高效液冷技术，适配超高算力、超高发热的高端硬件场景，能够成为未来高性能计算系统的基础性散热解决方案，为行业突破算力与能耗平衡瓶颈提供核心支撑。”
本论文第一作者为韩国科学技术院机械工程系李荣振、黄哲贤、李汉松。相关研究成果已于6月15日正式发表于国际权威期刊《能源转换与管理》，技术理论与实测效果获得国际学界认可。
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