深夜的互联网数据中心，一排排服务器指示灯疯狂闪烁，机柜温度直逼70℃。这些支撑着短视频、AI大模型的“算力心脏”，每年因散热问题导致的宕机损失高达百亿元。天津理工大学与清华大学联合团队在《能源前沿》发表的最新研究，为这场“散热保卫战”提供了全新解法——通过扩展微通道结构，让液态金属像“纳米级消防员”般高效带走热量，将散热器热阻直降36%。

芯片散热遇瓶颈：液态金属为何“力不从心”？

随着5纳米、3纳米芯片制程迭代，单位面积发热量呈指数级增长。传统水冷系统已触及极限——水的导热系数仅0.6 W/m·K，而液态金属镓铟锡合金（Ga68In20Sn12）的导热性能是其65倍，被视为下一代散热“王牌”。但这项技术存在致命短板：液态金属比热容仅为水的1/11，流动过程中温度飙升，导致散热器整体温度失控。

研究团队发现，问题出在微通道结构设计上。传统散热器的鳍片与顶板紧密贴合，液态金属如同在“单车道”上缓行，无法快速带走热量。团队提出的扩展微通道散热器（E-MCHS），通过抬升顶板或截短鳍片，创造出“双车道”流动空间。这种设计让液态金属流量提升40%，同时通过顶部新增的换热面，将热阻从4.2 K/W降至2.7 K/W，相当于给芯片装了“散热加速器”。

“拓宽高速公路”效应：热阻降三成，能耗反减15%

在天津超算中心的模拟实验中，研究团队验证了这种“反直觉”设计。当微通道高度从200微米扩展至400微米，液态金属流速保持1m/s时，散热器表面最高温度从82℃降至62℃。更令人惊喜的是，通道扩展后流体阻力下降，泵送功率反而降低15%。“就像把乡村小路改造成高速公路，车流更快却更省油。”论文通讯作者张明宽解释道。

这种效应在长通道散热器中尤为显著。当芯片散热区域长度达6厘米时，扩展结构能使热阻降低26%。对于AI训练芯片、激光雷达等长条形高热流密度元件，这项技术可避免“末端过热”现象。研究还发现，当通道高宽比小于3时，扩展结构的散热增益最为明显，这为未来微型化散热器设计提供了黄金比例。

材料“跨界”新思路：硅基散热器逆袭铜基

研究团队突破性地采用硅材料替代传统铜材。虽然铜的导热系数是硅的2.6倍，但在扩展微通道结构中，硅基散热器展现出惊人潜力——通过优化通道扩展参数，其散热性能差距缩小至20%以内。“硅材料与芯片基底的热膨胀系数更匹配，就像给芯片穿上‘定制西装’，能避免热应力导致的脱层问题。”清华大学合作学者张旭东指出。这种材料革新不仅降低成本，更让散热器与芯片实现“共生长”，为3D堆叠芯片提供散热解决方案。

产业化之路：从实验室走向数据中心

目前，该技术已在某国产GPU企业完成中试验证。在200W/cm²的热流密度下（相当于太阳表面热流强度的1/5），扩展微通道散热器连续工作1000小时无性能衰减。研究团队正与中科院理化所合作，开发配套的电磁驱动液态金属循环系统，解决金属腐蚀、氧化等工程难题。

“就像给数据中心装上‘液态空调’，这项技术有望将单机柜算力密度提升3倍。”论文作者之一、天津商业大学郭璐娜教授透露，团队计划2025年前建成兆瓦级示范工程。随着《我国新一代人工智能发展规划》推进，这种“冷静黑科技”或将成为突破算力瓶颈的关键拼图。

来源: FIE能源前沿期刊