由于芯片速度越快所带来的热量也就越多，所以热管理在今天的高性能系统设计中扮演着越来越重要的角色。单纯依赖空气冷却无法满足需要，因为靠空气冷却的芯片目前只能对每平方英寸12瓦的发热起作用。近日，IBM苏黎世研究实验室(Zurich Research Laboratory)宣布了一种新的冷却方法，据说可以将散热能力提高2倍，甚或5倍。
在伦敦举行的BroadGroup功率和冷却高峰论坛上，该实验室展示了两种用于未来芯片的高热传导歧管(manifold)法。第一种歧管法采用的是高热传导界面技术，耗散能力是采用空气冷却芯片的两倍，达到24W/inch2；另一种是水冷歧管法，即采用射流阵列冷却器(Jet Array Cooler)，这种方法可使下一代芯片的热管理密度达到60W/inch2，是空气冷却技术的5倍。
“我们一直都在寻找更为有效的芯片冷却法，从而使设计师能够优化芯片以实现高性能，事实上，高性能与低功耗很难两全，总需要进行一些折衷。”IBM T.J. Watson研究中心电子与光封装高级经理Dave Seeger表示。
今天，空气冷却芯片通过将金属散热片用导热胶贴在金属芯片罩上的方式散热。将散热片直接粘在芯片上可能产生很小的空气间隙，从而起到绝热体的作用，这很像双层玻璃。因此，设计人员利用导热胶填充这些间隙。但当设计人员试图压紧散热片时却遇到了一个难题：没有空间放置导热胶。
现在，IBM技术人员提供了一个放置导热胶的空间，从而增强了热传导性，Seeger介绍道。
该方案是在金属芯片罩上切一个宽和深均为几百微米的凹槽，在芯片表面创建歧管，从而成倍提高芯片的散热能力。这样一来，给散热片施加的压力可以是先前的一半，而导热胶也可以缩减为仅有10微米厚。
“采用高热传导界面，我们可以在较小的压力下获得更薄的导热胶。”Seeger透露，“我们已经在一些地方放置了导热胶，现在，我们利用一半的压力就可以获得两倍的导热性能。”
图：分层歧管的横截面视图，蓝色箭头代表水流
在高峰论坛上，该理念的发明人、IBM苏黎世研究实验室先进热封装研究组负责人Bruno Michel介绍说，空气冷却歧管仅仅是热管理歧管分层架构中的第一层。下一步，Michel将继续拓展歧管方法，并开始用50,000个射流取代原来的芯片罩底面(此部分是和芯片之间的接触面)，其中一半射流用于喷水，一半用于吸水。
近距离接触
“多数公司仅仅在在芯片中间冲冷水，然后让热水从边上排出。目前我们是唯一不这样做的公司。”Seeger介绍，“我们几乎在注入冷水的同时直接排出热水，这样具有更高的热效率。”
液冷法也将在芯片与散热器间设置分层歧管，这种做法类似于现代微处理器与其RAM之间的一系列缓存。在液体层，有数千个间距200微米、直径30-50微米的射流来排除热水；紧连液体层，是一层连接到内部过孔的间距325微米的歧管，其中过孔用来直接将水射入或吸出芯片；最上一层是间距700微米的顶层歧管。
“完全封闭的系统采用树状分支架构来散热，这是与自然界散热系统一样有效的方式。”Seeger说。
IBM预言，对未来应用于服务器和科学计算机中的最快速的微处理器来说，这些精心设计的冷却架构是非常有必要的。
作者：罗克铃