當(dāng)AI技術(shù)芯片的功耗和熱量不斷攀升，散熱成為技術(shù)進步新瓶頸。微軟最新研發(fā)的微流體冷卻系統(tǒng)突破傳統(tǒng)冷板限制，將液體冷卻劑直接引入芯片內(nèi)部，散熱效率提升最高3倍。這項技術(shù)不僅顯著降低溫升與能耗，還為3D芯片架構(gòu)和更高密度的數(shù)據(jù)中心鋪平道路，標志著AI技術(shù)算力基礎(chǔ)設(shè)施邁向更高效、更可持續(xù)的新階段。

最近，AI 技術(shù)芯片非常“熱”——是字面意義上的熱。

數(shù)據(jù)中心用于運行最新 AI 技術(shù)的芯片，明顯比前幾代硅芯片產(chǎn)生了更多的熱量。任何感受過手機或筆記本電腦發(fā)熱的人都明白，電子設(shè)備不喜歡高溫。當(dāng) AI 技術(shù)算力和新芯片設(shè)計的需求日益增長，當(dāng)前的冷卻技術(shù)將在短短幾年內(nèi)成為限制 AI 技術(shù)進步的瓶頸。為解決這個問題，微軟已成功測試了一種新的冷卻系統(tǒng)，其散熱效果比目前常用的冷板冷卻技術(shù)高出3倍。

這種新系統(tǒng)采用了微流體技術(shù)（Microfluidics），這種方法將液體冷卻劑直接引入硅芯片內(nèi)部——即熱源所在。冷卻系統(tǒng)中的微小通道被直接蝕刻在硅芯片的背面，形成溝槽，使冷卻液能夠直接流經(jīng)芯片，并高效帶走熱量。

該團隊還使用了 AI 技術(shù)來識別芯片上獨特的熱特征，并更精確地引導(dǎo)冷卻劑。研究人員表示，微流體技術(shù)可以提高下一代 AI 技術(shù)芯片的效率和可持續(xù)性。目前數(shù)據(jù)中心中使用的大多數(shù) GPU 都采用冷板冷卻，但冷板與熱源之間隔著好幾層材料，這種結(jié)構(gòu)限制了其散熱效率，而隨著每一代新的 AI 技術(shù)芯片功能越來越強大，產(chǎn)生的熱量也越來越多。最快在5年內(nèi)，“如果你仍然嚴重依賴傳統(tǒng)的冷板技術(shù)，你就會陷入瓶頸?！蔽④浽七\營與創(chuàng)新部門高級技術(shù)項目經(jīng)理薩?！ゑR杰蒂（Sashi Majety）說。

近期，微軟宣布已成功開發(fā)出一種芯片內(nèi)微流體冷卻系統(tǒng)，能夠有效冷卻一臺運行模擬 Microsoft Teams 會議核心服務(wù)的服務(wù)器。

微軟公司副總裁、云運營與創(chuàng)新首席技術(shù)官朱迪·普里斯特：“微流體技術(shù)將允許實現(xiàn)功率密度更高的設(shè)計，這將使芯片能夠具備更多客戶關(guān)心的功能，并在更小的空間內(nèi)提供更好的性能。但我們需要證明這項技術(shù)和設(shè)計是可行的，然后我想做的下一件事就是測試可靠性。

該公司的實驗室規(guī)模測試表明，根據(jù)工作負載和配置的不同，微流體技術(shù)的散熱性能最高可比冷板提升三倍，微流體技術(shù)還將 GPU 內(nèi)部硅芯片的最高溫升降低了65%，但這一結(jié)果會因不同芯片類型而有所差異。該團隊預(yù)計，這種先進的冷卻技術(shù)還將提高電源使用效率（PUE，衡量數(shù)據(jù)中心能效的關(guān)鍵指標），并降低運營成本。”

01利用 AI 技術(shù)進行仿生設(shè)計

微流體技術(shù)并非新概念，但使其投入實用一直是整個行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)。“在開發(fā)像微流體這樣的技術(shù)時，系統(tǒng)思維至關(guān)重要。你需要理解跨越硅芯片、冷卻劑、服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心的系統(tǒng)交互，以充分利用它。”微軟云運營與創(chuàng)新系統(tǒng)技術(shù)總監(jiān)侯薩姆·阿利薩（Husam Alissa）強調(diào)，僅僅是設(shè)計出合適的溝槽就很困難。微通道的尺寸與人類頭發(fā)絲相當(dāng)，這意味著沒有任何容錯空間。

