芯片冷却技术的最新研究进展及其评价

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［)， 4 G .］ 路和系统要求等方面的限制 。芯片散热的限
图报 告
［6］
制属于系统级的限制因素， 假设计算机芯片功耗为 冷却功率为 H， 芯片散热面积为 !。为了保持芯 3$ ， 片稳定工作， 这三者须满足 3$ A HI!。而 3$ J! (KLM ， — *6 —
《制冷学报》 +’’W 年第 / 期 这里! !! 是晶体管在一个时钟周期内的平均开关 概率， " 是芯片上晶体管的总数， # 是一个晶体管开 关的耗能， $% 是时钟频率。两式联立后表明芯片的 冷却性能实际上限制了芯片的最大工作频率， 换句 话说， 芯片工作频率的提高必然导致其产热量突破 以往水平。而另一方面， 电子器件工作在 &’ ( )’* 水平时， 每增加一度， 其可靠性就降低 +,- 。因此 如何将极高的产热量有效的排散掉， 并将芯片温度 保持在较低水平已成为一个亟待解决的问题， 事实 上不仅对于计算机芯片， 对于航空电子设备、 功率电 子设备、 光电器件以及近年来发展迅速的微 . 纳电子 机械系统、 生物芯片等都存在类似的广泛而迫切的 散热冷却需要， 有的情况下要求甚至可能更高， 比 如， 一些微系统的热流密度已高达 !’ 0.%1 。 除需要具备很强的散热能力之外， 芯片的工作
成有 /-"" 万个晶体管。根据著名的 “摩尔定律” 推 算： 芯片上的晶体管每 !# 个月翻一番， 那么到 -"!" 年， 芯片上晶体管的数量将超过 !" 亿。高集成度对 于计算机性能的升级是有利的。然而， 由此带来的 问题是， 芯片耗能和散热问题也凸现出来。与晶体 管集成度迅速提高趋势相伴随的是， 芯片功率与功 率密度也急剧增加： 与摩尔定律类似， 012 芯片的功 ［!］ 率每 .3 个月翻一番 。图 - 反映了 ()*+, 公司生产 的芯片设计功率随时间增长的情况。
［!+］ 国很多大学也成立了相应的研究中心 ， 以促进相
［*］ 反映了这一趋势；对应地，芯片冷却技术的市场 6
需求也就随之增长， 可以预期其容量将大大超过当 前水平。
图*
/($0& =3> 功耗随年代的增长图
图6
冷却器件随芯片功耗的年增长图
表 )： 对各类单芯片热特征的预测 温度限制 （@） 按芯片应用领域分类 日用产品 （单价 A B 6++） （微控制器、 磁盘驱动、 显示器等） 手持产品 （单价 A B )+++） （移动通讯产品等） 性价比合理产品 （单价 A B 6+++） （笔记本电脑， 台式机等） 高性能产品 （单价 F B 6+++） （高端工作站、 服务器、 航空电子设备等） 汽车智能产品 （内置传感器等） 注： 均为单芯片封装， 表中不包括存储芯片。 )4 5 *; )<+ 功率 （?） 节点 温度 — *D4 5 6 .) 5 )<E )6+ 5 *EE )*< )++ E< E< 环境 温度 << << 4< 4< 5 4+ 5 )*< 芯片特征 尺寸 （88* ） <; 5 C+ <; 5 C+ );+ 5 6+; 6)+ 5 6)+ .+ 5 )<+ 主频 （",-） 4)< 5 )++++ 4)< 5 )++++ );++ 5 *C+++ );++ 5 *C+++ .+ 5 *64
/ ［&］ +
到细观， 可以划分为系统冷却、 板卡冷却和芯片冷 却。非芯片厂商可能更易于介入现有的散热片 6 水 或者说介入尺度相对较大的 泵 6 冷头的解决方案， 系统冷却、 板卡冷却等环节。而芯片厂商则主要致 力于发 展 集 成 性 更 好 的 片 上 冷 却 方 案， 比如采用 7#78 技术实现芯片的冷却等。 芯片技术发展对高性能冷却的迫切要求与实际 应用的广阔市场空间， 使得对极高热流密度芯片、 微 系统的散热冷却研究一直成为非常重要而又活跃的 研究领域。由美国国防部高级项目规划署 （9:;2: < 资助的 9=$=">= :?@A"%=? ;=>=AB%C 2BDE=%F> :G="%H ） ［)］ （C=AF B=1D@AK LH FC=B1D < M"F=GBAF=? %MB%NMF>） I#;#J43 项目计划就旨在发展可与高密度高性能的电子或光 学器件相集成的固态和流态的散热器件。该项目已 历时 +’ 余年， 有关课题分布在几十所大学和国家研 究机构， 经费资助总额高达 +,’’ 万美元。其资助内 容集中在四个方向： （包括异质结构热电 " 核心技术 离子致冷、 热电致冷、 相变、 合成微喷、 微流道等研 究） ； #集成与封装； $ 建模与模拟； % 实证演示。美 、 国联邦政府的其它机构包括海军研究办公室 （OP;） 能源部 （9O#） 以及 P8Q， P:8:， P8: 等也对这一类研 究进行了大范围资助， 同时半导体工业界在该方向的 研究应用上也投入了大量财力， 内容包括： 设计 “冷” 的芯片 （降低功耗、 平均分布热量、 减少热点等） 、 对冷 却方案的自主研究开发以及对相关冷却技术的风险 投资。