中科院微电子所在芯片自适应微流散热方面取得新进展

近日，中科院微电子所新技术开发部微系统技术实验室焦斌斌研究员团队在芯片自适应微流散热领域取得了新进展。本研究从动物通过毛孔蒸发汗液以增强散热获得灵感，基于仿生原理，在硅基微流冷板内制备了温敏阀体结构及工质蒸发区。当芯片在极端高功耗工况下工作使自己温度急剧升高时，温敏阀体打开并释放冷却工质至蒸发区以实现冷板自适应散热增强。该研究为高功率密度芯片自适应微流散热提供了可行的散热方法。

随着摩尔定律的放缓，人工智能和高性能计算（HPC）芯片逐渐变得炙手可热。当前，单芯片功耗等级已由百瓦跃升至千瓦量级。在集成度提升、尺寸微缩的发展趋势下，芯片平均功率密度将达到500W/cm²，对散热和可靠性提出了严峻的挑战。微流散热将冷却工质引入微纳尺度通道中，通过强制对流换热将芯片热量迅速转移，是一种新型高效散热手段。为满足可靠性需求，通常根据芯片极端高功耗计算恒定散热功率阈值。但极端功耗工况运行时间不足10%，这将导致散热资源的闲置和浪费。因此，根据高功率芯片的功耗特性，设计一种自适应调节散热功率阈值的方法对于提升系统能效具有重要意义。

本研究提出一种自适应动态阈值散热方法取代传统恒定阈值散热方法。当芯片工作处于极端高功耗工况时，该方法利用仿生发汗行为，通过牺牲冷却工质提供额外散热能力。采用该方法制备的硅基微流冷板，可通过微通道强制对流实现的固定阈值及通过自适应蒸发实现的动态阈值，利用记忆合金温敏阀体结构控制“毛孔”开闭并调节工质在蒸发区内“蒸发汗液”，实现散热功率阈值的动态调控。相比传统的微流散热结构，该冷板既能满足极端高功耗散热需求，又能在常规功耗下有效降低散热资源消耗，且自适应调控过程所需能量全部来源于芯片自身产热，无需消耗额外能量。实验表明，在芯片极端功耗工况下，自适应蒸发可提升80%的散热能力，使结温降低22.3℃。通过进一步优化蒸发区亲水性调节，排液控制及相变状态调控等工作，芯片在额定工作温度下功率密度可提升208W/cm²。

该研究以An adaptive thermal management method via bionic sweat pores on electronic devices为题发表在Applied Thermal Engineering（2024,122953,https://doi.org/ 10.1016/j.applthermaleng.2024.122953.）。微电子所焦斌斌研究员为论文通讯作者，余立航博士为论文第一作者。

Applied Thermal Engineering期刊传播与组件、装置、设备、技术、系统的设计、开发和演示有关的新颖研究，以及一般涉及热力生产、储存、利用、管理和节约能源的解决方案。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359431124006215。

基于仿生原理的芯片自适应微流散热结构