@ 2015.10.07 , 10:00
46

为制更精密的电子产品,DARPA将液冷直接做进芯片

[-]
液体端口输送冷却水至蚀刻在FPGA器件背面专门设计的通道中提供更有效的冷却。液冷提供计算吞吐量上的显著优势。Credit: Rob Felt, Georgia Tech

利用在量产现场可编程门阵列(FPGA)器件背面直接切割出来的微流体通道,佐治亚理工学院的研究者们把液冷灌输到最需要它的地方——离晶体管运作处几百微米远。

结合通过冷却通路结构运作的连接技术,这种新技术能允许研发更密集和更强大的集成电子系统,而不再需要集成电路的顶部的散热片或散热风扇。在Altera公司制作的流行的28纳米FPGA器件上工作,研究者们已经示范了一个单体式冷却的芯片可以运行在比类似风冷芯片低超过60%的温度上。

除了更多处理能力以外,较低的温度还意味着较长的设备寿命和更少的泄漏电流。冷却来自流经微流体通道的简单的去离子水,取代通常放置在芯片上面的巨大风冷散热片。

“我们相信,我们已经消除了建造更紧凑且高效节能的高性能系统的一个主要障碍,”佐治亚理工学院电子与计算机工程学院副教授Muhannad Bakir说,“通过把液冷移到离晶体管只有几百微米远,我们已经消除了硅芯片上的散热片。我们相信,直接在硅片上可靠地集成微流体冷却将是一个颠覆性的新一代电子技术。”

由国防高级研究计划局(DARPA)资助,该研究被认为是在运行中的高性能CMOS芯片上直接液冷的第一例。该研究的详细内容于九月二十八日发表在加州山河县举行的IEEE定制集成电路会议上。

液冷已被用来解决功率需求日增夜长的计算系统面临的散热挑战。然而,现有液冷技术使用连接在完全封装的硅芯片外部的冷却板来移除热量,这增加热阻并减少排热效率。

为了制造他们的液冷系统,Bakir和研究生Thomas Sarvey除去现货Altera FPGA芯片背面的散热片和散热材料,然后,他们在硅片上蚀刻冷却通道,结合直径约100微米的硅圆柱体以改善液体传热,再在流通道上盖一层硅,并接上连接水管的端口。

[-]
佐治亚理工研究生Tom Sarvey和用来比较现成FPGA器件性能的测试设备,一个使用实验性液冷,另一个使用现成风冷。Credit: Rob Felt, Georgia Tech

在多种测试中——包括在弗吉尼亚州阿灵顿向DARPA官员们的演示——一颗液冷FPGA使用Altera提供的定制处理器架构运作。在进水口温度约20摄氏度和每分钟147毫升进水流量下,该液冷FPGA运作在低于24摄氏度的温度下,相比之下,一台风冷设备则运作在60摄氏度。

佐治亚理工学院电子与计算机工程学院教授和研究小组合作者之一Sudhakar Yalamanchili加入团队的DARPA演示并讨论电 - 热协同设计。

“我们已经创造了一个真实的电子平台来评估液冷对风冷的好处,”Bakir说,“这也许会打开多芯片堆叠的大门,可能会有多个FPGA芯片或FPGA芯片加其它高功耗芯片。我们在这些液冷芯片中看到明显的温度降低。”

研究小组选择FPGA作为他们的测试是因为它提供了一个测试不同电路设计的平台,也因为FPGA在包括国防的许多细分市场很常见。然而,Bakir说,同样的技术也可以用于冷却CPU、GPU和其他设备如功率放大器。

除了改善整体散热,通过在更接近功率源处施加散热,该系统还能减少电路中的热点。消除散热片可以允许更紧凑的电子设备封装——但仅当电气连接问题也得到解决。

在另一个单独的研究项目中,Bakir的小组演示了穿过硅圆柱体的铜通孔的制造,这些柱体作为冷却结构的一部分制造在FPGA上。研究生Hanju Oh在工程学院院长Gary May的合作建议下,制造了穿过硅柱的高纵横比铜通孔,减少了将在阵列中芯片间传递信号的连接的电容。

