近年来，研究人员开始探索将液体冷却模块直接嵌入芯片内部，以实现更加高效的制冷效果的新技术，但这一技术仍未解决电子设备和冷却系统分开处理的困境，从而无法发挥嵌入式冷却系统的全部节能潜力。
9月9日，来自瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）电气工程研究所功率和宽带隙电子研究实验室（POWERlab）的Elison Matioli教授及其博士生Remco Van Erp等研究人员，在Nature上发表了一项最新研究成果，在芯片冷却技术方面实现了新的突破。
研究人员使用微流体电子协同设计方案，在同一半导体的衬底内将微流体和电子元器件进行协同设计，生产出一个单片集成的歧管微通道冷却结构，可以有效地管理晶体管产生的大热通量。研究结果表明，该冷却结构仅使用0.57瓦/平方厘米的泵送功率，就可以输送超过1.7千瓦/平方厘米的热通量，其冷却效果超出当前所使用的结构的效果。
2019年5G进入正式商用以来，高速率低时延的移动通信网络为超高密度的信息接入提供了便捷，与此同时也产生了海量的数据，作为云计算基础设施的数据中心，在规模和数量方面都呈现出爆发式增长态势，随之而来的高能耗问题已然成为业界面临的一大难题。据统计，在一个传统数据中心的总能耗中，制冷系统用于冷却散热的能耗占比达30%至40%。
数据中心目前采用的冷却技术主要包括冷冻水、泵送制冷剂、遏制通道、行和机架级空气、液体冷却等方式，需要消耗大量的能源和水资源。Elison Matioli教授团队致力于从观念上真正实现改变电子设备的设计，在设计之初就开始通过构思电子设备与冷却结构的整体设计，目的是将设备中散热最大的区域附近的热量散发出去。
随着电子产品的集成度越来越高，不断缩小的半导体器件在拥有更小、更轻、更便携等优势的同时，也产生了更高的热通量，为冷却技术带来新的挑战。与传统的半导体相比，氮化镓（GaN）之类的宽带隙半导体可实现更小的压铸模，以及功率器件的单片集成，从而可以支持将完整的功率转换器小型化为单个芯片，因此被研究人员当作解决这一问题的候选者。
Elison Matioli带领的研究团队希望解决如何冷却电子设备（尤其是晶体管）的问题。研究人员开始探索使用冷却剂与设备直接接触的方式，来实现更高的冷却性能。歧管式微通道（MMC）热沉凭借热阻小、结构紧凑、冷却液流量小、流速低、沿着流动方向温度分布均匀等优点，成为备选方案。研究人员提出了在具有外延层的单晶硅衬底上设计的单片集成的多歧管微通道（mMMC）散热器，无需繁琐的键合步骤即可生产。
为准确评估MMC结构的冷却设备的冷却性能，研究人员使用去离子水作为冷却剂，对冷却结构进行了热液分析，通过测量热阻、压降和冷却性能系数（COP）来评估冷却性能。分析结果显示，含有10个歧管的微通道冷却结构能够允许高达1723 W/cm2的热通量，最大温升可达60 K，相当于25μm宽的平行微通道（SPMC）的两倍。
为了测试半导体器件中嵌入式冷却结构的潜力，研究人员将一个全桥整流器集成到单个硅基氮化镓（GaN-on-Si）功率器件上。研究发现，单相水冷式热通量超过1 KW/cm2时，其冷却性能系数（COP）达到了前所未有的水平（超过10000），与平行微通道相比增加了50倍。为充分利用高性能微通道冷却结构的紧密度，研究人员开发了带有嵌入式冷却液输送通道的三层PCB电路板，用于引导冷却剂进入电子元器件。
实际上，数据中心目前超过30%用于冷却的平均额外能源消耗，通过采用这种设计方法，可能会降到0.01%以下。同时，该研究进一步说明，为了最大限度地实现节能，冷却应该是整个电子设备设计链中不可或缺的一部分，而不仅仅是一个事后的想法。Matioli说：“这种冷却技术将使我们能够设计出更加紧密的电子设备，并可以大大减少全球因系统冷却而消耗的能源。
这项设计可以直接去除当前数据中心对于大型外部散热器的需求，研究还表明可以在单个芯片中设计超紧凑型的电源转换器。随着当前社会对于电子产品依赖程度的不断加深，将更加彰显出这一设计的社会价值。”目前，研究人员正在研究如何管理激光和通讯系统等其他设备中的热量。