在数字时代，摩尔定律推动着电子芯片不断朝着小型化方向迅猛发展。然而，先进冷却技术的匮乏，极大地限制了小型电子设备的运行功率，芯片散热问题成为亟待解决的关键难题。
东京大学工业科学研究所的研究团队在《细胞报告·物理科学》上发表的一项研究，为芯片散热性能的提升带来了重要突破。当下，芯片冷却领域颇具前景的方法是在芯片内部直接嵌入微通道，借助通道内流动的水来高效吸收并转移热量。不过，这种技术的效率受到水显热的限制。显热指的是物质在不发生相变的情况下，升高温度所需要的热量，而水相变时的潜热（即沸腾或蒸发过程中吸收的热能）大约是显热的7倍。研究的第一作者洪源石解释道：“利用水的潜热实现两相冷却，能够显著提升散热效率。”
此前的研究虽已展现出两相冷却的潜力，但也暴露出该技术存在的复杂问题，主要体现在加热后蒸气泡流动的管理难度较大。而此次研究设计了一种全新的水冷系统，该系统由三维微流体通道结构构成，同时运用了毛细管结构和歧管分布层。研究人员对多种毛细管几何形状进行了设计与制造，并在不同条件下对其性能展开了研究。
研究发现，冷却剂流经的微通道几何形状以及控制冷却剂分布的歧管通道，都会对系统的热性能和水力性能产生影响。通过测试得出，该系统的性能系数（COP，即有用冷却输出与所需能量输入的比率）高达10⁵，这相较于传统冷却技术是一个显著的进步。
图：先进热管理技术在电子设备散热中的应用
资深作者野村正宏表示：“高性能电子设备的热管理对于下一代技术的发展至关重要，我们的设计或许能为实现所需的冷却效果开辟新途径。”高性能电子设备依赖于先进的冷却技术，这项研究有望成为最大化未来设备性能以及实现碳中和目标的关键所在。
展望未来，芯片散热的先进热管理技术有着清晰的发展趋势。一方面，随着AI等技术的飞速发展，算力芯片的需求激增，对散热技术的要求也会更高。像是微通道冷却技术，后续会朝着更精细化的方向发展，进一步提升冷却液在微通道内的流动效率，同时降低流动阻力，让热量能够更快速且稳定地被带走。
另一方面，相变冷却技术也将不断优化。研究人员会持续攻克加热后蒸汽气泡流动管理的难题，通过调整微通道的几何形状、毛细管结构以及冷却液的特性等，让蒸汽气泡能够有序流动，从而充分发挥水相变潜热带来的高效散热优势，进一步提升散热效率。
此外，多种散热技术的协同应用也将成为趋势。例如将微通道冷却与射流冷却相结合，在芯片内部利用微通道将热量初步导出，再通过射流冷却对关键热点区域进行精准降温，实现全方位、多层次的高效散热，以满足未来高功率、高集成度芯片的散热需求，助力电子设备性能持续提升，推动整个行业迈向新的发展阶段 。
