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为制更精密的电子产品，DARPA将液冷直接做进芯片
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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。
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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。
