【创作培育计划】芯片制程越来越小，散热不良成问题，该如何突破瓶颈？

最近某公司宣布，三纳米工艺的集成电路芯片已经开始量产了。电子元器件的集成度现在是越来越高，芯片的性能也越来越强大，那么伴随而来的发热问题应该如何解决？

当你的手机或者电脑在长时间运行大型游戏和软件的时候，他们可能会热的发烫，甚至还会卡顿，这个现象和芯片发热有着很大的关系。芯片散热不良的问题已经成为了引起摩尔定律失效的重要原因之一。我们通常会使用各种各样的外界散热器来给芯片降温。比如我们会用到散热片，还有风扇，还有热管，还有水冷等等这些。

其实连接芯片和芯片外接散热器之间的界面，才是主要的散热瓶颈。我们应该如何去突破这个瓶颈，让热量在界面进行高效的传递？

我们知道热量的传递方式是有三种的方式，一种是热辐射，然后是热传导，再是热对流。

对于热辐射来讲，只要物体的温度高于绝对零度，它就可以对外辐射电磁波，然后来进行散热。这个过程甚至不需要介质，它在真空当中也能够发生。但是它的导热速率实在是太低，很难用在高性能的芯片当中。然后是传导热盛岛它是需要介质的，但是维德曼弗兰兹定理告诉我们，良好的热导体通常也是良好的电导体，高效的热传导有可能会使电路短路的风险大大增加。

还有一种是热对流，它的导热能力是很强的，但是热电流仅仅发生在可以流动的液体或者气体当中。要将它用于芯片内部热量的导出，还得费一番功夫。有研究人员他设计了这么一个非常有意思的结构，他们在用于制造芯片的硅片的背面，破出非常多的一些很小的通道，然后它让液体的冷却剂可以在这些通道当中进行流动。相对于外部的水冷装置而言，这种微小的流体的通道被用到了集成芯片当中，更加接近发热源，那么它的散热效果是非常不错的，但是工艺稳定性和可靠性目前还不是太好。并且它还是存在着隔热界面，所以目前这个技术还难以大规模的应用。

这样一来，我们三种已知的热传递的方式，包括我们的热辐射，热传导和热对流，把它们用在集成电路芯片当中，似乎都不是太完美。那么我们还有没有其他的这样一个芯片散热的一些技术路线？

其实早在1948年，在荷兰的物理学家叫做卡西尼尔，他提出了一个非常有意思的效应。这个效应是什么？就是从量子的意义上讲，真空它不再是一无所有的虚空，而是存在着时刻涨落的量子场，这就是所谓的量子涨落。依据这样的理论，卡西米尔就提出，在真空当中相互靠近的两块平行金属板，会受到真空施加给他们的压力，并且当一块金属板震动的时候，它会引起真空当中和它平行的另外一片金属板的震动。如果我们把这个结论应用到微观层面，那就可以推导出在一定的条件下，原子的振动，它也是可以跨越真空，去影响另一个物体的原子的振动。这也就是说，这样一种类似热传导的热量传递方式，它可以不需要介质，它可以直接就在真空当中进行。

那么这样两个物体它既被真空隔离，同时它还能进行热传递，这不正是芯片散热所需要的吗？为什么我们中学的教科书上却始终没有提到过这种非常奇特的热传递的方式，主要原因就是，卡西米尔效应是通过理论推导得出来的，长期以来一直是缺乏直接的实验证据。这个效应在宏观上它表现的很微弱，是难以察觉的，想要从时间上去观测，必须在纳米级的微观尺度下进行，所以这使得它的实验验证十分的困难。不过科学家们通过巧妙的实验，最终完成了这项艰难的任务。

来自加州大学伯克利分校的研究人员，他制作了这样两块薄膜，然后将它们平行放置在真空当中。那么这两块薄膜，一块和温度高的热源相连，另外一块和温度很低的热源相连。当我们把它放在很远的时候，一个温度就会很高，一个温度就很低。如果我们逐渐减小它们之间的间距，当我们把它们的的间距减小到大概600纳米的时候，它们的温度差开始减小了。直到这样一个间距缩小到大概350纳米的时候，这两块保姆的温度几乎就达到一致了。

这说明什么呢？这说明他们之间虽然隔着真空，但依然在进行着热量的传递。但这个热量的传递会不会是热辐射呢？因为热辐射它也是可以在真空当中进行的。研究人员通过精确的测量和计算发现，热辐射在这个过程当中，对两块薄膜温度变化的影响是非常小的。在排除了众多的干扰之后，研究人员得到的实验数据同卡西米尔效应计算的结论达到了惊人的一致。

所以这个实验直接证实了，这确实是存在一种近距离条件下的、新的热传递方式。利用这种新的机制，工程师们将有可能设计出所谓的量子真空，也就是通过非接触的方式，提取集成电路芯片当中的热量，达到量子冷却的效果。

理想确实是很美好的，但是目前这种新的热传递的方式，它的导热速率还是非常低的，并且这么近的作用距离，会不会影响到集成电路当中电子的运动，也还是需要研究的。所以这项技术它能否最终走向应用，还存在着诸多的未知和争议。除此以外，科学家和工程师们也在不断的想各种各样的新的办法来提升芯片的散热能力，比如开发新材料设计新结构等等，或者寄希望于量子计算，期待未来我们能用上速度更快、散热也更快的芯片和电子产品。

审核：姬扬 中国科学院半导体研究所博士

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