Photo: IBM
如何讓外型迷你又緊密堆疊的電腦運作中樞不致於過熱以維持順利運作？美國五角大廈的瘋狂科學家想出了辦法，這個辦法就是讓電腦的大腦泡澡，而且是全世界規模最小的澡！
新型微晶片就像美式鬆餅堆成一疊，據說這種新的轉變能大幅提升新一代相機、智慧型手機等產品的運算能力。不過五角大廈也擔心，新型晶片會因為功能太強大而過熱熔毀。
美國國防高科技研究計畫局（Darpa）想出解決辦法，就是替晶片裝上可以讓液體流通的迷你管道，並注入極微量的水份，使其循環流動。
今天二月，美國國防高科技研究計畫局向業界公開徵求，希望有人能設計裝在微晶片組上的「微流體」（microfluidic）冷卻系統，稱為ICECool。詳細內容非常複雜，基本上，就是利用立體晶片組各晶片間的「迷你管道」，注入水份使其「循環流動或集中灌入水柱」來冷卻微晶片。
如果要簡短談談為何美國國防高科技研究計畫局對這個設計有興趣，應該從摩爾定律（Moore’s Law）說起。
摩爾定律該進步了
根據摩爾定律，當價格不變時，積體電路上可容納的電晶體（transistor）每18到24個月數量可倍增，如此，運算能力也會加倍。
其實電晶體的成長速率是經驗法則，只是摩爾定律從1960年代起就廣為人所接受。自從智慧型手機等新型產品發明，伺服器廠房與資料中心不斷擴張，摩爾定律有持續發展的必要性。如此，智慧型手機的電池壽命才會夠長，手機運作也能快速又有效率；對伺服器廠房與資料中心而言，也是如此。
目前為止，單一晶片所能容納的電晶體數量即將到達上限，需要透過更為奇特或創新的方式，縮小使用空間但同時卻得強化運算能力。
立體設計讓運算能力提升千倍
為了符合摩爾定律的預測，工程師多年來不斷縮小微晶片組件的體積，但大部分記憶晶片的電容器（capacitor）仍照舊式設計並排在一起，就像路邊的建築物一樣，一棟接一棟；如果改採立體設計，預估可以將電容器像摩天大樓一般垂直堆疊，不僅整體空間節省不少，還可以大幅提升處理速度。
現在，還有比讓多塊微晶片垂直堆疊更棒的設計，稱為「立體晶片集組」（3-D chip packaging）：就是將超薄晶圓像鬆餅一樣疊起來，中間透過細如髮絲的電線連結。
新型微晶片製作非常困難，但也不是沒人成功研發過。對於智慧型手機的電池與五角大廈的資料中心來說，這簡直就是上帝恩澤。體積更小、運算能力更強；電線較短，因此延遲時間縮短；消耗電力比以往更少，這也代表了電池壽命將延長。
IBM正在研發立體微晶片黏著劑，甚至有可能將微處理器的運算能力提升1,000倍！
但問題是，立體晶片組可能導致嚴重過熱問題，連風扇都無法降溫。如此一來，可能會損害微晶片，就算傷害再輕微，也會拖累運算速度，甚至完全報銷。更令人擔憂的是，如果沒有冷卻系統，立體晶片組就無法展現當初號稱的效能，未來科技也無法再有所精進。
美國國防高科技研究計畫局的公開徵求啟示也提出警告：「溫度問題讓這數十年來摩爾定律對半導體科技的預測完全失準，而且很可能讓國防及商業微電子系統無法再繼續發展創新。」
所以，來談談Darpa有關微型液態冷卻的構想吧！
超迷你微流體冷卻系統
開發微流體冷卻系統顯然一點也不容易！整套系統必須非常、非常迷你，在冷卻管循環流動的水量少到只能以微升（microliter）或奈升（nanoliter）計算。為了避免水份干擾電流，晶片外層需要鍍上防水絕緣層，而微晶片的電極也同樣需要防水，以確保供電穩定。
接著另一個問題就浮現了，要如何確保壓力穩定，使水份不至於乾涸或蒸發？如何散掉微晶片上多出的熱能？
理論上，微流體冷卻系統能讓晶片各處溫度分布較為平均、快速散熱，所以會比現行的空氣冷卻系統好用。
杜克大學（Duke University）教授Krish Chakrabarty表示，微流體系統能自動使過熱的電極停止運作，電極過熱時，其與液體管道中間隔著的銦錫氧化物薄膜（indium tin oxide plate）會充滿水份，發揮吸熱與散熱的功能。
電子產品散熱需求漸增
美國國防高科技研究計畫局並未明說希望利用水份冷卻哪些軍事系統，但毫無疑問地，這個世代需要冷卻的產品絕不在少數。
有些實驗用的相機已經高達500億像素，功能不斷增強的智慧型手機需求也漸增，產品似乎必須愈做愈小，但又要能同時接收數量驚人的資料。對軍隊來說，這代表需要研發足夠頻寬，從高掛在空中的相機下載龐大的資料串流。
美國國防高科技研究計畫局的徵求啟示特別註明：「參與競標的設計必須能擴大規模，讓更多人使用、容納更龐大的資料量，還要能隨時調整以配合現代軍方的電子系統。」新設計若真的研發成功，許多高科技軍事計畫就能動工，而不用擔心器材燒毀的問題。
說了這麼多，唯一沒提的是，軍方對高科技發展計畫的狂熱怎麼還沒冷卻？
from WIRED.tw http://wired.tw/2013/04/18/icecool/index.html
