近年来,随着人工智能模型规模和算力需求的爆发式增长,单芯片功率密度不断攀升,传统空气冷却和常规冷板解决方案面临严重瓶颈。微软公开展示的将复杂微流体通道直接蚀刻到硅片表层的方案,为芯片级热管理带来了新的思路:通过在硅基体内部形成定制化的微通道,使冷却流体更接近热源,实现更高效的局部散热与整体热迁移。该方向既继承了微流体工程在流体动力学微尺度优势,又结合了半导体制造的精密加工能力,有望显著提升高功率 AI 加速器和三维封装系统的热控性能。 将微流体通道引入硅片的根本动机是降低热阻并提高对热点区域的针对性冷却。传统冷板通常通过接触封装底部并借助热界面材料将热量传递出去,多个界面和材料层叠会增加界面热阻并限制热流路径。若在硅片内直接形成流道,冷却媒介可以在更接近晶体管密集区或封装热源的地方带走热量,从而缩短热传导路径、扩大换热表面积并减少对热界面材料的依赖。
对于热点集中的 AI 加速器,局部冷却策略能够在不显著增加系统冷却功耗的前提下维持更低且更均匀的芯片温度分布。 制造工艺方面,将微通道蚀刻到硅片中通常依赖深反应离子刻蚀(DRIE)、硅蚀刻刻画和微结构化工艺,再通过硅对硅键合或玻璃/封装层进行封闭。精确控制通道几何形状与深度至关重要:过浅难以提供足够的流通面积与换热能力,过深则可能削弱芯片机械强度并影响制造良率。为了实现可量产化,必须同时兼顾刻蚀均匀性、对器件区域的避让与通过后续键合步骤保证封装密封性。现代半导体工艺中已有用于微机电系统(MEMS)的微通道与微流控制造经验,可为芯片级微流体集成提供参考,但将其尺度与可靠性要求提升到服务器级别仍需克服挑战。 封装与流体引出接口是另一个关键技术难点。
硅片上的通道需要与外部冷却系统安全、可靠地连接,而任何泄漏风险都可能造成严重后果。常见做法包括在封装底部或封装周边设计高精度微型接口、使用可靠的粘接或焊接工艺实现流道密封,以及在系统层面加入多重泄漏检测与隔离机制。对于云服务提供商和数据中心运营者,封装的可维护性与可替换性也很重要:设计需要在提高冷却效率的同时,保证硬件更换、清洁与维护工作尽量简便。 冷却介质的选择和流动行为在微尺度与宏观尺度下差异显著。微流体通道中的流动可能受表面张力、微尺度黏性效应和毛细现象影响,因此传统的流体动力学经验并不能完全直接套用。常见的冷却介质包括去离子水、专用介电冷却液、低温沸腾工质以及纳米流体等。
去离子水具有很好的比热与导热性,但对电气绝缘性要求高的封装并不理想;介电冷却液可以直接接触裸芯片而无需复杂绝缘措施,但其热传导性能通常低于水。微通道设计可以结合工质特性,通过调整通道尺寸、形状与表面改性来优化传热与压降之间的折衷。 在微尺度流动中,表面张力和毛细作用成为显著因素,这既是挑战也是机遇。合适的通道拓扑和表面处理可以利用毛细力实现无需外加泵的被动液体分布,或在一定条件下降低回流与气穴形成的风险。与此同时,通道内可能出现的气泡、微粒沉积或生物污染(若使用水作为介质)需通过系统级设计加以防控,包括前端过滤、循环清洗、封闭循环与监测机制。微通道自洁或诱导扰动的设计思路在学术界已有研究成果,可以在工程实现中作为参考。
结构可靠性是采用硅内刻通道的核心关注点之一。局部去除材料会改变硅片在热循环、机械应力及振动环境下的响应特性。长周期的温度循环可能导致材料疲劳、微裂纹扩展或界面脱胶,从而影响封装完整性。为此,设计阶段需进行热机械耦合仿真、寿命预测以及加速老化试验,确保在服务器级环境下达到所需的可靠性指标。部分方案还可以在通道内壁进行薄膜涂层或表面强化处理,以提升抗侵蚀与防粘附能力。 在热力学与流体力学层面,微通道设计可以通过非均匀通道几何实现对热点的定点增强散热。
