3D打印銅冷板，可將數據中心冷卻能耗降低98%，Fabric8Labs與伊利諾伊大學合作研發

2026年5月8日，南極熊獲悉，來自Fabric8Labs和伊利諾伊大學(UI)的機械工程師們利用 Fabric8Labs 的電化學增材制造 (ECAM) 工藝，生產用于數據中心散熱的直接芯片級 (D2C) 純銅冷板，可以將數據中心的冷卻能耗從每吉瓦計算能力550兆瓦降低到僅11兆瓦，提供了一種更高效、更節能的計算機芯片冷卻技術。

這項技術以題為“Ultra-high-performance cold platedevelopment through topology optimization and electrochemical additive manufacturing”的論文發表于Cell Press旗下期刊 《Cell Reports PhysicalScience》。這項研究得到了美國能源部的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2026.103272

研究人員利用數學算法和先進的3D打印技術制造出純銅冷板，性能優于傳統冷板，且運行能耗更低。研究人員估計，如果將這項技術用于冷卻整個數據中心，能耗僅占數據中心總能耗的1.1%左右，而傳統空氣冷卻方式的能耗則超過30%。

論文第一作者、機械工程研究生貝赫努德·巴茲米說：“冷卻是計算機芯片設計的瓶頸。通過彌合計算設計和制造能力之間的差距，我們的方法為芯片和其他電子設備的更節能的液冷提供了一條途徑。”

計算機芯片的功率越來越高，這意味著它們會產生更多的熱量。這一點，再加上數據中心數量的增長，給電網帶來了巨大壓力——據預測，到2028年，數據中心將消耗美國國家電網負荷的12%。過去40到50年間，計算機芯片一直采用空氣循環冷卻，但空氣不足以散發現代芯片產生的熱量。研究人員表示，液冷芯片冷卻或許能提供更有效的解決方案。

芯片直接冷卻系統由一塊連接到計算機芯片的冷板組成。這些冷板上密布著金屬“鰭片”，這些鰭片伸入冷卻液中，以最大程度地增加與冷卻液的接觸面積。目前市面上已有部分芯片直接液冷系統，但這些系統優先考慮的是制造成本而非性能。本研究旨在優化鰭片設計，以設計出冷卻能力最強的冷板。

△銅基底上制備的TO鰭片陣列照片。比例尺，1毫米。

研究團隊采用了拓撲優化技術來設計具有最佳形狀的散熱鰭片。拓撲優化從一個簡單的矩形初始設計出發，利用數學算法逐步改變鰭片的形狀。在鰭片設計的每次迭代中，該算法都會估算散熱能力以及將冷卻劑泵送過鰭片所需的功率。

△所制備的針狀鰭的掃描電子顯微鏡 (SEM) 圖像。比例尺，200 μm。

團隊負責人教授內納德·米爾科維奇說道：“拓撲優化最終會收斂到一個能夠最大限度提高熱性能并最大限度降低泵功率的最佳設計。”

這種散熱鰭片頂部尖銳，邊緣參差不齊，比傳統的散熱鰭片（通常是簡單的矩形、圓錐體或圓柱體）復雜得多。由于這種設計難以用傳統工藝制造，研究團隊與一家名為 Fabric8 的公司合作，采用一種名為電化學增材制造 (ECAM) 的先進制造方法，生產帶有優化鰭片的銅制冷板。ECAM 并非熔化銅，而是利用電化學電鍍技術，從下到上逐層沉積銅，從而構建出散熱鰭片。

純銅導熱性高，但難以進行3D打印，因此大多數冷板都采用鋁合金（AlSiMg）或不銹鋼制成，而這些材料的導熱性能并非最佳。米爾科維奇說道：“ECAM技術可以制造出細節極其精細的純銅零件——精度可達30至50微米，比頭發絲的寬度還要小。”

研究人員將帶有優化鰭片的單個銅制冷板與帶有傳統矩形鰭片的冷板的冷卻性能進行了比較，發現優化后的冷板冷卻效果提升高達 32%，壓降（即流體流經冷板所需的壓力）降低高達 68%，同時保持了相同的冷卻性能。研究人員表示，在整個數據中心層面，與風冷和市售液冷系統相比，這將帶來顯著的節能效果。

例如，一個擁有1吉瓦（GW）計算能力的數據中心，運行空氣冷卻系統大約需要消耗550兆瓦的電力，這意味著它實際消耗的總能源為1.55吉瓦，但只有1吉瓦用于聊天GPT、搜索和存儲等功能。米爾科維奇說道：“使用我們的冷板，數據中心只需要11兆瓦的電力用于冷卻，而不是550兆瓦。”

研究人員表示，這種優化和制造系統可以擴展應用范圍，用于設計其他電子和非電子應用領域的優化冷卻系統。巴茲米說道：“我們的工作流程可以應用于不同長度尺度上的各種冷卻挑戰。”

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