“熱學基因”助換熱器效率躍升百倍
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科技日報訊 (記者于紫月)在人工智能(AI)快速發(fā)展的背景下,算力持續(xù)攀升,芯片散熱問題日益凸顯。如何高效降溫,正成為制約AI基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的關(guān)鍵難題。近日,上海交通大學顧劍鋒團隊聯(lián)合皇家墨爾本理工大學馬前教授、香港城市大學呂堅教授,通過解析三周期極小曲面(TPMS)結(jié)構(gòu),提出“熱學基因”概念,實現(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)傳熱行為的定量解碼。相關(guān)成果發(fā)表于國際期刊《先進科學》,并入選當期封底內(nèi)頁。
TPMS結(jié)構(gòu)廣泛存在于自然界,如蝴蝶翅膀和海膽骨骼中,其特點是三維連續(xù)、比表面積大且結(jié)構(gòu)可擴展?;诖?,人們發(fā)展出通過結(jié)構(gòu)設(shè)計調(diào)控性能的人造材料——超材料。盡管TPMS超材料在換熱領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力,但其結(jié)構(gòu)形態(tài)與熱傳輸性能之間的關(guān)聯(lián)長期缺乏統(tǒng)一認識。
針對這一問題,研究團隊從TPMS復雜結(jié)構(gòu)中解構(gòu)出比傳統(tǒng)單胞更小的基元,并在理論上認為其是本征傳熱功能單元,將之稱為“熱學基因”。在此基礎(chǔ)上,他們建立了可預測的傳熱性能評估模型,實現(xiàn)結(jié)構(gòu)與性能的定量關(guān)聯(lián),獲得面向熱學超材料的統(tǒng)一理論框架?;谠摽蚣埽芯咳藛T對27種典型TPMS結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)分析,識別出具有優(yōu)異換熱性能的Fischer-Koch結(jié)構(gòu)(一種典型TPMS構(gòu)型)。
為驗證理論結(jié)果,團隊利用3D打印技術(shù)制備出銅基TPMS換熱器。在液冷條件下,其綜合換熱性能相較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)最高提升156倍,突破了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在高傳熱與低流阻之間難以兼顧的瓶頸。進一步分析表明,若將該類結(jié)構(gòu)應用于未來AI數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng),有望帶來每年約30萬億度電的潛在節(jié)能空間,展現(xiàn)出在綠色計算與先進制造領(lǐng)域的廣闊應用前景。
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