在原型開發(fā)的工作中，微軟與瑞士初創(chuàng)公司 Corintis 合作，利用 AI 技術(shù)優(yōu)化了一種仿生散熱設(shè)計，其冷卻效率高于傳統(tǒng)的直上直下通道。這種仿生設(shè)計類似于樹葉或蝴蝶翅膀的脈絡(luò)——自然界已被證明擅長以最高效的路徑輸運所需物質(zhì)，并分配養(yǎng)分。

微流體技術(shù)需要的不僅僅是創(chuàng)新的通道設(shè)計，更是一個復(fù)雜的工程挑戰(zhàn)。它需要確保通道足夠深，能夠循環(huán)足夠的冷卻液而不堵塞，同時又不能太深以致削弱硅芯片強度，帶來破裂風(fēng)險。僅在過去一年，該團隊就進行了4次設(shè)計迭代。

微流體技術(shù)還需要為芯片設(shè)計防泄漏封裝、尋找最佳冷卻劑配方、測試不同的蝕刻方法，并開發(fā)將蝕刻步驟添加到芯片制造中的分步流程。這一突破只是微軟在基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域持續(xù)投資與創(chuàng)新、以滿足 AI 技術(shù)服務(wù)與算力需求的一個縮影。

例如，該公司計劃在本季度資本支出超過300億美元。這些投資包括開發(fā)其自有的 Cobalt 和 Maia 系列芯片，這些芯片專為更高效地運行微軟和客戶工作負載而設(shè)計。例如，自微軟部署其 Cobalt 100 芯片以來，微軟及其客戶正受益于這種芯片的高能效、可擴展性與卓越性能。

然而，芯片只是整個系統(tǒng)性難題中的一部分，因為硅芯片是在數(shù)據(jù)中心內(nèi)復(fù)雜的板卡、機架和服務(wù)器系統(tǒng)中工作的。微軟的系統(tǒng)方法意味著要微調(diào)這個堆棧的每個部分，使其協(xié)同工作，最大化性能和效率。開發(fā)下一代冷卻技術(shù)，如微流體技術(shù)，正是這一系統(tǒng)優(yōu)化的重要環(huán)節(jié)。

下一步，微軟將繼續(xù)研究如何將微流體冷卻技術(shù)整合到其未來幾代自研芯片中。公司還表示，將繼續(xù)與制造和硅芯片合作伙伴合作，將微流體技術(shù)納入其數(shù)據(jù)中心的量產(chǎn)流程。

“硬件是我們服務(wù)的基礎(chǔ)?！?Microsoft 365 核心管理技術(shù)研究員吉姆·克利韋因（Jim Kleewein）說，“我們都與這個基礎(chǔ)利害相關(guān)——它的可靠性、成本效益、速度、我們能從中獲得的行為一致性以及可持續(xù)性等等。微流體技術(shù)改善了成本、可靠性、速度、行為一致性、可持續(xù)性等每一個方面?！?/p>

02微流體技術(shù)的優(yōu)勢

事實上，一個簡單的 Microsoft Teams 通話就能展現(xiàn)出微流體冷卻技術(shù)的潛在優(yōu)勢。

Microsoft Teams 不是一種單一服務(wù)，而是大約300個不同服務(wù)組成的集合，它們無縫協(xié)作，各自承擔(dān)不同職責(zé)：連接客戶、主持會議、存儲聊天、合并音頻、錄制內(nèi)容以及轉(zhuǎn)錄。克利韋因解釋：“每項服務(wù)都有不同的特點，對服務(wù)器的不同部件壓力也不同。服務(wù)器使用率越高，產(chǎn)生的熱量就越多，這很合理?！?/p>

例如，大多數(shù) Microsoft Teams 通話往往在整點或半點開始。呼叫控制器在這些時間點的前五分鐘到后三分鐘非常繁忙，而在其他時間則不太繁忙。處理需求峰值有兩種方法，一是部署大量昂貴卻時常閑置的冗余資源，二是讓服務(wù)器超負荷運行，即所謂的“超頻” （overclocking）。但是因為超頻會顯著提升芯片溫度，若過度使用可能導(dǎo)致?lián)p壞。

克利韋因說：“每當(dāng)我們遇到峰值工作負載時，我們都希望能夠超頻，而微流體技術(shù)將允許我們進行超頻，而無需擔(dān)心燒毀芯片，因為這種更高效的芯片冷卻技術(shù)有成本和可靠性上的優(yōu)勢，還有速度優(yōu)勢，這讓我們可以更安全的實現(xiàn)超頻?！?/p>

