“液態(tài)金屬”引領(lǐng)散熱革命
電影《終結(jié)者》里，施瓦辛格扮演了一個“打不死”的金屬機(jī)器人，能變成液體一樣流動。現(xiàn)實(shí)中的“液態(tài)金屬”雖沒有那么神通，卻也將在先進(jìn)散熱管理領(lǐng)域大展身手。
“熱障”瓶頸
“隨著技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在一部手機(jī)的運(yùn)算能力，已經(jīng)相當(dāng)于早前一臺體積龐大的計(jì)算機(jī)，性能提升了很多量級。可以想象，這么多的運(yùn)算集中在一個芯片上，發(fā)熱量是十分巨大的。”清華大學(xué)與中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所雙聘研究員劉靜教授拿起手機(jī)笑著告訴記者，之所以通話時間久了，手機(jī)會發(fā)燙，是因?yàn)樾酒啥鹊奶岣吆凸牡膭≡觥?/p>
過高的溫度不僅令電腦頻繁死機(jī)，甚至?xí)?dǎo)致芯片燒毀。對于追求極速“快感”的電腦玩家，傳統(tǒng)的風(fēng)冷方式早已不能滿足其散熱要求。于是，熱管、水冷，甚至液氮等五花八門的散熱方法層出不窮。
不過遺憾的是，這些散熱方式或多或少都存在著缺陷：普遍用于筆記本電腦的熱管技術(shù)存在燒毀極限，難以滿足高熱流密度芯片的散熱需求；當(dāng)前流行的水冷、液冷方式需配備體型臃腫的水箱，且存在蒸發(fā)、泄漏等問題，對于電子產(chǎn)品來說幾乎是致命的安全隱患。
英特爾公司負(fù)責(zé)芯片設(shè)計(jì)的首席技術(shù)官帕特·蓋爾欣格指出：“放眼看去，耗能和散熱將成為一個根本性的限制，我們必須在芯片總體設(shè)計(jì)中認(rèn)真考慮這兩個問題。”怎樣突破“熱障”瓶頸的束縛，連IT巨人都頭疼不已。
“金屬”革命
這一次，是中國人為打破瓶頸帶來了希望。
現(xiàn)有的散熱方式都不理想，能不能找到更好的辦法呢？在經(jīng)過大量的試驗(yàn)、反復(fù)比較之后，劉靜的腦子里忽然靈光一閃：為什么不用液態(tài)金屬散熱？
金屬的熱導(dǎo)率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水，可以達(dá)到水的六七十倍甚至更高。如果能用室溫下處于流動狀態(tài)的液態(tài)金屬作為“冷卻劑”，給計(jì)算機(jī)芯片“降溫”，理應(yīng)再合適不過了。
其實(shí)，液態(tài)金屬散熱技術(shù)在核電站反應(yīng)堆中已經(jīng)有了應(yīng)用。但其采用的鈉合金卻“性如烈火”，很容易造成爆炸和火災(zāi)，要把它用于芯片散熱顯然有安全隱患。
經(jīng)過反復(fù)篩選、研制，劉靜的團(tuán)隊(duì)最終想到了一種熔點(diǎn)低、沸點(diǎn)卻很高的金屬——鎵，并借助納米技術(shù)，來提高鎵合金的性能。鎵的性情比較“溫和”，不會發(fā)生爆炸等危險(xiǎn)，且對人體比較安全；更讓人驚喜的是，水到了100攝氏度就會沸騰，而鎵的沸點(diǎn)竟高達(dá)2400多攝氏度，即使放進(jìn)煉鋼爐里，它依舊“無動于衷”，這就為未來制造高性能計(jì)算機(jī)留下了非常大的空間。
劉靜向記者展示了幾款完成工業(yè)設(shè)計(jì)的液態(tài)金屬散熱器，看上去和普通散熱器并無明顯不同，可其中卻大有文章。就拿驅(qū)動方式來說，其研制就頗費(fèi)一番心思。如果用機(jī)械泵驅(qū)動，液態(tài)金屬會在葉片四周凝結(jié)，從而堵塞管道?？蒲腥藛T想到金屬可以通過電磁波來驅(qū)動，于是研發(fā)出功耗僅在500mW左右的電磁泵，進(jìn)而發(fā)展出直接利用芯片產(chǎn)生的熱量驅(qū)動金屬流體的新技術(shù)。由于無任何運(yùn)動部件及風(fēng)扇，這種裝置徹底實(shí)現(xiàn)了無噪音運(yùn)行。就這樣，劉靜帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)，把一個實(shí)驗(yàn)室里的概念，一步步變成了可以大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品。
