散热|IBM公司在ICECool项目上获进展，亦可用于解决数据中心的散热问题

2017-10 摘自：大国重器

      IBM公司在美国国防先期研究计划局（DARPA）“芯片内/芯片间增强冷却”（ICECool）项目的支持下，在嵌入式散热领域获新进展，研发了一个在片的解决方案，新的冷却技术来克服堆叠芯片的热障碍，有助于甚至冷却整个数据中心。

项目追溯

      为追随摩尔定律来保持计算机性能的持续改进，IT产业正转向空间思考该问题，即像纳米尺寸的三维摩天大厦一样堆叠芯片。但是这些堆叠，正如他们所挑战的定律，由于过热而受限。2013年，IBM纽约团队与瑞士苏黎世的高校一起，共同承担了DARPA的ICECool项目，解决芯片内部的冷却问题。

图：ICECool项目示意图

 重要进展

       当前，芯片使用风扇来冷却，如将风吹过位于芯片顶层的热沉来带走多余的热量。更为先进和有效的水冷方法是，使用可以更靠近芯片的冷凝板来替代热沉。但是，由于水的导电性，这种方法需要一个屏障来隔离水以保护芯片。

图 冷却系统技术进展示意

      ICECool使用了非导电液体，这样芯片和液体间不再需要一个屏障，可以让液体更靠近芯片。这种方案不仅能提供一个更低的器件结温（Tj），还减少了系统尺寸、重量和功耗（SWaP）。在IBM Power 7+芯片上的测试结果证实结温能够减少25%，芯片功耗与传统空气冷却相比减少7%。

原理

       当前现实中芯片堆叠的“摩天大厦”更像“联排住宅”。使用一个热沉或冷凝板限制了3维芯片堆叠的高度，因为他们无法在中间和堆叠的底部冷却芯片。

       IBM的ICECool技术通过用泵解决了该问题。IBM将散热用非传导性液体抽入堆叠中任一层芯片的微缝隙中，该缝隙与一根头发粗细相当。在ICECool项目中所用非传导性液体能够与电连接接触，液体不在局限于芯片或堆叠的一部分。这种“可到各处”的能力在材料和结构上给芯片堆叠带来好处，如能够将芯片直接放在堆叠体上，能够改进从图像处理到深度学习算法的所有运算的速度。 

优势

      ICECool工作更像在汽车中冷却空气所用的冷却剂。它将散热液抽到芯片中，通过从液体从液态转变为气态带走热量，然后通过重新冷凝将热量排放到周围环境中，并开始新一轮循环。尽管汽车空调系统需要使用压缩机来将空气冷却至低于环境温度，而芯片与人不一样，可以工作在85摄氏度。这样外部空气温度已经远远比芯片温度低，因此ICECool工艺并不需要压缩机，这也是能够减少数据中心能源消耗的多项因素之一。

可用于冷却数据中心

      在美国的数据中心通常都是占地数百万平方英尺的毫无特色的建筑，全是服务器，年电用量7000兆瓦，约占全国总电量的2%。IBM研究团队一直致力于减少数据中心产生的热量。当前大多数据中心都是空气冷却，IBM已经研发出采用温水冷却的项目，如能源部项目（基于数据中心液体冷却的节能装置）和位于德国慕尼黑的SuperMUC热水冷却的数据中心。水是一个有效的冷却剂，能够节约冷却用所需，它需要和电子设备隔离。ICECool使用非导电液体，能够与电子设备直接互连，并通过在流经电子封装时将液态转换为气态来带走热量。

传统情况

      计算机室内空气冷却（CRAC）和计算机室内空气处理器（CRAH）单元，类似于今天数据中心的热沉，将冷却的空气吹过服务器的多个列。该冷却的空气由基于压缩机的冷却装置（类似汽车的空调）提供。该冷却装置通过在数据中心外部顶层的冷却塔移走热量。将该塔想象为一个巨大的将热量抽入空气中的散热片，如下图所示。这循环占据了数据中心成本的1/3，IBM一直希望能够减少这部分的能量损耗。

图 数据中心冷却原理示意图

优势

      ICECool具有潜力来减少冷却装置、CRAC单元和大多数风扇，因为它可以和任何和所有电子器件相连。基于我们对IBM Power Systems的测试，与传统空气冷却数据中心相比，ICECool技术能够减少冷却所需能源的90%。 

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