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4亿年间制造的电子冷却系统

2019年03月18日 栏目:教育

在几亿年的进化过程中,防水皮肤使一种被称为“跳虫”的小昆虫能够通过皮肤呼吸,而避免在被雨水淹没的潮湿土壤中窒息。近,这种大自然的造化启发了

在几亿年的进化过程中,防水皮肤使一种被称为“跳虫”的小昆虫能够通过皮肤呼吸,而避免在被雨水淹没的潮湿土壤中窒息。近,这种大自然的造化启发了研究人员,他们发明了一种新方法来冷却新一代的微型电子设备。

跳虫皮肤的秘密在于其有锋利边缘的微小表面分隔,这是一种可以阻挡液体前进并有助于控制液体流动的物理设计。美国和韩国的研究人员将这种想法应用于一种“多孔膜”的设计中,有望在未来通过蒸发冷却避免电子系统过热。多孔膜由充满液体的微小柱状体组成,这些柱状体依靠锋利边缘储存液体,而柱状体的开口端允许液体蒸发以散去多余的热量。

“这项技术可以显著提高如数据中心等多种应用设施的冷却效率,”华盛顿大学圣路易斯分校机械工程与材料科学助理教授DamenaAgonafer说,“除了强效冷却之外,与传统的冷却技术相比,它还将减少电子足迹。”

多层这种多孔膜终可以集成于微电子叠层内,以便为笔记本电脑、物联设备和数据中心提供冷却。Agonafer和他的同事在2018年3月15日的《胶体与界面科学》(Journal of Colloid and Interface Science)版上发表了他们的研究成果。

为了将更多的电子器件封装到更小的物理空间中,更优的冷却是必需的。随着普罗大众期望拥有更小却更强大的计算机设备,针对冷却系统研究的努力是现代技术进步的关键。公司期待仓库大小的数据中心提供的计算能力同样能提升,以便管控越来越多的应用程序和服务。

一个满足更强计算能力的流行解决方案,是在硅谷公司如苹果、脸谱和谷歌运营的主要数据中心的高端服务器中使用3D堆叠芯片。但是,堆叠芯片很难避免自身产生的废热影响。

混合电子和水可能会导致灾难。因此,研究人员转而使用介电液体作为电子绝缘体,而非水冷却。他们的工作得到了美国国防高级研究计划署(DARPA)和国家科学基金会的支持。

“这种方法在用于3D堆叠芯片除热的层间两相冷却中很有希望,

4亿年间制造的电子冷却系统

此处为避免电子元件中与水相关的风险,需要介电液体。”Agonafer说。

以前在微电子冷却中使用介电液体的尝试只能处理每平方厘米低于一千瓦的热通量(单位面积的热量转移)。Agonafer和他的同事设计的多孔膜溶液可以在极端热通量条件下去除大于此的热通量。

由跳虫启发的锐边设计被证明了克服了一个关键挑战:介电液体易于润湿任何固体表面,这意味着液体通常会渗出膜外并淹没整个冷却模块,导致冷却系统失灵,Agonafer解释说。

通过展示在特定的测试条件下,锐边微柱如何成功地容纳介电液体,研究人员发现了对该蒸发冷却设计的一种可能超前理解。Agonafer说:“我们是个在多孔膜后保存极低表面张力液体的,这是基于多孔膜具有锐角固体边缘的独特几何特征。”

初始测试显示了多孔膜是如何处理相当温和的液体行为的,包括“非常缓慢的流速”,Agonafer说。但要成为真正实用的电子冷却溶液,该膜也需要能够在更具挑战性的条件下保持液体,例如那些“高质量流体”相关的条件。

另一个挑战是:解决辛勤工作的电子产品产生的废热所导致的液体蒸发不均匀。当一些孔可能很快干燥时,另一些孔则液体过盈。解决这个问题可能需要建立一个系统来确保在整个多孔膜上液位保持一致。

尽管如此,如果膜在更广泛的蒸发冷却条件下被证明是成功的,我们还是有乐观的理由。主要的半导体设备应该能够在硅晶片上产生多孔膜的微小几何结构,而不必提高微电子器件的总体价格。“这个被提出的方法确实能够以合理的成本扩大现实世界的生产规模。”Agonafer说。

Agonafer估计,这项设计将需要大约三或四年以上的工作以使之应用于商业化技术上。他和他的同事近收到了来自Cisco公司的赞助,用以开发用于3D集成电路和类似微电子堆叠结构的微型热交换器。

Agonafer说:“终,我们将开发一种包含多孔硅膜的全功能蒸发冷却原型,并证明其在电子冷却应用中的作用。”

编者按:这个故事的原始版本援引了Agonafer关于新的冷却技术将增加电子足迹的言论。他澄清说此处应为会减少电子足迹。

原文作者:By Jeremy Hsu

(翻译:马一瑗 审校:郭晓)

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