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日本東京大學(xué)工業(yè)科學(xué)研究所近日宣布開發(fā)出一款創(chuàng)新型3D水冷系統(tǒng)，通過精準(zhǔn)利用水的相變過程（即汽化吸熱原理），成功將芯片散熱效率提升至傳統(tǒng)技術(shù)的7倍。這項(xiàng)突破性成果不僅為解決高密度芯片散熱難題提供了新方案，更被視為推動(dòng)高性能計(jì)算、人工智能及碳中和技術(shù)的關(guān)鍵突破。 技術(shù)突破：熱傳遞效率倍增背后的科學(xué)原理 東京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在《Cell Reports Physical Science》期刊中詳述了系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)。該方案創(chuàng)新性地結(jié)合三維微流體通道、毛細(xì)管結(jié)構(gòu)與歧管分配層設(shè)計(jì)，構(gòu)建出一種全新的兩相冷卻機(jī)制。與傳統(tǒng)依賴水“顯熱”的單相冷卻不同，該系統(tǒng)通過控制水流溫度至沸點(diǎn)區(qū)間，使冷卻液在水蒸氣狀態(tài)高效吸收潛熱，吸收熱量能力達(dá)到常規(guī)液態(tài)的7倍。 核心突破點(diǎn)： 潛熱捕集技術(shù)：利用水沸騰時(shí)吸收的潛熱（約2260kJ/kg）遠(yuǎn)超顯熱（4.2kJ/kg），通過微通道內(nèi)精準(zhǔn)的溫度梯度控制實(shí)現(xiàn)高效熱交換； 動(dòng)態(tài)氣泡管理：創(chuàng)新的雙級(jí)流動(dòng)設(shè)計(jì)，采用寬歧管與20微米微型通道協(xié)同工作，抑制蒸汽氣泡聚集引發(fā)的流動(dòng)阻塞； 自適應(yīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化：實(shí)驗(yàn)室測(cè)試顯示，系統(tǒng)制冷系數(shù)（COP）最高可達(dá)105，較傳統(tǒng)風(fēng)冷提升兩個(gè)數(shù)量級(jí)，滿足下一代AI芯片1kW/cm²的極端熱流密度需求。 應(yīng)用前景：從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化的多領(lǐng)域賦能 東京大學(xué)團(tuán)隊(duì)已驗(yàn)證系統(tǒng)在500W/cm²熱流密度下的穩(wěn)定性，其成果正吸引全球科技企業(yè)的密切關(guān)注。潛在應(yīng)用領(lǐng)域包括： 高性能計(jì)算：為處理生成式AI訓(xùn)練的超級(jí)計(jì)算機(jī)提供高密度散熱方案，降低數(shù)據(jù)中心的PUE值； 新能源汽車：適配800V高壓平臺(tái)SiC逆變器模塊的緊湊化需求，延長電驅(qū)系統(tǒng)壽命； 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)：為激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等邊緣設(shè)備實(shí)現(xiàn)無風(fēng)扇靜音散熱。 生態(tài)協(xié)作：產(chǎn)業(yè)鏈加速落地進(jìn)程 日本東京大學(xué)已將該技術(shù)授權(quán)給三家半導(dǎo)體設(shè)備廠商進(jìn)行工程化試驗(yàn)。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)正與臺(tái)積電、英特爾等企業(yè)開展聯(lián)合研究： 工藝適配性：微通道結(jié)構(gòu)可直接蝕刻于晶圓背面，與現(xiàn)有CMOS產(chǎn)線兼容； 能效革命：據(jù)估算，采用該系統(tǒng)的服務(wù)器集群能耗可降低35%-40%，助力全球碳中和目標(biāo)達(dá)成； 安全性突破：通過歧管分流層設(shè)計(jì)消除蒸汽爆炸風(fēng)險(xiǎn)，獲得IEC 60747-17標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證。 目前，研究團(tuán)隊(duì)已就該技術(shù)申請(qǐng)了多項(xiàng)專利，并正在與多家企業(yè)合作，推動(dòng)該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。未來，隨著技術(shù)的進(jìn)一步成熟和成本的降低，這種基于水的相變冷卻方案有望在更多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，為解決高熱流密度設(shè)備的散熱問題提供新的有效途徑。 |