03在更大的技術(shù)圖景中理解冷卻技術(shù)

微流體技術(shù)是微軟技術(shù)藍圖中的一環(huán)，旨在推動冷卻技術(shù)革新，并優(yōu)化云堆棧中的每一部分。

傳統(tǒng)上，數(shù)據(jù)中心通過大型風(fēng)扇吹風(fēng)來冷卻，但液體的導(dǎo)熱效率遠高于空氣。微軟已在其數(shù)據(jù)中心部署的一種液體冷卻形式是冷板。冷板放置在芯片頂部，冷液體流入，在冷板內(nèi)部的通道中循環(huán)，從下方的芯片吸收熱量，然后熱液體流出進行冷卻。

芯片通常被多層材料封裝以保護芯片，但這些材料也像毯子一樣，既阻礙了內(nèi)部熱量散發(fā)，又阻擋外部冷卻效果，從而限制了冷板的性能。但預(yù)計適用于 AI 技術(shù)的下一代芯片將消耗更大的算力，因此可能會變得過熱而無法通過冷板有效散熱。

而通過微流體通道直接冷卻芯片的效率要高得多——不僅在于散熱，還在于整個系統(tǒng)的運行。由于去除了多層絕緣結(jié)構(gòu)，冷卻劑可直接接觸發(fā)熱的硅芯片，從而在更高溫下即可實現(xiàn)有效散熱。這將節(jié)省原先用于給冷卻劑制冷的能源，同時冷卻效果優(yōu)于當(dāng)前冷板，還能有效利用廢熱。

微軟還旨在通過軟件和其他方法優(yōu)化數(shù)據(jù)中心運營?！叭绻⒘黧w冷卻能使用更少的電力來冷卻數(shù)據(jù)中心，那將減輕對附近社區(qū)電網(wǎng)的壓力。”專攻計算效率的微軟云技術(shù)研究員兼公司副總裁里卡多·比安基尼（Ricardo Bianchini）補充。

散熱問題不僅制約了 AI 技術(shù)計算與芯片設(shè)計，也制約了數(shù)據(jù)中心的設(shè)計。數(shù)據(jù)中心的一大優(yōu)勢在于服務(wù)器之間的物理距離很近。距離會降低服務(wù)器之間的通信速度，也就是所謂的延遲。但如今的服務(wù)器密度已經(jīng)達到一定程度，超過這個程度就會出現(xiàn)散熱問題。微流體技術(shù)能夠提高數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器密度。這意味著數(shù)據(jù)中心有可能在無需額外建筑的情況下提升計算能力。

04芯片創(chuàng)新的未來

微流體技術(shù)還有潛力開啟全新的芯片架構(gòu)，例如 3D 芯片。正如將服務(wù)器緊密排列可以降低延遲一樣，堆疊芯片可以進一步降低延遲。這種 3D 架構(gòu)的制造極具挑戰(zhàn)性，因為它會產(chǎn)生大量熱量。然而，微流體技術(shù)可以將冷卻劑輸送到非常靠近功率消耗點的位置，因此“我們未來可能會讓液體直接流過芯片內(nèi)部”，比安基尼補充解釋。

這類似 3D 堆疊結(jié)構(gòu)中的設(shè)計。這將涉及一種不同的微流體設(shè)計，在堆疊的芯片之間使用圓柱形針柱，有點像多層停車場的柱子，流體圍繞它們流動。普里斯特表示：“任何時候我們能更高效地做事并簡化流程，這都為新的創(chuàng)新打開了機會，我們可以研究新的芯片架構(gòu)?！?/p>

突破散熱限制后，數(shù)據(jù)中心機架可容納更多芯片，或在單芯片上集成更多核心，從而提升速度并支持更小型、更高性能的數(shù)據(jù)中心。

微軟表示，通過成功演示微流體等新型冷卻技術(shù)的可行性，公司希望為整個行業(yè)開發(fā)更高效、更可持續(xù)的下一代芯片鋪平道路。

吉姆·克利韋因，Microsoft 365 核心管理技術(shù)研究員吉姆·克利韋因：“我們希望微流體技術(shù)成為每個人都做的事情，而不僅僅是我們做的事情。采用者越多，技術(shù)發(fā)展越快，對微軟、客戶乃至整個行業(yè)都更有利。”