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近日，微软首席执行官萨提亚·纳德拉（Satya Nadella）在社交平台上宣布，其团队已成功开发出微流体冷却技术——通过细如发丝的微小通道，直接将冷却液输送到芯片内部。

人工智能的高速发展带来前所未有的算力需求，而支撑这些需求的核心是数据中心里的高性能芯片。与以往的硅芯片相比，新一代AI芯片在功率和热流密度上成倍提升，随之而来的就是 更严重的发热问题。对于数据中心来说，这个问题更为严峻。

“微流体冷却能够支持更高功率密度的设计，从而在更小的空间内实现客户关心的功能并提供更好的性能。” 微软云运营与创新部门企业副总裁兼首席技术官Judy Priest 表示。“但首先我们必须证明这项技术和设计可行，然后接下来的重点就是测试可靠性。”

实验室测试结果显示，微流体冷却在不同工作负载和配置下，散热性能最高可比冷板提升三倍，并可使 GPU 芯片内部的最高温升降低 65%（具体数值随芯片类型不同而变化）。团队预计，这项先进的冷却技术还将改善数据中心的 PUE（电源使用效率） 指标，降低能耗和运营成本。

01 详解微软的微流体冷却技术——从自然启发到AI优化

 

为了突破冷板液冷的局限，微软研发团队尝试了一种更激进的方案：微流体冷却（Microfluidics）。这项技术的核心思路，是直接在硅芯片背面蚀刻出微米级的沟槽，让冷却液能够直接流经发热区域，而不是隔着多层封装进行散热。

这些微通道的尺度接近头发丝，极其精细，稍有偏差就可能导致堵塞或芯片强度下降。因此，微软团队与瑞士的初创公司（Corintis）合作在设计过程中引入AI辅助优化，借助仿生学思路，让冷却液的流动路径更接近自然界中的高效分布。比如叶脉、蝴蝶翅膀的血管结构，它们都能以最短路径输送能量，AI 则帮助把这种“自然智慧”迁移到芯片的沟槽布局中，从而更精准地冷却“热点”。

该技术需要确保通道足够深，以循环足够的冷却液而不会堵塞，同时又不会太深以至于影响硅片有破裂的风险。仅在过去一年中，该团队就进行了四次设计迭代。微流控还需要为芯片设计防漏封装，找到最佳冷却剂配方，测试不同的蚀刻方法，并开发一种在芯片制造中添加蚀刻的精细化工艺。

实验表明，这种设计能让冷却性能相比冷板提升多达三倍，并使GPU内部最高温度降低约 65%。更重要的是，由于冷却液能直接接触硅芯片，所需的液体温度不必像传统冷板那样过低，这意味着制冷能耗也同步下降，从而提高了数据中心的能源利用效率（PUE），降低运维成本。

在应用层面，微流体冷却不仅能解决过热问题，还能为数据中心与AI计算带来新的可能性：

• 性能释放：支持更高功率、更高密度的芯片设计，允许安全“超频”。

• 可靠性提升：温度控制更精确，降低芯片损伤风险。

• 空间效率：服务器机架可更紧凑布置，减少数据中心对新建筑的依赖。

• 可持续性：冷却液无需过度降温，同时还能提高余热利用价值，降低对电网的负担。

可以说，微流体冷却并不仅仅是一种散热手段，它更像是一种打开未来芯片架构和数据中心设计的新钥匙。下一步，Microsoft继续研究如何将微流体冷却整合到其未来几代第一方芯片中。该公司表示，它还将继续与合作伙伴合作将微流体技术引入其数据中心的生产。

02 芯片散热的创新性未来

微流体冷却只是微软推动下一代冷却技术、优化云堆栈各个环节的一部分。传统数据中心依靠大型风扇吹风散热，但液体的导热效率远高于空气。微软已在数据中心部署的一种液冷形式就是冷板（cold plates）：冷板置于芯片之上，冷却液流入冷板内部的通道，从芯片带走热量后再流出降温。然而，芯片在封装时会被多层材料覆盖，用于扩散热量和保护芯片。但这些材料也限制了冷板的散热效果。未来为 AI 设计的新一代芯片功率更强，发热更高，冷板将难以胜任。

