3D打印打开英伟达AI芯片散热大门：HRL Low-Chill™ 瞄准单相液冷量产落地

2月24日，美国HRL实验室发布消息称推出了一项名为Low-Chill™的突破性单相直接液冷技术，该技术能够实现现代数据中心前所未有的GPU和机架功率密度，且无需承担双相冷却系统的成本和复杂性，并支持低耗水冷却架构。根据3D科学谷的市场观察，这项液冷技术的核心创新技术是3D打印歧管。接下来让我们通过HRL实验室发文进一步透视这一创新技术，并共同探讨Low-Chill™ 为业界进行增材制造液冷技术创新带来的思考。

技术突破性

在美国能源部ARPA-E COOLERCHIPS项目支持下开发的HRL革命性方法，可将处理器冷却能力提高40%，或将泵送功率降低10倍以上。该方法扩展了单相液冷在人工智能和高性能计算数据中心中的实用极限。

它还将单相液冷的可行性贯穿于下一代数据中心的发展路线图。

通过实现处理器级别的超低热阻，该技术允许运营商运行温度更高的冷却液回路，从而减少用水量，并能通过干式冷却器而非蒸发系统来排热，提高了在水资源受限或干燥气候下的兼容性。

这项技术已准备好集成到下一代数据中心冷却系统中，HRL实验室正在寻找开发合作伙伴。

工作原理

该技术的核心是一种新颖的冷板架构，它使用经过精心设计的3D打印歧管，通过数百条短流路将冷却液直接分配到处理器上。通过在整个芯片上均匀输送冷却液，该设计克服了传统冷板的根本性限制，包括长流道和摩擦损失。

数据及其所能实现的效果

在测试中，HRL实验室证明了：

• 热界面热阻为 8.2 °C/kW

• 每个冷板压降低于 1 psi

• 泵浦功率需求低于机架IT功率的1%（冷板级别）

• 在同等泵浦功率下，与最先进的冷板相比，散热量增加40%

• 支持温水和热水冷却（冷却液入口温度高达70°C）

HRL实验室指出，这些性能提升可实现：

• 为单个750 mm²芯片提供高达3kW的冷却能力，且该设计可扩展到为更大的多芯片模块提供更高功率

• 支持高达400 W/cm²的热流密度

• 满足NVIDIA预期的Rubin和Feynman GPU的冷却需求

这一性能在支持下一代GPU的同时，也可作为现有数据中心冷却系统的即插即用替代方案。

收益何在

HRL实验室表示，对于最终用户而言，该技术提供了实际优势：

• 更高密度：使用单相液冷实现兆瓦级机架

• 更低能耗：超低压降最大限度地减少了泵浦功耗

• 易于部署：与现有冷却基础设施即插即用兼容

• 更低风险：避免转向昂贵的双相系统

• 高效冷却：与干式冷却器和标准冷却液回路兼容

• 用水可选性：支持与干式冷却兼容的高温冷却架构，并减少水消耗

对比如何

HRL实验室表示，与目前最先进的商用冷板相比，HRL的方法在相同泵浦功率下可实现更高的机架功率密度，同时保持处理器表面均匀冷却。这种方法还允许数据中心避免转向高成本且复杂的双相冷却系统，将可靠的单相液冷的适用性顺利延伸至下一个十年。

用水影响

数据中心的耗水主要由排热环节驱动，而非芯片级冷却。当与热水冷却液回路和干式冷却器配合使用时，HRL实验室的Low-Chill™方法可以通过消除蒸发冷却来减少用水量。最终效果取决于设施的排热架构。

已准备好规模化应用

该技术旨在通过商用现成组件或可扩展的3D打印组件进行部署。凭借经过验证的用于冷却歧管的大批量增材制造能力和低资本要求，该架构与现有和未来的数据中心液冷标准保持一致。

"我们在设计这项技术时充分考虑了实际的数据中心限制条件，"HRL的首席研究员兼COOLERCHIPS项目技术负责人Christopher Roper表示。"通过重新思考冷却液在冷板层面的输送方式，我们可以使用单相液冷来冷却功能更强大的处理器，且这种冷却方式完全契合当今的数据中心架构和运营风险偏好。"

随着人工智能、云计算和高性能计算应用对计算能力的需求不断加速，HRL实验室将持续开发可部署的技术，以实现可扩展、高能效的数据中心基础设施。

科学谷·视界

在AI算力狂飙的当下，数据中心热管理正站在一个关键的技术岔路口。传统单相液冷是否真的逼近了散热极限？两相液冷固然性能卓越，但其高昂成本、系统复杂性和运维风险是否意味着它并非唯一的“终极方案”？HRL实验室推出的Low-Chill™技术，恰恰在这个十字路口提供了一条值得探讨的“第三条道路”——它不是对现有方案的修修补补，而是从最底层重新思考芯片级散热的可能性。

