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/芯片間增強冷卻”（ICECool）項目的支持下，在嵌入式散熱領域獲新進展，研發了一個在片的解決方案，新的冷卻技術來克服堆疊芯片的熱障礙，有助于甚至冷卻整個數據中心。

項目追溯

      為追隨摩爾定律來保持計算機性能的持續改進，IT產業正轉向空間思考該問題，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 冷卻系統技術進展示意

      ICECool使用了非導電液體，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溫（Tj），還減少了系統尺寸、重量和功耗（SWaP）。在IBM Power 7+芯片上的測試結果證實結溫能夠減少25%，芯片功耗與傳統空氣冷卻相比減少7%。

原理

       當前現實中芯片堆疊的“摩天大廈”更像“聯排住宅”。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技術通過用泵解決了該問題。IBM將散熱用非傳導性液體抽入堆疊中任一層芯片的微縫隙中，該縫隙與一根頭發粗細相當。在ICECool項目中所用非傳導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”的能力在材料和結構上給芯片堆疊帶來好處，如能夠將芯片直接放在堆疊體上，能夠改進從圖像處理到深度學習算法的所有運算的速度。 

優勢

      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，通過從液體從液態轉變為氣態帶走熱量，然后通過重新冷凝將熱量排放到周圍環境中，并開始新一輪循環。盡管汽車空調系統需要使用壓縮機來將空氣冷卻至低于環境溫度，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，這也是能夠減少數據中心能源消耗的多項因素之一。

可用于冷卻數據中心

      在美國的數據中心通常都是占地數百萬平方英尺的毫無特色的建筑，全是服務器，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據中心產生的熱量。當前大多數據中心都是空氣冷卻，IBM已經研發出采用溫水冷卻的項目，如能源部項目（基于數據中心液體冷卻的節能裝置）和位于德國慕尼黑的SuperMUC熱水冷卻的數據中心。水是一個有效的冷卻劑，能夠節約冷卻用所需，它需要和電子設備隔離。ICECool使用非導電液體，能夠與電子設備直接互連，并通過在流經電子封裝時將液態轉換為氣態來帶走熱量。

傳統情況

      計算機室內空氣冷卻（CRAC）和計算機室內空氣處理器（CRAH）單元，類似于今天數據中心的熱沉，將冷卻的空氣吹過服務器的多個列。該冷卻的空氣由基于壓縮機的冷卻裝置（類似汽車的空調）提供。該冷卻裝置通過在數據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。這循環占據了數據中心成本的1/3，IBM一直希望能夠減少這部分的能量損耗。

圖 數據中心冷卻原理示意圖

優勢

      ICECool具有潛力來減少冷卻裝置、CRAC單元和大多數風扇，因為它可以和任何和所有電子器件相連。基于我們對IBM Power Systems的測試，與傳統空氣冷卻數據中心相比，ICECool技術能夠減少冷卻所需能源的90%。 

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