東京大學研發突破性3D水冷系統 利用水相變實現芯片散熱效率飛躍式提升
發布時間：2025-4-22 10:26
發布者：eechina
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日本東京大學工業科學研究所近日宣布開發出一款創新型3D水冷系統，通過精準利用水的相變過程（即汽化吸熱原理），成功將芯片散熱效率提升至傳統技術的7倍。這項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，更被視為推動高性能計算、人工智能及碳中和技術的關鍵突破。 技術突破：熱傳遞效率倍增背后的科學原理 東京大學研究團隊在《Cell Reports Physical Science》期刊中詳述了系統的技術架構。該方案創新性地結合三維微流體通道、毛細管結構與歧管分配層設計，構建出一種全新的兩相冷卻機制。與傳統依賴水“顯熱”的單相冷卻不同，該系統通過控制水流溫度至沸點區間，使冷卻液在水蒸氣狀態高效吸收潛熱，吸收熱量能力達到常規液態的7倍。 核心突破點： 潛熱捕集技術：利用水沸騰時吸收的潛熱（約2260kJ/kg）遠超顯熱（4.2kJ/kg），通過微通道內精準的溫度梯度控制實現高效熱交換； 動態氣泡管理：創新的雙級流動設計，采用寬歧管與20微米微型通道協同工作，抑制蒸汽氣泡聚集引發的流動阻塞； 自適應結構優化：實驗室測試顯示，系統制冷系數（COP）最高可達105，較傳統風冷提升兩個數量級，滿足下一代AI芯片1kW/cm²的極端熱流密度需求。 應用前景：從實驗室到產業化的多領域賦能 東京大學團隊已驗證系統在500W/cm²熱流密度下的穩定性，其成果正吸引全球科技企業的密切關注。潛在應用領域包括： 高性能計算：為處理生成式AI訓練的超級計算機提供高密度散熱方案，降低數據中心的PUE值； 新能源汽車：適配800V高壓平臺SiC逆變器模塊的緊湊化需求，延長電驅系統壽命； 工業物聯網：為激光雷達、毫米波雷達等邊緣設備實現無風扇靜音散熱。 生態協作：產業鏈加速落地進程 日本東京大學已將該技術授權給三家半導體設備廠商進行工程化試驗。同時，該團隊正與臺積電、英特爾等企業開展聯合研究： 工藝適配性：微通道結構可直接蝕刻于晶圓背面，與現有CMOS產線兼容； 能效革命：據估算，采用該系統的服務器集群能耗可降低35%-40%，助力全球碳中和目標達成； 安全性突破：通過歧管分流層設計消除蒸汽爆炸風險，獲得IEC 60747-17標準認證。 目前，研究團隊已就該技術申請了多項專利，并正在與多家企業合作，推動該技術的產業化進程。未來，隨著技術的進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域得到廣泛應用，為解決高熱流密度設備的散熱問題提供新的有效途徑。 |
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