“当你开始思考堆叠芯片的那一刻,你就需要铜通孔连接它们,”Bakir说,“通过将系统组件更紧密结合在一起,我们可以减少互连长度,而这将导致带宽密度改善和能源使用减少。”

该冷却研究由DARPA的微系统技术办公室通过ICECOOL项目资助。DARPA在佐治亚理工学院资助了两大冷却与系统集成项目,一个叫做STAECool,由乔治·W·伍德拉夫机械工程学院教授Yogendra Joshi指导,另一个就是Bakir指导的SuperCool。在与STAECool研究的协作下,Bakir和Joshi加上来自机械工程学院的Andrei Fedorov教授和Suresh Sitaraman教授开发了一套热设计工具来模拟复杂的功率图以测试微流体冷却的好处。

“我们已经抵达一个重要的里程碑,我们希望用它作为达到其他目标的垫脚石,”Bakir说,“前面仍然有巨大的挑战,但我们预计这将允许更密集、更高性能、消耗更少功率的计算系统。我们可以为这些冷却技术想出许多有趣的应用。”

Altera公司该项目的主要研究者Arifur Rahman说:“未来的高性能半导体电子会越来越受到热预算和排热能力支配。该嵌入式微流体通道提供了未来微电子系统移除热量的一个有趣选择。

本文译自 Phys,由译者 王丢兜 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


给这篇稿打赏,让译者更有动力
支付宝打赏 [x]
您的大名: 打赏金额:

4.5
赞一个 (13)

TOTAL COMMENTS: 46+1

  1. someione
    @3 years ago
    2951733

    芯片的毛细血管~

  2. 2951734

    如果以后能出现自带两个冷排端的i7
    想想都有点激动

  3. Super碗
    @3 years ago
    2951737

    i7液冷版
    i7风冷版
    i7标准版

  4. 2951739

    要实用化的说还要有过滤系统.

  5. starving
    @3 years ago
    2951740

    我家的女仆型智能机器人病了,医生说她得了冷凝管粥样硬化

  6. 2951751

    Xilinx的员工飘过

  7. 2951754

    @Super碗: i7无论多高温度都没关系版

  8. 2951762

    去离子水啊,还是管道内弄个纳米涂层防垢自来水甚至海水都行好些。

  9. 2951764

    不是什么新东西,与普通消费者没什么关系

  10. Buridan
    @3 years ago
    2951783

    @x: 都说Xilinx更牛逼,为毛感觉Altera更流行呢?因为低端吗?

  11. alpha_boy
    @3 years ago
    2951786

    不知道能否减少散热噪音?或者最外面的散热片上还是有风扇有噪音的?

  12. 喵大大
    @3 years ago
    2951789

    可以把外散热片扔进水桶里,水桶里加冰

  13. 幕后煮屎者
    @3 years ago
    2951793

    看到一期外国土豪办的电脑节目,已经不是风冷、水冷的级别了。评测一款带有压缩机冷却的机箱,简单来说就是把冰箱小型化装到机箱里面,实测CPU温度为零度。。

  14. 2951795

    @x 本科学过数字集成电路设计,vhdl和verilog hdl也是苦逼的东西。

  15. 2951796

    我就想知道有没有无声的(不用风扇)的方案,可以将热量有效传递给周围空间。
    因为仔细分析各种各样的冷却方案,最后,都要有一个风扇在使劲吹,最终的目的都是将热量散入周围空气。

    液冷也是一样,只不过实现了热量从元器件有效的转移,但是最终还是要吹冷排,又是一堆风扇的噪音,并不能避免。

  16. osmant
    @3 years ago
    2951797

    @幕后煮屎者: linus么?那只是机箱nb,感觉功率太大,耗电吃不消。

  17. 2951799

    @喵大大: 这就需要不断换水,不断加冰,不是好方案。而且家用的话,冰只能冰箱制造吧,或者专门的制冰机?这个只不过是把噪音转移了,转移到冰箱那端产生噪音而已,而且非常不方便。

