突破散熱極限！刷新世界紀錄的晶片冷卻技術。
資料中心常被稱作“耗電巨獸”。人工智慧運算本身會消耗巨量電力，晶片工作時持續發熱，配套散熱系統同樣需要大量能耗。隨著大模型、生成式AI技術快速迭代，AI晶片性能持續攀升，晶片整合度與運算速率大幅提升，單位面積的發熱量也隨之急劇暴漲，高熱流密度散熱成為制約高端算力發展的核心難題。目前行業普遍採用的傳統風冷散熱、外接銅質散熱片等方案，受物理結構和散熱效率限制，已逼近實際應用極限，無法滿足超高算力晶片的持續穩定散熱需求。為破解這一行業痛點，韓國科學技術院（KAIST）科研團隊深耕晶片級熱管理技術，成功研發出一款晶片內建超高效液冷散熱技術，為高端電子裝置散熱難題提供了全新解決方案。
韓國科學技術院16日對外公佈，由機械工程系金成振教授、人工智慧與電腦學院李益振教授聯合牽頭的跨學科研究團隊，攻克了超高熱流密度晶片散熱技術難題，成功開發出適配高端半導體晶片的高效液冷散熱技術。該技術最大的實用優勢，是可直接採用常規常溫清水作為冷卻介質，對高負載工況下的半導體晶片進行精準降溫，擺脫了傳統液冷技術對低溫冷卻水、特殊冷卻介質的依賴。團隊的核心技術方案，是將直徑遠小於人類髮絲的微米級液冷微通道，直接整合嵌入矽半導體晶片內部，實現散熱結構與晶片本體的一體化融合。實測資料顯示，即便在2000瓦/平方釐米的極端超高發熱工況下，該散熱系統仍可穩定運行，將晶片核心溫度嚴格控制在100℃以內，保障晶片持續高性能運轉。
研究團隊的核心創新載體，是在矽晶片內部整合的歧管微通道（MMC）結構，這也是區別於傳統微通道散熱技術的核心設計。常規微通道散熱技術，依靠晶片表層布設的微米級流體管路輸送冷卻液、帶走裝置熱量，但傳統結構設計存在明顯缺陷。在傳統方案中，冷卻液需要貫穿晶片整條微通道，從一端輸送至另一端完成熱交換，過長的流體流動路徑會大幅增加冷卻液的流動阻力，為保障冷卻液正常循環，裝置需要消耗更高的泵送功率，不僅增加能耗，還會降低整體散熱能效，長期運行成本較高。
本次研發的新型歧管分流微通道結構，徹底重構了冷卻液的循環邏輯，通過多組分佈式入口通道均勻分配冷卻液，完成熱交換後再經由多條出口通道統一回收，形成短路徑、分佈式的散熱循環網路。該原理可通過物流配送網路直觀類比：傳統散熱模式如同單點長途運輸，所有熱量依靠單一流道輸送排出，路徑長、損耗大；新型結構則如同全域布設集散中心，就近完成熱量交換與介質循環，大幅縮短冷卻液在單條流道內的流動距離。這一設計不僅顯著降低流體阻力與裝置泵送壓力，減少散熱系統能耗，還能讓冷卻液均勻覆蓋晶片全域，杜絕局部散熱不均、溫度偏高的問題，有效提升整塊晶片的溫度分佈均衡性，避免晶片因局部過熱出現降頻、故障等問題。
本次研究的核心創新並非單純縮小微通道尺寸，而是通過系統化、智能化的設計最佳化，實現散熱性能與能耗的雙向最優。研究人員針對晶片微通道的寬度、高度、排布數量、佈局方式以及冷卻液流速等多項核心參數，開展全方位迭代最佳化，在最大化晶片散熱能力、適配超高發熱工況的同時，最大限度降低散熱系統的能量損耗。為精準篩選最優設計方案，研究團隊搭建了多保真度最佳化框架，採用分層研發模式，先通過運算效率更高的一維模型，大範圍篩選海量基礎設計方案，快速剔除低效、不適配的結構，再依託高精度模擬技術，對篩選後的優質方案進行精細化調校，精準最佳化各項參數配比。
