“液态金属”引领散热革命

时间：2013-06-28 22:47:14

关键字：金属 BSP 散热器计算机芯片

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[导读]电影《终结者》里，施瓦辛格扮演了一个“打不死”的金属机器人，能变成液体一样流动。现实中的“液态金属”虽没有那么神通，却也将在先进散热管理领域大展身手。“热障”瓶颈“随

电影《终结者》里，施瓦辛格扮演了一个“打不死”的金属机器人，能变成液体一样流动。现实中的“液态金属”虽没有那么神通，却也将在先进散热管理领域大展身手。

“热障”瓶颈

“随着技术的进步，现在一部手机的运算能力，已经相当于早前一台体积庞大的计算机，性能提升了很多量级。可以想象，这么多的运算集中在一个芯片上，发热量是十分巨大的。”清华大学与中国科学院理化技术研究所双聘研究员刘静教授拿起手机笑着告诉记者，之所以通话时间久了，手机会发烫，是因为芯片集成度的提高和功耗的剧增。

过高的温度不仅令电脑频繁死机，甚至会导致芯片烧毁。对于追求极速“快感”的电脑玩家，传统的风冷方式早已不能满足其散热要求。于是，热管、水冷，甚至液氮等五花八门的散热方法层出不穷。

不过遗憾的是，这些散热方式或多或少都存在着缺陷：普遍用于笔记本电脑的热管技术存在烧毁极限，难以满足高热流密度芯片的散热需求；当前流行的水冷、液冷方式需配备体型臃肿的水箱，且存在蒸发、泄漏等问题，对于电子产品来说几乎是致命的安全隐患。

英特尔公司负责芯片设计的首席技术官帕特·盖尔欣格指出：“放眼看去，耗能和散热将成为一个根本性的限制，我们必须在芯片总体设计中认真考虑这两个问题。”怎样突破“热障”瓶颈的束缚，连IT巨人都头疼不已。

“金属”革命

这一次，是中国人为打破瓶颈带来了希望。

现有的散热方式都不理想，能不能找到更好的办法呢？在经过大量的试验、反复比较之后，刘静的脑子里忽然灵光一闪：为什么不用液态金属散热？

金属的热导率要远远高于水，可以达到水的六七十倍甚至更高。如果能用室温下处于流动状态的液态金属作为“冷却剂”，给计算机芯片“降温”，理应再合适不过了。

其实，液态金属散热技术在核电站反应堆中已经有了应用。但其采用的钠合金却“性如烈火”，很容易造成爆炸和火灾，要把它用于芯片散热显然有安全隐患。

经过反复筛选、研制，刘静的团队最终想到了一种熔点低、沸点却很高的金属——镓，并借助纳米技术，来提高镓合金的性能。镓的性情比较“温和”，不会发生爆炸等危险，且对人体比较安全；更让人惊喜的是，水到了100摄氏度就会沸腾，而镓的沸点竟高达2400多摄氏度，即使放进炼钢炉里，它依旧“无动于衷”，这就为未来制造高性能计算机留下了非常大的空间。

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刘静向记者展示了几款完成工业设计的液态金属散热器，看上去和普通散热器并无明显不同，可其中却大有文章。就拿驱动方式来说，其研制就颇费一番心思。如果用机械泵驱动，液态金属会在叶片四周凝结，从而堵塞管道。科研人员想到金属可以通过电磁波来驱动，于是研发出功耗仅在500mW左右的电磁泵，进而发展出直接利用芯片产生的热量驱动金属流体的新技术。由于无任何运动部件及风扇，这种装置彻底实现了无噪音运行。就这样，刘静带领他的团队，把一个实验室里的概念，一步步变成了可以大规模工业生产的产品。

2002年，刘静申请首项发明专利并获得授权。这比其他国际团队都要早许多。这一次，中国人走在了世界前列。随后，刘静的团队陆续申请了30余项核心技术专利，形成了完整的知识产权体系。

2007年，国际知名期刊英国应用物理学杂志《Journal of Physics D：Applied Physics》以封面文章的形式，发表了刘静团队的研究成果。液体金属冷却计算机芯片技术在国内外引起强烈反响，成为先进散热管理领域内崭新的发展方向之一。

2011年，美国机械工程师学会(ASME)会刊《电子封装学报》，将“2010-2011年度最佳论文奖”授予刘静教授及其博士生邓月光，这是其首度将该奖授予中国大陆学者。在这篇论文中，报道了第一代CPU液态金属散热器样机的研制成果，文章发表后多次蝉联月下载量前10名，受到国际同行广泛关注。

前景无限

值得注意的是，仅自2012年8月以来，国际上就有德国和美国两大阵营的科研团队启动了液态金属散热技术研究，并成立了研究联盟。两国政府及科研机构分别投入了2000万欧元、500万美元以上的科研经费予以支持，无疑证明了这一重大前沿技术的价值。

据国际调研机构IDC估计，仅计算机CPU所需的散热组件，每年约有50亿至100亿美元的市场。民营企业依米康公司董事长郭瑞从清华大学经管学院的一个学习班上，偶然得知该技术后，果断地决定投资液态金属散热器项目。

“在高科技领域，拥有完全自主知识产权的核心技术，就意味着不必再受制于人。由于我国拥有该领域首项底层专利以及大量扩展技术，因而为今后进军国内外先进散热器市场奠定了基础。”郭瑞说。目前这一项目已被列为北京市第一批科技成果转化和产业项目股权投资试点项目，已经有一系列产品问世。

其实，需要“降温”的领域不仅是计算机芯片。中国科学院院士周远指出，在仪器工业、钢铁制造、太阳能捕获、国防军工等领域，液态金属散热技术都大有用武之地。就拿新能源汽车来说，蓄电池的温度如果控制不好，会严重影响汽车的安全性；而当前发展势头正劲的LED很少有大功率产品问世，也是因为散热难以解决。

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