Das Forschungsteam des Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) hat erfolgreich eine hocheffiziente, in den Chip integrierte Flüssigkeitskühlungstechnologie entwickelt.Diese Technologie kann die Chip-Kerntemperatur auch unter extremen Heizbedingungen von 2000 W/cm² immer noch auf 100 °C regeln, und der Kühlleistungskoeffizient (COP) erreicht 106000.Es ist das Zehnfache des weltweit besten Rekords (ca. 10.000), der 2020 in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht wurde, und benötigt nur 1/10 des Pumpleistungsverbrauchs herkömmlicher Top-Kühllösungen.

Die Kerninnovation dieser Technologie besteht darin, flüssigkeitsgekühlte Mikrokanäle im Mikrometerbereich mit einem Durchmesser, der weitaus kleiner als ein menschliches Haar ist, direkt in den Silizium-Halbleiterchip einzubetten, um eine integrierte Integration der Wärmeableitungsstruktur und des Chipkörpers zu erreichen.

Der Schlüssel zur wirklichen Vergrößerung der Lücke liegt in der Neugestaltung der MMC-Struktur (Manifold Microchannel). Bei der herkömmlichen Mikrokanal-Wärmeableitungstechnologie muss das Kühlmittel durch den gesamten Mikrokanal des Chips von einem Ende zum anderen fließen, um den Wärmeaustausch abzuschließen. Ein zu langer Strömungsweg erhöht den Widerstand stark, erfordert eine höhere Pumpleistung, einen hohen Energieverbrauch und eine ungleichmäßige Wärmeableitung.


In diesem Zusammenhang entwarf KAIST eine neue Verteiler-Shunt-Struktur, um die Zirkulationslogik des Kühlmittels zu rekonstruieren. Das Kühlmittel wird gleichmäßig über mehrere Sätze verteilter Einlasskanäle verteilt. Nach Abschluss des Wärmeaustauschs wird das Kühlmittel gleichmäßig durch mehrere Auslasskanäle recycelt, um ein verteiltes Wärmeableitungszirkulationsnetzwerk mit kurzen Wegen zu bilden.

Durch diese Konstruktion wird die Fließstrecke des Kühlmittels in einem einzelnen Strömungskanal erheblich verkürzt und der Flüssigkeitswiderstand und Pumpdruck deutlich reduziert. Gleichzeitig bedeckt das Kühlmittel den gesamten Chip gleichmäßig und verhindert so eine lokale Überhitzung.

Das Team konzentrierte sich auf Kernparameter wie Breite, Höhe, Anordnungsmenge, Layoutmethode und Kühlmitteldurchflussrate von Mikrokanälen und entwickelte ein Multi-Fidelity-Optimierungsframework. Zunächst wurde eine große Anzahl grundlegender Entwurfspläne anhand eines eindimensionalen Modells überprüft, um ineffiziente Strukturen schnell zu beseitigen. Anschließend wurde eine hochpräzise Simulation zur Feinabstimmung hochwertiger Lösungen eingesetzt.

Dieses mehrschichtige F&E-Modell durchbricht den Engpass des traditionellen Wärmeableitungsdesigns, das durch die Rechenleistung begrenzt ist und keine massiven Lösungen durchqueren kann, und erreicht gleichzeitig eine gemeinsame Optimierung der drei Kernindikatoren Wärmeableitungsleistung, Flüssigkeitsdruckabfall und Gleichmäßigkeit der Chiptemperatur.

Was die Praktikabilität betrifft,Die gesamte Lösung erfordert weder komplexe Prozesse wie Phasenwechselkühlung oder Nanooberflächenmodifizierung, noch ist sie auf hochpreisige spezielle Wärmeableitungsmaterialien wie Diamant angewiesen. Als Kühlmedium wird nur normales Wasser mit normaler Temperatur verwendet, wodurch die Bau-, Betriebs- und Wartungskosten erheblich gesenkt werden.

Die Temperatur des Herstellungsprozesses von in den Chip integrierten Mikrokanälen liegt unter 350 °C, was vollständig mit dem aktuellen Mainstream-Herstellungsprozess für die Massenproduktion von Halbleitern kompatibel ist. Es besteht keine Notwendigkeit, bestehende Produktionslinien umfassend umzugestalten oder teure Ausrüstung hinzuzufügen.

Seine Anwendungsszenarien decken viele High-End-Bereiche wie KI-Beschleunigungschips, Hochleistungscomputersysteme, dreidimensionale Halbleiterverpackungen, leistungselektronische Geräte und militärische Präzisionselektronikgeräte ab.