依託這套科學的最佳化體系，團隊同步實現了散熱性能、流體壓降、晶片溫度均勻度三大核心指標的協同最佳化。過往相關研究受限於電腦算力，無法完整遍歷海量設計方案，難以找到兼顧各項性能的最優結構，而本次最佳化框架突破了傳統研發的算力侷限，在龐大的設計空間中精準鎖定了適配超高熱流晶片的最優結構方案，解決了傳統散熱設計性能失衡的痛點。
此前，全球歧管微通道散熱技術的相關研究，普遍存在冷卻液分配不均的共性問題，即部分微通道冷卻液流量充足、散熱效果好，而部分通道供液不足、散熱能力薄弱，導致晶片整體散熱效率受限，無法發揮結構設計的最大優勢。針對這一行業技術短板，研究團隊結合簡易計算模型與高精度模擬模擬，對數百種結構設計方案逐一演算、對比測試，反覆驗證不同結構的分流效果、散熱性能與能耗表現，最終敲定了能夠實現全域均勻分流、兼顧高效散熱與低能耗運行的最優構型，徹底解決了傳統結構分流失衡的核心問題。
研究團隊將這套最佳化後的新型歧管微通道結構，成功加工整合至實體矽半導體晶片，並通過多項嚴苛工況實驗完成性能驗證。在統一的晶片溫升測試條件下，該新型晶片液冷散熱系統的製冷性能係數（COP）達到106000，數值是2020年《自然》期刊刊載的范厄普團隊全球最優紀錄（約10000）的十倍。從實際應用角度來看，在帶走同等晶片熱量、實現同等散熱效果的前提下，這套全新技術方案僅需傳統頂尖散熱方案十分之一的泵送功耗，節能優勢極為突出。
值得關注的是，該技術的高性能優勢無需依賴高端工藝與昂貴材料，具備極強的落地實用性。整套散熱方案無需採用相變製冷、奈米表面改性等複雜工藝，也不依賴金剛石等高價特種散熱材料，僅以普通常溫清水作為冷卻介質，大幅降低散熱系統的搭建與維運成本。同時，晶片整合微通道的製備工藝溫度低於350℃，完全相容當前主流的半導體量產製造流程，無需對現有晶片產線進行大規模改造、新增昂貴裝置，能夠快速適配工業化量產，具備極高的商業化落地價值。
該技術可有效破解各類超高熱流密度電子裝置的熱管理難題，應用場景覆蓋AI加速晶片、高性能計算（HPC）系統、三維半導體封裝、功率電子器件、軍工精密電子裝置等多個高端領域。當前，全球算力產業快速發展，資料中心的發展瓶頸已從單純的算力不足，逐步轉變為散熱功耗過高、冷卻基建成本龐大、散熱效率不足等問題。這款晶片級超低功耗液冷散熱技術，能夠從硬體底層降低算力裝置的散熱能耗，大幅提升下一代資料中心的整體能源利用效率，精準緩解高端AI晶片的散熱瓶頸，為算力產業綠色低碳發展提供核心技術支撐。
金成振教授表示：“隨著AI半導體晶片性能持續升級、先進電子封裝技術不斷迭代，裝置的性能上限愈發受制於高溫散熱問題。我們研發的這項高效液冷技術，適配超高算力、超高發熱的高端硬體場景，能夠成為未來高性能計算系統的基礎性散熱解決方案，為行業突破算力與能耗平衡瓶頸提供核心支撐。”
本論文第一作者為韓國科學技術院機械工程系李榮振、黃哲賢、李漢松。相關研究成果已於6月15日正式發表於國際權威期刊《能源轉換與管理》，技術理論與實測效果獲得國際學界認可。 (半導體產業縱橫)