微软开发下一代微流控冷却技术，利用AI提升芯片内散热效果
2025-09-24 22:17:59   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

数据中心应用的最新人工智能（AI）芯片相比前几代硅芯片产生更多的热量。任何经历过手机或笔记本电脑过热的人都知道，过热对电子产品的负面影响。面对AI需求的不断增长以及更新的芯片设计，目前的冷却技术已经跟不上时代的步伐。

据麦姆斯咨询报道，为了解决上述问题，微软（Microsoft）近期成功测试了一种新的微流控冷却系统，其散热效果比目前常用的先进冷板技术高出三倍。该冷却系统采用微流控技术，将冷却液直接送到硅芯片内部产生热量的核心位置。通过在硅芯片背面蚀刻微小的通道，形成沟槽，使冷却液可以直接流到芯片上，从而更有效地去除热量。微软团队还利用AI识别芯片上独特的热特性，更精确地引导冷却液。

研究人员表示，微流控技术可以提高下一代AI芯片的效率并提升可持续性。目前，数据中心中运行的多数GPU通过冷板进行散热，冷板与热源之间有几层隔离层，限制了它们的散热能力。

随着新一代AI芯片变得越来越强大，它们产生的热量也越来越多。“如果仍然严重依赖传统冷板技术，那么这些芯片的散热将在短短五年内陷入困境。”微软云运营与创新高级技术项目经理Sashi Majety表示。

现在，微软宣布成功开发了一种芯片内（in-chip）微流控冷却系统，该系统能够有效冷却模拟Teams会议核心服务的服务器。

微软展示了利用微流控技术冷却硅芯片的新方法。在硅片中蚀刻出微通道，使冷却液体可以直接流到芯片上，更有效地去除热量。团队还利用AI技术识别芯片上独特的热特性，以更高的精度引导冷却液。

“微流控技术的应用能够支持更高功率密度的设计，从而实现客户关心和需要的更多功能，并在更小的空间内提供更好的性能。”微软云运营与创新的企业副总裁兼首席技术官Judy Priest表示，“但我们需要证明这项微流控技术和设计是有效的，我们接下来最需要做的事情是测试其可靠性。”Priest说。

微软进行的实验室规模测试显示，这种微流控技术在移除热量方面比传统冷板性能高三倍，具体取决于所涉及的工作负载和配置。该微流控技术还使GPU内部硅的最大温升降低了65%，当然，这还取决于芯片类型。该团队预计，这种先进的微流控冷却技术还将提高电源使用效率，这是衡量数据中心能源效率的关键指标，从而降低运营成本。

利用AI优化仿生设计

微流控并非新概念，但将其付诸实践一直是行业内的一大挑战。“在开发微流控这类技术时，系统化思维至关重要。开发人员需要深刻理解硅、冷却剂、服务器和数据中心之间的系统交互，才能充分利用它的优势。”微软云运营与创新系统技术总监Husam Alissa表示。

其中，仅将微流控芯片上的微通道做好做对位置就并非易事。微通道的尺寸与人类头发丝相近，这意味着没有容错空间。作为原型设计的一部分，微软与瑞士初创公司Corintis合作，利用AI来优化仿生设计，使其相比直来直去的通道更有效地冷却芯片的热点，他们也对这种设计进行了测试。这种仿生设计类似于叶片或蝴蝶翅膀上的脉络，大自然已经为我们展示了输送物质最有效的路径。

当然，该微流控系统远不止创新的微通道设计，它是一个复杂的系统工程。

我们需要确保微通道足够深，以便循环足够的冷却液而不堵塞，同时又不能太深以至于削弱硅片的强度，进而出现断裂风险。微软团队在过去一年中仅完成了四款设计迭代。

微流控技术还要求为芯片设计不会泄漏的封装，找到最佳的冷却剂配方，测试不同的蚀刻方法，开发将蚀刻步骤添加到芯片制造过程中的工艺流程。

下一步，微软将继续研究如何将微流控冷却技术融入其下一代自研芯片。该公司表示，它还将继续与制造及芯片合作伙伴合作，将微流控技术引入其数据中心应用的芯片量产。

“硬件是我们服务的基石。”微软365核心管理技术院士Jim Kleewein表示，“我们都非常关切这一基石，它的可靠性如何，成本效益如何，速度如何，运行一致性如何，以及可持续性等等。微流控技术改善了这些方面：成本、可靠性、速度、一致性以及可持续性。”