例如在晶片上对功率密度高的计算单元下方设置更宽更密的通道,而在低热区采用较窄通道以降低整体压降。这样的分区冷却策略有助于减少冷却系统的总体能耗,并可以通过传感器反馈实现动态调节。微软等公司在研发中也关注通道拓扑对流速分布与压力损失的影响,目标是在保证散热效果的同时控制系统所需泵功率。 与其他冷却技术的比较也能体现硅内微流体通道的优势与限制。与传统底部冷板相比,内嵌通道能显著降低热阻并改善局部温度响应;与基于互连层或硅中子层印刷通道的替代方案相比,直接蚀刻入硅能实现更精密的位置控制与更高的换热效率。相比完全基于液冷板或浸没冷却的方案,硅内微通道在控制冷却路径和避免大规模流体接触电子元件方面有优势,但其制造复杂度与封装需求较高。
不同场景下的选择应基于性能、成本与运维可行性的综合评估。 从产业化路径看,云服务巨头和高性能计算供应商具有推动这种技术进入大规模部署的条件和动机。微软的示范项目表明类似方案已进入概念验证和早期原型阶段。若要实现大规模化落地,需要半导体代工、封装厂商、冷却系统供应商和数据中心运营商形成生态协同,制定接口标准与可靠性规范。与此同时,量产成本的控制、良率提升以及与现有服务器设计的兼容性也是影响其采纳速度的关键因素。 安全与运维角度的考虑同样不容忽视。
液体冷却系统必须具备快速故障检测与隔离能力,以防止因密封失效造成的设备故障或数据中心级事故。数据中心可能需要在机架层面提供冗余冷却路径、可更换模块化封装以及在线清洁维护能力。此外,对于使用具有潜在环境影响的冷却介质,需要考虑泄漏事件的应急处理和长期环境合规问题。 未来应用前景值得期待。随着三维封装和堆栈芯片(chip stacks)逐渐成为提高单体算力的主流手段,热管理的复杂性与重要性将进一步上升。微流体通道能够在多层芯片中实现跨层热量提取,为堆栈内部的散热提供直接通路,从而支持更高的层间功率密度。
除了云端大型加速器外,边缘计算节点、网络设备以及高性能工作站也可能从该技术中获益,尤其是在对散热空间与噪音有严格限制的场景中。 环境与能效方面,提升芯片级冷却效率可带动数据中心总体能效改善,降低机房冷却负担并有助于降低 PUE(电力使用效率)。此外,更高效的散热意味着芯片在相同功耗下能维持更高的性能输出,或在不降低性能的情况下采用更节能的工作点。长期看,若硅内微流体通道成为主流技术之一,将对数据中心的冷却架构、供应链以及运行策略产生深远影响。 知识产权与产业合作也是推进该技术的重要因素。微软在研究展示中与微流体技术公司和封装供应商开展合作,结合学术界关于通道拓扑与流体行为的理论研究,推动工程化实现。
标准化努力将有助于减少不同厂商之间的兼容性障碍,推动形成可互换的连接与监控规范,从而促进跨厂商生态系统的形成。 总之,将复杂微流体通道直接蚀刻到硅片中是一条兼具技术挑战与巨大潜力的路径。它通过将冷却介质更直接地带到热源附近,从根本上改善热传导效率,特别适合应对当下和未来的高功率密度 AI 加速器与三维堆栈挑 战。要实现大规模部署,需要在制造工艺、封装密封、长期可靠性、运维策略与产业协作等方面取得突破。随着研发进展与生态成熟,这一方向有望成为数据中心和高性能计算热管理的重要组成部分,为更高效、更紧凑的算力基础设施提供可能。 。