  18. 2951819

    @dd:te cooler,当然功率有限

  19. 2951822

    @dd: 要加 water bath

  20. 2951825

    @dd: 当然最终都可以加风扇。我回答的不好。。。不加风扇就加散热面积。没有免费午餐

  21. 哈佛教授
    @3 years ago
    2951829

    这其实算是一种仿生技术了,哺乳动物基本都是液冷的嘛

  22. 不要在重名了
    @3 years ago
    2951841

    我就是受不了风扇的噪音和懒得清理灰尘改了水冷,冷排直接丢水桶里,显卡最高50多度吧。晚上洗个头洗个脚啥的,惬意的很

  23. 安姆布瑞拉
    @3 years ago
    2951842

    呦,芯片该加水了

  24. 2951846

    也就是说diy的时候一不小心就会堵塞液体流道,瞬间就烧掉部分芯片?

  25. 2951848

    卧槽这不会是Lumia950手机里塞进一套水冷的真相吧

  26. 2951856

    直接整合一微型空调得啦

  27. 刀拔斋
    @3 years ago
    2951859

    意思是说以后可以长时间看原画质成人电影了?

  28. Spector
    @3 years ago
    2951874

    芯片白送,冷却液80刀一毫升,三个月一换(请使用指定冷却液,否则。。。)

  29. 幕后煮屎者
    @3 years ago
    2951877

    @osmant: 嗯嗯,就是linus,忘记怎么拼这个单词了。虽然功耗大,但是刷新了我的三观。。

  30. 2951885

    说,这次的lumia950和你们什么关系

  31. 我猜
    @3 years ago
    2951954

    嗯,把电脑放冰箱里也是不错的选择呢

  32. 2951970

    你们没看见芯片堆叠吗?以后芯片不再是二维平面了,可以做成三维的,中间通毛细管降温,三维芯片对算力的增强不是一点半点

  33. 2951975

    直接把主板扔到冰箱里行不行?

  34. ekansrm
    @3 years ago
    2951995

    @Buridan: 我觉得可能是因为quartus用起来比ise和vivado简单得多, 我用xilinx多点

  35. 彳亍江南
    @3 years ago
    2952045

    第一眼看成了PRADA….

  36. 2952120

    十多年前P1 .P II CPU玩超頻的時代
    就有配套的液冷系統可以買.超頻超
    過火壞掉還可以保固換CPU

    電腦速度秒殺同代民用PC啊!

  37. eggaches
    @3 years ago
    2952125

    全主板油冷就笑笑

  38. eggaches
    @3 years ago
    2952127

    @SEIN: 冷凝水会教主板做人

  39. eggaches
    @3 years ago
    2952130

    @pang: 嗯。。。3d堆叠已经有了吧

  40. 2952405

    @dd: 把整个平台浸泡在二甲基硅油里,然后硅油用齿轮泵内循环,噪音微乎其微。

  41. 2952581

    @不要在重名了: 爽啊,自带加热洗脚桶,边打游戏,边洗脚,这feel爽!

  42. 2952585

    其实,一些电器运行产生的:热量=能量(如电)+机器,完全没有必要再+能量把他的热量 再去掉, 可以利用起来,比如液冷后的 热水洗脚? 笑//cry

  43. 2952586

    @eggaches: 漏出来,炸裂,就爽了

  44. 2952625

    做个烟囱在机箱中间,发热元件通过热管导热到烟囱壁,烟囱壁的热量带动空气向上流动

  45. 卡尼姆鲁斯基
    @3 years ago
    2953142

    标题党,芯片级和封装级完全不是一个概念好么?类似mems液泵那种才叫放进芯片。

  46. 2953377

    @卡尼姆鲁斯基: @卡尼姆鲁斯基: 这已经是拆了封装灌水了,做个冷却真没必要用mems泵啊。

发表评论


24H最赞