技术创新点：如果重新设计冷板，我们会得到什么？

Low-Chill™的核心创新，在于它对冷板设计逻辑的重新审视。

传统冷板无论采用蛇形还是并联流道，大多遵循着“沿面流动”的逻辑——冷却液需要沿着芯片表面流过一段路径，在流动过程中逐步吸收热量。这种设计注定了需要承受沿程阻力带来的泵浦功耗代价，以及流动方向上不可避免的温度攀升。

而HRL实验室的选择，是将流动方向从“沿面”转向“垂面”。通过3D打印歧管构建一个“化整为零”的微喷射网络——数百条极短流路将冷却液垂直、均匀地输送到芯片表面的每一个热点，吸热后的冷却液迅速汇入主通道离开。

这一设计的精妙之处在于尝试实现传热与输运的功能解耦：短路径负责高效吸热，主通道负责快速输运，两者各司其职。正因如此，Low-Chill™才能交出8.2°C/kW热阻、低于1psi压降这样引人注目的性能数据。

这两个指标之所以关键，是因为它们直接定义了冷板的“天花板”：热阻决定了热量从芯片传递到冷却液的“通畅程度”——8.2°C/kW意味着1000W的芯片发热只会带来8.2°C的温升，为高功耗芯片留出了宝贵的温度裕量；而压降决定了冷却液流过冷板需要克服的阻力——低于1psi意味着泵浦功耗可降低10倍以上，直接转化为数据中心电费账单上的数字变化。在同等泵浦功耗下提升40%散热能力，同时将泵浦功耗降低一个数量级——这不禁让人思考：单相液冷的潜力，我们是否才刚刚开始触及？

3D打印的意义：当制造不再限制设计，热管理会走向何方？

如果说Low-Chill™的流道设计是一场流体力学层面的重新想象，那么3D打印就是让这种想象得以实现的“钥匙”。

在传统机械加工时代，设计师只能制造直线或简单曲线的通道——不是因为它们最优，而是因为只有它们能被经济地制造出来。那些理论上可能更优的流体分配网络，要么无法加工，要么需要多个零件焊接组装，带来的却是泄漏风险和性能折损。这种“制造约束”是否一直在无形中限制着我们的散热想象力？

3D打印的几何自由度打破了这一桎梏。设计师不再被“能否制造出来”所困扰，而是可以专注于“怎样设计最优化”。更重要的是，HRL已验证了高产量增材制造的可行性，这意味着这项技术可能不会停留在实验室阶段，而是有望以可接受的成本走向规模化部署。

这引出一个更宏观的问题：热管理行业是否正在经历一场从“适应制造工艺”到“让工艺服务设计”的范式迁移？

对数据中心热管理的深层思考：技术路线选择背后的考量

将视角拉回到整个数据中心基础设施，Low-Chill™提出的问题远比它给出的答案更有趣。

关于技术路线的选择：当前业界普遍认为，面对下一代AI芯片（1500W-2000W以上）的功耗挑战，传统架构的单相液冷正逼近其散热极限，这推动着液冷技术路线开始分岔。一部分厂商转向两相液冷，寻求“相变潜热”的加持；另一部分厂商则试图通过芯片级流道设计的根本性创新来挖掘单相液冷的剩余潜力——CoolIT Systems已于2025年12月宣布推出4000W单相冷板，实测可从4000W热负载中带走97%以上的热量，证明这条路是走得通的。那么，两相液冷是必经之路吗？当单相液冷通过设计创新就能实现散热能力的跨越式提升时，这场关于技术路线的讨论，或许比我们想象的更具开放性。

关于算力与可持续性的平衡：支持高达70°C的进液温度，意味着数据中心可以采用干式冷却器替代蒸发冷却塔，将用水量削减至近乎为零。这引出一个值得探讨的问题：当可持续性从“企业社会责任”变成“运营刚需”时，“高算力必然高水耗”这一默认假设是否还能成立？

关于热管理链条的重心：过去，我们习惯于将散热问题层层分解。HRL的突破提醒我们：解决热问题的黄金窗口，是否恰恰在于最靠近热源的那几毫米？一旦在芯片级实现了高效、均匀、低压降的热量抽取，下游环节的负担将如何变化——泵浦功耗能否进一步降低？干式冷却是否会从“备选”走向“主流”？

一项技术带来的不是答案，而是更好的问题

Low-Chill™的真正价值，或许不在于它是一块性能更强的冷板，而在于它为一场远未终结的讨论提供了新的论据：在迈向两相液冷之前，单相液冷还有多少未被挖掘的潜力？在抱怨芯片功耗失控之前，芯片上的那几厘米水路，真的已经设计到了极致吗？当3D打印释放了设计的自由度，热管理的下一个“不可能被突破的极限”又会在哪里？

这些问题，或许比任何确定性的结论都更有意义。

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投稿丨daisylinzhu 微信

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