通过微流体通道直接冷却芯片效率更高，不仅能更快带走热量，还能提升整体系统性能。因为去掉了多层隔热材料，冷却液可以直接接触发热点，因此不必保持极低温度就能实现良好散热。这意味着数据中心可以减少冷却液制冷能耗，同时比冷板效果更好。微流体还支持更高效的废热利用。微软还希望通过软件等手段优化数据中心运营。“如果微流体冷却能减少冷却能耗，就能减轻对附近社区电网的压力。散热还限制了数据中心设计。数据中心的优势之一是服务器可以紧密放置，但服务器间距过小就会出现散热瓶颈。微流体冷却将允许更高密度的服务器布局，从而在不扩建新建筑的前提下提升算力。

微流体冷却还可能为全新芯片架构打开大门，例如3D堆叠芯片。就像把服务器靠近能降低延迟一样，将芯片垂直堆叠能进一步降低延迟。但这种3D架构因发热严重而难以实现。然而，微流体能够将冷却液带到极靠近功耗的位置，因此完全可能在3D 芯片设计中让冷却液穿过芯片。比如采用柱状微针作为层间支撑（类似多层车库的柱子），让冷却液在其间流动。

去除散热瓶颈还将允许在服务器机架内放置更多芯片，或在单芯片上集成更多核心，从而提升速度，并实现更小巧但更强大的数据中心。微软希望通过证明像微流体这样的新型冷却技术可行，为全行业铺平道路，使下一代芯片更高效、更可持续。

03 关于微流控

谈到微流控和数据中心芯片散热最先想到就是微软，早期微软一直探索关于微流控直接到芯片的液冷技术。此前微软的技术团队就有提出如果流体可以更接近热源——硅芯片本身的晶体管，那会怎样？如果冷却液在处理器内部流动怎么样？

Microsoft系统技术总监Husam Alissa认为这是一个令人兴奋的未来选择：“在微流体中，有时被称为嵌入式冷却，3D异构或集成冷却，我们将冷却带到芯片内部，非常接近运行工作的有源内核。这不仅仅是一个更好的冷却系统：“当你进入微流体领域时，你不再只是解决一个热问题。具有自己冷却系统的芯片可以从源头上解决问题，即硬件本身。

早在1981年，斯坦福大学的研究人员David Tuckerman和R F Pease提出将微小的“微通道”蚀刻到散热器中，可以更有效地去除热量。小通道具有更大的表面积，可以更有效地去除热量。从那时起，这个想法在大学中一直存在，但只对数据中心的实际硅产生了切身影响。

2002年，斯坦福大学教授Ken Goodson、Tom Kenny和Juan Santiago成立了Cooligy，这是一家初创公司，其“有源微通道”设计令人印象深刻，其散热器直接内置在芯片上，该公司于 2005 年被Emerson Network Power收购。

随着半导体进入三维结构，集成冷却的想法逐渐可行。1980年代，制造商尝试在硅芯片上叠加多个组件，并提出在上层制作微通道冷却，但由于芯片供应商更关注堆叠有源组件，这一方案未被广泛采用。2015年，佐治亚理工学院与英特尔合作，首次在 FPGA 芯片上集成微流体冷却层，将液体冷却距离晶体管仅几百微米，消除了硅芯片顶部散热器的需求，为新一代电子产品提供了潜在颠覆性技术。

2020年，比利时鲁汶大学的 Tiwei Wei 在电力电子领域提出微冷却通道方案，主要针对 GaN 等大功率芯片，尽管他认为该技术不适合通用微处理器。同时，瑞士洛桑联邦理工学院的 Matioli 团队在晶体管下方构建微流体 3D 网络，使冷却液直接接近发热核心，功率密度可达每平方厘米 1.7kW，显著提高散热效率。

2021年，微软团队将微针鳍片蚀刻在标准英特尔 CPU 背面，并结合 3D 打印歧管实现微流体冷却。通过该技术，CPU 可在超频至 TDP 两倍功率下安全运行，热阻降低 44%，所需冷却液量仅为传统冷板的三十分之一。

这些发展表明，微流体冷却正在从实验室研究逐步走向实际应用，为高功率密度芯片和未来 3D 芯片架构提供了可行的散热方案。

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