2017-10 摘自：大國重器

      IBM公司在美國國防先期研究計劃局（DARPA）“芯片內(nèi)/芯片間增強冷卻”（ICECool）項目的支持下，在嵌入式散熱領(lǐng)域獲新進展，研發(fā)了一個在片的解決方案，新的冷卻技術(shù)來克服堆疊芯片的熱障礙，有助于甚至冷卻整個數(shù)據(jù)中心。

項目追溯

      為追隨摩爾定律來保持計算機性能的持續(xù)改進，IT產(chǎn)業(yè)正轉(zhuǎn)向空間思考該問題，即像納米尺寸的三維摩天大廈一樣堆疊芯片。但是這些堆疊，正如他們所挑戰(zhàn)的定律，由于過熱而受限。2013年，IBM紐約團隊與瑞士蘇黎世的高校一起，共同承擔了DARPA的ICECool項目，解決芯片內(nèi)部的冷卻問題。

圖：ICECool項目示意圖

 重要進展

       當前，芯片使用風扇來冷卻，如將風吹過位于芯片頂層的熱沉來帶走多余的熱量。更為先進和有效的水冷方法是，使用可以更靠近芯片的冷凝板來替代熱沉。但是，由于水的導(dǎo)電性，這種方法需要一個屏障來隔離水以保護芯片。

圖 冷卻系統(tǒng)技術(shù)進展示意

      ICECool使用了非導(dǎo)電液體，這樣芯片和液體間不再需要一個屏障，可以讓液體更靠近芯片。這種方案不僅能提供一個更低的器件結(jié)溫（Tj），還減少了系統(tǒng)尺寸、重量和功耗（SWaP）。在IBM Power 7+芯片上的測試結(jié)果證實結(jié)溫能夠減少25%，芯片功耗與傳統(tǒng)空氣冷卻相比減少7%。

原理

       當前現(xiàn)實中芯片堆疊的“摩天大廈”更像“聯(lián)排住宅”。使用一個熱沉或冷凝板限制了3維芯片堆疊的高度，因為他們無法在中間和堆疊的底部冷卻芯片。

       IBM的ICECool技術(shù)通過用泵解決了該問題。IBM將散熱用非傳導(dǎo)性液體抽入堆疊中任一層芯片的微縫隙中，該縫隙與一根頭發(fā)粗細相當。在ICECool項目中所用非傳導(dǎo)性液體能夠與電連接接觸，液體不在局限于芯片或堆疊的一部分。這種“可到各處”的能力在材料和結(jié)構(gòu)上給芯片堆疊帶來好處，如能夠?qū)⑿酒苯臃旁诙询B體上，能夠改進從圖像處理到深度學(xué)習(xí)算法的所有運算的速度。 

優(yōu)勢

      ICECool工作更像在汽車中冷卻空氣所用的冷卻劑。它將散熱液抽到芯片中，通過從液體從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)帶走熱量，然后通過重新冷凝將熱量排放到周圍環(huán)境中，并開始新一輪循環(huán)。盡管汽車空調(diào)系統(tǒng)需要使用壓縮機來將空氣冷卻至低于環(huán)境溫度，而芯片與人不一樣，可以工作在85攝氏度。這樣外部空氣溫度已經(jīng)遠遠比芯片溫度低，因此ICECool工藝并不需要壓縮機，這也是能夠減少數(shù)據(jù)中心能源消耗的多項因素之一。

可用于冷卻數(shù)據(jù)中心

      在美國的數(shù)據(jù)中心通常都是占地數(shù)百萬平方英尺的毫無特色的建筑，全是服務(wù)器，年電用量7000兆瓦，約占全國總電量的2%。IBM研究團隊一直致力于減少數(shù)據(jù)中心產(chǎn)生的熱量。當前大多數(shù)據(jù)中心都是空氣冷卻，IBM已經(jīng)研發(fā)出采用溫水冷卻的項目，如能源部項目（基于數(shù)據(jù)中心液體冷卻的節(jié)能裝置）和位于德國慕尼黑的SuperMUC熱水冷卻的數(shù)據(jù)中心。水是一個有效的冷卻劑，能夠節(jié)約冷卻用所需，它需要和電子設(shè)備隔離。ICECool使用非導(dǎo)電液體，能夠與電子設(shè)備直接互連，并通過在流經(jīng)電子封裝時將液態(tài)轉(zhuǎn)換為氣態(tài)來帶走熱量。

傳統(tǒng)情況

      計算機室內(nèi)空氣冷卻（CRAC）和計算機室內(nèi)空氣處理器（CRAH）單元，類似于今天數(shù)據(jù)中心的熱沉，將冷卻的空氣吹過服務(wù)器的多個列。該冷卻的空氣由基于壓縮機的冷卻裝置（類似汽車的空調(diào)）提供。該冷卻裝置通過在數(shù)據(jù)中心外部頂層的冷卻塔移走熱量。將該塔想象為一個巨大的將熱量抽入空氣中的散熱片，如下圖所示。這循環(huán)占據(jù)了數(shù)據(jù)中心成本的1/3，IBM一直希望能夠減少這部分的能量損耗。

圖 數(shù)據(jù)中心冷卻原理示意圖

優(yōu)勢

      ICECool具有潛力來減少冷卻裝置、CRAC單元和大多數(shù)風扇，因為它可以和任何和所有電子器件相連?；谖覀儗BM Power Systems的測試，與傳統(tǒng)空氣冷卻數(shù)據(jù)中心相比，ICECool技術(shù)能夠減少冷卻所需能源的90%。 

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