近日，微電子所新技術開發部微系統技術實驗室焦斌斌研究員團隊在芯片自適應微流散熱領域取得了新進展。本研究從動物通過毛孔蒸發汗液以增強散熱獲得靈感，基于仿生原理，在硅基微流冷板內制備了溫敏閥體結構及工質蒸發區。當芯片在極端高功耗工況下工作使自己溫度急劇升高時，溫敏閥體打開并釋放冷卻工質至蒸發區以實現冷板自適應散熱增強。該研究為高功率密度芯片自適應微流散熱提供了可行的散熱方法。

隨著摩爾定律的放緩，人工智能和高性能計算（HPC）芯片逐漸變得炙手可熱。當前，單芯片功耗等級已由百瓦躍升至千瓦量級。在集成度提升、尺寸微縮的發展趨勢下，芯片平均功率密度將達到500W/cm²，對散熱和可靠性提出了嚴峻的挑戰。微流散熱將冷卻工質引入微納尺度通道中，通過強制對流換熱將芯片熱量迅速轉移，是一種新型高效散熱手段。為滿足可靠性需求，通常根據芯片極端高功耗計算恒定散熱功率閾值。但極端功耗工況運行時間不足10%，這將導致散熱資源的閑置和浪費。因此，根據高功率芯片的功耗特性，設計一種自適應調節散熱功率閾值的方法對于提升系統能效具有重要意義。

本研究提出一種自適應動態閾值散熱方法取代傳統恒定閾值散熱方法。當芯片工作處于極端高功耗工況時，該方法利用仿生發汗行為，通過犧牲冷卻工質提供額外散熱能力。采用該方法制備的硅基微流冷板，可通過微通道強制對流實現的固定閾值及通過自適應蒸發實現的動態閾值，利用記憶合金溫敏閥體結構控制“毛孔”開閉并調節工質在蒸發區內“蒸發汗液”，實現散熱功率閾值的動態調控。相比傳統的微流散熱結構，該冷板既能滿足極端高功耗散熱需求，又能在常規功耗下有效降低散熱資源消耗，且自適應調控過程所需能量全部來源于芯片自身產熱，無需消耗額外能量。實驗表明，在芯片極端功耗工況下，自適應蒸發可提升80%的散熱能力，使結溫降低22.3℃。通過進一步優化蒸發區親水性調節，排液控制及相變狀態調控等工作，芯片在額定工作溫度下功率密度可提升208W/cm²。

該研究以An adaptive thermal management method via bionic sweat pores on electronic devices為題發表在Applied Thermal Engineering（2024,122953,https://doi.org/ 10.1016/j.applthermaleng.2024.122953.）。微電子所焦斌斌研究員為論文通訊作者，余立航博士為論文第一作者。

Applied Thermal Engineering期刊傳播與組件、裝置、設備、技術、系統的設計、開發和演示有關的新穎研究，以及一般涉及熱力生產、儲存、利用、管理和節約能源的解決方案。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359431124006215。