2002年，劉靜申請首項(xiàng)發(fā)明專利并獲得授權(quán)。這比其他國際團(tuán)隊(duì)都要早許多。這一次，中國人走在了世界前列。隨后，劉靜的團(tuán)隊(duì)陸續(xù)申請了30余項(xiàng)核心技術(shù)專利，形成了完整的知識產(chǎn)權(quán)體系。
2007年，國際知名期刊英國應(yīng)用物理學(xué)雜志《Journal of Physics D：Applied Physics》以封面文章的形式，發(fā)表了劉靜團(tuán)隊(duì)的研究成果。液體金屬冷卻計(jì)算機(jī)芯片技術(shù)在國內(nèi)外引起強(qiáng)烈反響，成為先進(jìn)散熱管理領(lǐng)域內(nèi)嶄新的發(fā)展方向之一。
2011年，美國機(jī)械工程師學(xué)會(ASME)會刊《電子封裝學(xué)報(bào)》，將“2010-2011年度最佳論文獎”授予劉靜教授及其博士生鄧月光，這是其首度將該獎授予中國大陸學(xué)者。在這篇論文中，報(bào)道了第一代CPU液態(tài)金屬散熱器樣機(jī)的研制成果，文章發(fā)表后多次蟬聯(lián)月下載量前10名，受到國際同行廣泛關(guān)注。
前景無限
值得注意的是，僅自2012年8月以來，國際上就有德國和美國兩大陣營的科研團(tuán)隊(duì)啟動了液態(tài)金屬散熱技術(shù)研究，并成立了研究聯(lián)盟。兩國政府及科研機(jī)構(gòu)分別投入了2000萬歐元、500萬美元以上的科研經(jīng)費(fèi)予以支持，無疑證明了這一重大前沿技術(shù)的價(jià)值。
據(jù)國際調(diào)研機(jī)構(gòu)IDC估計(jì)，僅計(jì)算機(jī)CPU所需的散熱組件，每年約有50億至100億美元的市場。民營企業(yè)依米康公司董事長郭瑞從清華大學(xué)經(jīng)管學(xué)院的一個學(xué)習(xí)班上，偶然得知該技術(shù)后，果斷地決定投資液態(tài)金屬散熱器項(xiàng)目。
“在高科技領(lǐng)域，擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)，就意味著不必再受制于人。由于我國擁有該領(lǐng)域首項(xiàng)底層專利以及大量擴(kuò)展技術(shù)，因而為今后進(jìn)軍國內(nèi)外先進(jìn)散熱器市場奠定了基礎(chǔ)。”郭瑞說。目前這一項(xiàng)目已被列為北京市第一批科技成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目股權(quán)投資試點(diǎn)項(xiàng)目，已經(jīng)有一系列產(chǎn)品問世。
其實(shí)，需要“降溫”的領(lǐng)域不僅是計(jì)算機(jī)芯片。中國科學(xué)院院士周遠(yuǎn)指出，在儀器工業(yè)、鋼鐵制造、太陽能捕獲、國防軍工等領(lǐng)域，液態(tài)金屬散熱技術(shù)都大有用武之地。就拿新能源汽車來說，蓄電池的溫度如果控制不好，會嚴(yán)重影響汽車的安全性；而當(dāng)前發(fā)展勢頭正勁的LED很少有大功率產(chǎn)品問世，也是因?yàn)樯犭y以解決。
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