微流控技术的优势

一个简单的Microsoft Teams通话，就可以展示微流控冷却可能带来的优势。Teams不是一个单一的服务，而是一组约300个不同服务无缝协作的集合。例如：将客户连接到会议、主持会议、存储聊天记录、合并音频流以便多人说话时每个人都能被听到、录制，以及文字转录等。

“每个服务都有不同的特性，对服务器的不同部分产生压力。”Kleewein说，“服务器使用越频繁，产生的热量自然就越多。”

微软开发的微流控芯片经过封装，并连接管路，以便冷却液能够安全流动。

例如，大多数Teams通话倾向于在整点或半点开始。通话控制器在这些时间点前后五分钟内会非常繁忙，而在其他时间则不太繁忙。处理需求高峰有两种方法，安装大量昂贵但大部分时间空闲的额外容量，或者让服务器更努力运行，这被称为超频。由于超频会使芯片更热，因此不能过度进行，否则会损坏芯片。

“每当我们有波峰式的工作负载时，我们都希望能够超频。微流控技术将使我们能够在不担心烧毁芯片的情况下进行超频，因为它是一种更高效的芯片冷却器。”Kleewein说，“从而在成本、可靠性和速度方面都带来优势。”

微流控冷却如何融入整个系统

微流控是微软更宏大计划的一部分，旨在推进下一代冷却技术并优化云堆栈的每一个环节。传统上，数据中心通过大型风扇吹送空气进行冷却，但液体相比空气能更有效地传导热量。

微软已经在其数据中心部署了一种液体冷却冷板。这些冷板位于芯片上方，冷液流入，在其通道中循环并从下方的芯片中吸收热量，将热量带出以实现冷却。

芯片通过多层材料进行封装，以保护它们并帮助散热。但这些材料也像毯子一样，锁住了热传递，从而限制了冷板的表现。面对未来性能更强大的AI芯片，冷板或将难以为继。

相比之下，通过微流控通道直接冷却芯片效率更高，不仅能够用于散热，还能提升整体系统的运行效率。利用微流控技术，所有绝缘层将被移除，冷却液直接接触发热的硅芯片，因此冷却液无需保持低温就能完成散热。这将节省原本用于冷却冷却液的能耗，同时还获得相比现有冷板更好的散热效果。此外，微流控技术还能实现高质量的废热利用。

微软也希望通过软件及其它方法优化数据中心运营。“如果微流控冷却能以更少的电力冷却数据中心，那将减轻对附近社区电网的压力。”微软技术院士及公司副总裁Ricardo Bianchini表示。

此外，热量还会限制数据中心的设计。计算数据中心的一个优势，是服务器物理上彼此靠近。更近的距离可以减少服务器之间的通信，避免延迟。但如今的服务器在紧密堆叠到一定程度时，热量就会成为问题。微流控技术将允许数据中心增加服务器的密度。这意味着数据中心有可能在不需要额外建筑的情况下增加计算能力。

芯片创新的未来

微流控技术还有潜力开启全新的芯片架构，例如3D芯片。就像将服务器放在一起可以减少延迟一样，3D堆叠芯片可以进一步减少延迟。这种3D架构的构建具有挑战性，因为它会产生大量热量。

然而，微流控技术可以将冷却剂运送到非常接近产生热量的地方，所以“我们可能会让液体流经芯片。”正如3D设计中的情况，Bianchini表示。这将涉及一种不同的微流控设计，在堆叠的芯片之间使用圆柱形引脚，有点像多层停车场中的柱子，液体会在它们周围流动。

通过消除散热问题造成的限制，我们就能够在数据中心机架中放置更多芯片或在芯片上集成更多核心，进一步提高速度，实现更小但更强大的数据中心。

“我们希望整个行业都能认识并利用微流控技术的优势。”Kleewein说，“应用该技术的厂商越多，就能更快的推动微流控冷却技术的迭代，这对我们、对客户、对每位用户来说都是好事。”

延伸阅读：

《MEMS风扇论文与专利态势分析-2025版》

《热界面材料（TIM）技术及市场-2026版》

《面向边缘应用的人工智能（AI）芯片-2023版》