伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（University of Illinois Urbana-Champaign）的机械工程师团队开发了一种全新的芯片散热方法，其核心是将数学设计算法（拓扑优化）与电化学增材制造（ECAM）相结合，生产直接安装在芯片上的纯铜冷板。该研究成果已发表在《细胞报告物理科学》（Cell Reports Physical Science）上。

“散热是芯片设计的瓶颈，”论文第一作者、机械工程研究生Behnood Bazmi表示。“通过弥合计算设计与制造能力之间的差距，我们的方法为芯片及其他电子设备实现更节能的液冷提供了途径。”

在过去四到五十年间，循环空气一直是防止处理器过热的标准方法。但现代芯片产生的热量远超空气所能有效处理的范围。随着数据中心数量激增以满足生成式AI和云存储等服务需求，其整体能耗急剧上升——预测显示，到2028年，数据中心可能占美国国家电网负荷的12%。液体直接到芯片冷却已成为一种更具可行性的替代方案。在该系统中，冷板直接安装在芯片上，冷却液流经密集排列的金属凸起（称为翅片），这些翅片增大了液体与发热组件之间的接触表面积。商用版本已存在，但以往的设计主要围绕成本而非性能进行优化。

该工作的核心创新在于一种称为拓扑优化的计算技术。从简单的矩形翅片形状开始，算法迭代地优化几何结构，每一步评估翅片传递的热量以及推动冷却液流过它所需的能量。“拓扑优化最终会收敛到一个在最大化热性能和最小化泵送功率方面最优的设计，”伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的创始人教授Nenad Miljkovic补充道。该过程收敛得到一个热性能最优的形状——具有锥形轮廓和精细的分支尖端。这些几何形状增加了润湿表面积，并局部引导冷却液流动，但对于传统加工或基于熔融的金属增材制造工艺来说过于复杂，因为传统制造方法无法可靠地生产具有亚100微米特征的铜结构。

为弥合这一鸿沟，团队与总部位于圣地亚哥的Fabric8Labs合作，采用电化学增材制造（ECAM）工艺。ECAM平台使用密集排列的可单独寻址微电极阵列，从水基电解液中沉积铜离子，以约33微米的体素分辨率逐层构建结构。该工艺在室温下运行，避免了激光熔化或烧结相关的热变形，并生产出纯度高达99.95%的铜。大多数基于熔融的增材制造工艺由于铜的高反射率和导热性而难以处理这种材料。“ECAM可以制造具有非常精细细节的纯铜零件——小至30到50微米，比人类头发的宽度还小，”Miljkovic说。水基电解液原料是可回收的，可以使用低成本金属盐或废铜进行补充，而基于阵列的打印头支持多个组件的批量制造，研究人员指出这与生产规模化相关。

与标准矩形翅片冷板的头对头测试显示，优化设计的冷却能力提升了高达32%，同时压力降——泵为了推动流体必须克服的阻力——在同等热性能下降低了多达68%。压力降低直接转化为更低的泵送能耗。该团队基于直接到芯片液冷架构对数据中心进行的能耗分析显示，对于一个耗散167千瓦的42U机架，所提出的解决方案仅消耗数据中心总能耗的1.1%用于冷却，总使用效率为1.011。按一个1吉瓦的数据中心来估算，传统风冷仅热管理就需要约550兆瓦，使设施总功耗达到1.55吉瓦。“使用我们的冷板，数据中心（对于一个1GW的设施）只需使用11MW用于冷却，而不是550MW，”Miljkovic说。

纯铜3D打印用于热管理并非新课题，但要生产出高性能散热所需的几何复杂结构一直难以实现。铜的高反射率和高导热性使得它极难用传统的激光方法加工，这一难题业界已萦绕多年。在更具体的努力中，Fabric8Labs被AEWIN Technologies选中，为其下一代边缘AI系统提供热管理组件。AEWIN部署了基于ECAM的3D微网孔锅炉板，将换热器表面积扩大了900%以上，相比其他传统替代方案，每100W可带来超过1.3°C的散热改善。该合作展示了ECAM的商业可行性，但并未将算法形状优化整合到设计流程中。另外，Alloyed开发了一种3D打印铜冷却板，专为数据中心等高温计算系统设计，采用蜂窝几何结构，结合了性能与材料用量减少。在被动冷却方面，丹麦技术研究所（Danish Technological Institute）与Heatflow开发了一款用于数据中心的3D打印冷却组件，旨在降低能耗，采用基于蒸发的系统，无需泵，并将蒸发器作为单一集成组件用铝3D打印出来。

伊利诺伊团队的工作填补了缺失的一环：一个工作流程，其中几何形状本身源于优化而非近似，然后用大多数增材工艺无法可靠交付的纯铜材料制造出来。拓扑优化与ECAM的结合，弥补了以往努力只从单一方面出发的鸿沟。除数据中心外，研究人员指出，同样的设计与制造工作流程可适用于不同规模和行业的散热挑战。