学术界、 工业界对芯片冷却这一主题的广泛研 究使得相关的学术活动非常活跃， 重要的国际会议包 括 4JI#;7 （4"F=B"AFMD"AK 0DBR>CDS D" JC=B1AK M"@=>FMGAT ［U］ 、 （4"F=B"AFMD"AK 8#74 < JI#;7 FMD"> D$ 43> A"? 8H>F=1>） 3D"$=B="%= D" JC=B1AK，7=%CA"M%> A"? JC=B1D1=%CA"M%AK ［!’］ 和 JI#;74P43 2C="D1="A M" #K=%FBD"M% 8H>F=1> ） （ 8=1M%D"?N%FDB JC=B1AK 7=A>NB=1="F A"? 7A"AG=1="F ［!!］ 等。同时， 因芯片冷却技术的实用性， 8H1SD>MN1V ） 人们在研究的基础上还建立了一批致力于芯片冷却 应用技术的公司， 如 77;、 3DDK3CMS>、 3DDKMGH 等。而美
《制冷学报》 -""/ 年第 . 期 "
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关键词
科技报道
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芯片冷却技术的最新研究进展及其评价 #
李腾 刘静
北京 !"""#"） （中国科学院理化技术研究所
摘 要 芯片集成度的提高， 要受到因电子元器件发热而引起的热障所限制。近年来， 随着微 $ 纳电子技术的飞速发 展， 更使得对高性能冷却技术的需求提到了前所未有的层面。对此的全力追求， 促成了一系列激动人心的新型冷却 方法的建立。在讨论电子元器件产热机制的基础上， 对新近涌现出的若干典型芯片冷却技术及其应用情况进行了 综合分析， 讨论了其优缺点及有待解决的关键问题， 并对这一领域的发展前景作了一定展望。 热工学； 芯片冷却技术； 综述； 芯片封装； 强化换热； 气冷； 液冷； 固体制冷
国际半导体工业联合会在 *++) 年出版的技术蓝 中 对 *++) 年 （ +D )6 微 米 技 术） 到 *+). 年 （+D+**微米技术） 单芯片的发展、 功耗和与之相关的 温度限制、 芯片特征诸方面作了如表 ) 所示的预测。 对现今微电子技术的分析表明， 芯片频率正逼
万方数据
近其极限。原因在于受到基本原理、 材料、 器件、 电
!
芯片发展趋势对冷却性能的要求
Leabharlann Baidu
微电子芯片的应用遍及日常生活、 生产乃至国 家安全的各个层面， 在现代文明中扮演着极其重要 的角色。芯片发展的趋势是进一步提高集成度、 减 小芯片尺寸及增大时钟频率， 这由图 ! 反映的几种 具有革命意义的集成电路的发展沿革中即可略见一 斑。!&’! 年 ()*+, 公司生产的第一个芯片只含 -."" 个晶体管， 而如今在一枚 ()*+, 奔腾 / 芯片上， 就集
（ 4）
（ 5）
（ 6） 目前市售 1+)*789:/ 内核
收稿日期： -""/ 年 "- 月 "- 日
（ 6）
图 ! （ 4） 第一个晶体管 （!&/’ 年， 贝尔实验室） （ ； 5） 第一块大规模集成电路 （!&’! 年， ； ()*+, /""/ 微处理器）
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《制冷学报》 *++4 年第 6 期 现有 !"# 桌面 !$%&’( )*++",- 产生的热量高 达 .. 瓦， 即使是英特尔 （ /($0&）"’12&0 34 5 " 也有 6+ 多瓦， 一颗 30($2784 9 * :,- 芯片的消耗功率更高达 ;< 瓦！由此带来的过高温度会降低芯片的工作稳 定性， 增加出错率， 同时模块内部与其外部环境间所 形成的热应力会直接影响到芯片的电性能、 工作频 率、 机械强度及可靠性。 /($0& 公司负责芯片内部设 计的首席技术官帕特 ・ 盖尔欣格指出： “目前， 我们在 设计和制造芯片时仅受到生产成本的限制。但放眼 看去， 耗能和散热将成为一个根本性的限制， 我们必 须在芯片总体设计中认真考虑这两个问题。 ” “ 如果 芯片耗能和散热问题得不到解决， 到 *++< 年芯片上 集成了 * 亿个晶体管时， 就会热得像’ 核反应堆’ ， *+)+ 年时会达到火箭发射时高温气体喷嘴的水平， 而到 *+)< 年就会像太阳的表面一样热。 ” 因此， 为了 能够使器件发挥最佳性能并确保高可靠性， 对热设 计工作应予以高度重视。 由于芯片应用的广泛性， 相应冷却技术的市场 需求十分巨大。仅以计算机 =3> 所需的散热组件， 如风扇及鳍片等产品为例， 其制造业的世界市场， 据 估计每年约有 <+ 至 )++ 亿需求。而随着功耗的不 断增加， 芯片冷却解决方案的价格也随之剧增， 图