隨著人工智能（AI）使用的快速增長，高性能半導體消耗的能源也在不斷增加。為了減少能源使用，普渡大學的研究人員正在與英特爾合作，開發(fā)珊瑚形狀的散熱器，以徹底改變基于浸沒的芯片冷卻技術(shù)。

這種普渡大學設(shè)計的散熱器旨在最大化冷卻浸沒在液體中的高性能AI芯片。其形狀是通過拓撲優(yōu)化設(shè)計的，類似于珊瑚礁。

“我們的研究表明，沸騰是一種有效且高效的冷卻方式，尤其適用于用于AI應用的高功率芯片，”普渡大學機械工程教授、冷卻技術(shù)研究中心（CTRC）主任Justin A. Weibel表示。“現(xiàn)在，我們正在與英特爾合作，推動一項巨大的進步，設(shè)計出一種專門針對雙相浸沒冷卻的拓撲優(yōu)化3D散熱器。”

這項為期三年、金額為171萬美元的資助（由普渡大學與英特爾合作）來自美國能源部的ARPA-E（先進研究項目局-能源）。

在雙相浸沒冷卻中，半導體本身浸沒在一種絕緣液體中。芯片的熱量使液體沸騰，氣泡帶走熱量。而關(guān)鍵技術(shù)則體現(xiàn)在與芯片連接的散熱器上。

該珊瑚形狀散熱器的設(shè)計來源于拓撲優(yōu)化。

“這里的突破是使用拓撲優(yōu)化來設(shè)計浸沒冷卻的散熱器，”Weibel說道。“如果我們將一個標準的散熱器連接到高功率浸沒冷卻的芯片上，氣泡甚至不會在大多數(shù)表面上形成。我們必須通過一種新的設(shè)計過程，根據(jù)沸騰過程的模型來塑造表面。”

在拓撲優(yōu)化中，計算機模擬會迭代生成設(shè)計的數(shù)千個版本，每次略微改變設(shè)計，比較哪個版本的效果更好。經(jīng)過這一過程，最終的“理想”形狀與珊瑚相似。

“如果你從自然界看，這是很富有詩意的，”Weibel說。“珊瑚生活在水下，它們的形狀有其原因。所以，當我們讓算法設(shè)計一個浸沒在液體中的散熱器時，最終的形狀仿佛是模仿了自然界的生物。”

設(shè)計的另一個元素是沸騰增強涂層，將應用于散熱器上，由該項目的另一合作伙伴Advanced Cooling Technologies制造。這種細顆粒涂層旨在在散熱器表面創(chuàng)造更多微小的成核點，從而促使更多氣泡形成。

“這種方法的另一個優(yōu)點是，我們可以設(shè)計出緊湊的散熱器，將多個散熱器緊密放置，”Weibel說。“將多個散熱器排成一排，就像數(shù)據(jù)中心中的真正芯片一樣，這種‘珊瑚礁’形狀的銅散熱器可以完全被動地冷卻這些高性能芯片，從而最大化系統(tǒng)的整體能效。”

英特爾的代表最近參觀了普渡大學的Birck納米技術(shù)中心，以及Rosen先進計算中心。“他們被我們這里的研究成果震撼了，”Weibel表示。“我的學生們已經(jīng)創(chuàng)建了一個測試平臺，將他們的芯片與我們的散熱器結(jié)合起來。這是一次非常積極的訪問，大家都期待進行實驗并查看結(jié)果。”

該項目是ARPA-E COOLERCHIPS計劃的一部分，旨在創(chuàng)建更高效的數(shù)據(jù)中心。這是普渡大學研究人員參與的多個COOLERCHIPS項目之一，同時也符合普渡大學的Purdue Computes計劃，這一計劃強調(diào)計算、數(shù)據(jù)科學、半導體以及人工智能的物理實現(xiàn)。

“我們的總體目標是減少數(shù)據(jù)中心的能源消耗，”Weibel說。“如果我們僅通過散熱器的物理形狀做到這一點，就能避免使用大型泵、風扇和其他組件。如果將這種技術(shù)推廣到多個數(shù)據(jù)中心，節(jié)省的能源和運營成本將是巨大的。”

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