北京大学の研究、誘電性流体によるチップ冷却を1平方センチメートル当たり1,570ワットに引き上げ

北京大学の研究者らは、電気を通さない流体である誘電性冷却材を用い、最大1,570 W/cm²の臨界熱流束に達する埋め込み型チップ冷却の設計を発表した。査読付きの論文は2026年10月7日にNature Electronicsに掲載された。冷却材はHFE-7100で、蒸気に変わることで熱を運び去る。この方式は二相冷却と呼ばれる。

著者らの出発点はよく知られた問題だ。チップは小型化と高性能化が進み続けており、そこから熱を取り出すことの重要性はますます高まっている。埋め込み型冷却では、マイクロ流体流路をチップ基板に直接刻み込むことで、液体を最も高温になる箇所の近くまで届ける。論文によると、この手法は冷却材に水を使う場合、最大3,000 W/cm²の熱流束に対応できる。水は熱をよく吸収・伝導するが、電気も通すため、設計者は短絡を避けるよう注意しなければならない。

誘電性冷却材はこうした電気的リスクを取り除くが、それを用いた従来の手法は、流体を事前に冷却・加圧した場合でも、多くの場合1,000 W/cm²未満に抑えられてきたと著者らは記している。要旨によると、今回の設計は1,570 W/cm²に達する。

性能向上をもたらしたのは、研究チームが「水平-上向き」マニホールド（horizontal-up manifold）と呼ぶ構造だ。液体は水平方向の入口から流入し、新鮮な冷却材が加熱面へ再び流れ込みやすくなる。一方、蒸気は垂直方向の出口から排出されるため、より速く除去される。デバイスは微小電気機械システム（MEMS）技術で作製されており、著者らによると、これにより標準的な半導体プロセスに組み込み、将来の電子機器向けにスケールアップできるという。論文に掲載された図では、この設計をSPMCと表記された構造や他の代表的な二相冷却技術と比較しているほか、動作安定性も扱っている。論文全文はペイウォールの向こうにあり、本記事は要旨と記事ページの公開部分に基づいている。

Wei Xiao氏とZhihu Wu氏がこの研究に同等に貢献した。Bai Song氏が研究を着想した責任著者で、Wei Wang氏とともに研究を指導した。著者らの所属は北京大学の力学・工程科学学院、集積回路学院、および先進マイクロ・ナノ製造技術国家重点実験室となっている。資金は中国国家自然科学基金、中国国家重点研究開発計画、北京市自然科学基金などから提供され、著者らは競合する利益はないと申告している。論文は2025年10月8日に受け付けられ、2026年9月11日に受理された。参考文献には、同じ研究者の数人による2025年のNature Electronics論文が含まれており、最大3,000 W/cm²の熱流束に対応するとされるジェット強化型マニホールド・マイクロチャネルを扱っている。