怎麼理解隔靴搔癢

今天隨著晶片技術的進步，我們身邊的各種電子產品都在變得越來越輕薄。但是有一個問題卻一直很讓我們頭疼，那就是手機電腦在長時間高速執行後，往往會變得很燙；甚至因為發熱過度，會出現宕機的現象。 上個月發表的這項研究，就很可能在未來解決我們的手機電腦發熱的問題。

9月9號，《自然》雜誌發表了瑞士洛桑聯邦理工學院的科研人員開發的一種整合到晶片內部的液體冷卻系統。這種冷卻技術在晶片內部製造出了一套複雜的微型管道，讓細微的水流穿過正在工作的晶片，直接在晶片發熱的源頭把熱量帶走。

研究人員在這篇論文裡表示，這套液體冷卻系統的散熱能力可以達到驚人的1700瓦每平方釐米。這是什麼概念呢？——火箭發動機噴嘴發熱功率大概是1千瓦每平方釐米。誇張一點說，這篇論文中的技術如果未來成熟，不要說正常的晶片的發熱，就是直接往晶片上噴火，這個熱量大概也能散掉。是不是還挺厲害的？

不過，我想很多同學可能會有個疑問：不就是晶片散熱嘛，感覺也不是太嚴重的問題。科學家們為什麼要這麼大費周章，研究結果還能發表到了頂級科學期刊上呢？

誒，這裡我可就要著重強調一下了。這個晶片散熱的問題，可不是什麼無足輕重的小問題，而是當前晶片技術所面臨的最亟待解決的技術難題之一。今天晶片的發熱問題，不僅極大地制約了晶片效能的進一步提高，而且還給很多高科技企業帶來了巨大的運營成本。

事實上，今天晶片的發熱問題正在讓整個市場付出每年上百億美元的成本。

我們拿資料中心來舉例。我們知道，一座大型的資料中心是需要投資上百億人民幣，採購數以萬計的各類晶片，建設而成的高科技基礎設施。但不知道你有沒有注意過，技術含量如此之高的雲計算中心，卻往往建設在相對偏僻的“深山老林”裡面。

比如我們國家的很多大資料中心，就建設在像是雲貴山區、四川的水電站旁邊等等類似的地方。美國的微軟公司，甚至在2018年直接把一個數據中心建設在了海底。

那為什麼資料中心要如此大費周章地選擇建設在這些地方呢？建設在交通便利、經濟發達的城市地區難道不好嗎？——誒，這背後的主要原因，還是來自於晶片的發熱和散熱問題。

事實上，由於資料中心在執行的時候會伴隨著大量晶片的發熱，所以如何用盡量低的成本，給資料中心裡的大量晶片散熱，已經成為決定資料中心建設方案的核心考慮因素之一。這點我們通過幾個數據就能看出來：

今天在一座資料中心的建設成本中，有大概1/5的成本是用來購買空調裝置的；而在建設完成之後的運營成本中，整個資料中心的運營費用的40%，都是花在空調製冷的電費上了。這還是在今天的資料中心通常都選擇氣候涼爽、電費便宜區域的基礎上，所呈現出的結果。

根據預測，我國資料中心的用電量在未來全社會用電總量中的佔比，將會超過3%，而這裡面的一大部分，都是用來供給空調散熱使用的。可以想象，晶片的散熱問題，在今天已經有了多麼舉足輕重的地位。

說到這裡你可能就會問了，那為什麼給晶片散熱就這麼困難呢？——這就要說到現在通行散熱方法的缺點了。簡單來說，今天市面上常見的晶片散熱方式，本質上都是在隔靴搔癢。

我們知道，在你電腦裡的晶片，可並不是一個裸露的矽晶圓，而是經過了層層的外部封裝之後組成的一個微小系統。我們拿英特爾公司的產品來舉例，他們的桌面處理器晶片，大小差不多是10平方釐米，厚度大概是2-3毫米。但是其中真正工作和發熱的核心，也就是矽晶圓部分，面積大概是幾十平方毫米，厚度只有零點幾毫米。也就是說，在工作時候真正發熱的矽晶圓部分，已經是被晶片的封裝外殼，包裹得嚴嚴實實的。

而我們現在是怎麼給它散熱的呢？現在，我們通常是把一塊金屬散熱片貼在晶片的外殼上，然後用液體流通，或者風扇吹氣的方式，給這塊散熱片降溫，從而間接地降低晶片內部的溫度。打個比方，這就像是你在健身房裡面運動發熱，空調卻對著整個大樓的外立面吹風一樣，散熱的效率可想而知是很低的。

那有什麼辦法能夠改進現在這種“隔靴搔癢”式的散熱方式嗎？

這就要說到，洛桑聯邦理工學院的這項研究了。這項研究採用了所謂微流體晶片的技術，直接把散熱的渠道設計到了晶片裡面。具體來說，就是在晶片的襯底層，透過精細的工藝，加工出了一套複雜而精密的管道系統（這個管道的直徑只有微米量級）。

晶片在工作的同時，它下面的管道層裡面會持續有細微的水流進出，透過這種方式在晶片發熱的源頭，把熱量帶走。這就像是在晶片內部設計了一套用來散熱的毛細血管系統，徹底解決了以往給晶片散熱“隔靴搔癢”的問題。

在這篇論文裡，研究人員就是用這種技術成功地將一塊GaN功率晶片（手機充電器裡比較常見）的溫度變化控制在了60℃以內。而如果沒有這套散熱系統，這塊晶片很可能會變成一塊“電烙鐵”。

研究人員表示，這種散熱方式如果未來能夠成熟地進入產品，可以讓很多現在的電子裝置擺脫大型的散熱裝置；像是電腦手機這樣的個人電子裝置可以變得更加輕薄，甚至雲計算中心裡面的用於散熱的電費，可以降到今天的1%，可以為全世界節約上百億美元的用電成本。

值得一提的是，晶片微流體水冷技術目前世界上不止這一家瑞士的實驗室在開發。美國還有我國的很多致力於解決晶片散熱問題的實驗室，也都在近幾年發表過這個技術的相關研究成果。