在如今这个芯片性能不断提升的时代，电子设备正朝着更小、更快、更强的方向飞速发展。然而，随着芯片集成度的提升，其热流密度也急剧增加，散热问题已成为制约技术进步的“拦路虎”。如何在高热流密度的非均匀热源下，设计出既能高效散热、又能控制能耗的冷却结构，是业界共同面临的难题。
近日，长安大学与艾迪捷信息科技（上海）有限公司深度合作，运用先进的modeFRONTIER多学科优化平台，成功开展了一项关于微通道冷板拓扑优化与多目标优化的研究，并取得一系列重要成果。相关论文已在国际会议EENES2025上发表并被EI数据库收录，充分彰显了modeFRONTIER在工程优化领域的强大实力。
研究背景：芯片散热，刻不容缓
电子设备超过55%的失效是由温度过高引起的。据“10℃法则”，在室温附近，温度每升高10℃，电子元件寿命就会减半。对于功率密度高达700W/cm²的芯片来说，散热设计更是至关重要。
传统微通道散热设计多依赖“经验+优选”，不仅耗时耗力，而且难以充分发挥散热潜力。拓扑优化（Topology Optimization, TO）作为一种突破性的设计方法，能通过数学建模自动寻找材料最佳分布，实现散热、压降、温度均匀性等多目标的平衡优化。
核心技术：拓扑优化 + 多目标遗传算法
本研究以非均匀热源芯片为对象，结合拓扑优化与非支配排序遗传算法（NSGA-II），开展了一系列创新设计：
1. 三维微通道冷板的拓扑优化设计
利用modeFRONTIER集成仿真与优化流程，研究人员针对不同入口结构（单入口、双入口、三入口）进行了二维与三维拓扑优化。
图1 圆盘散热器结构及优化设计域示意图
优化后的流道呈现对称、多分支结构，显著增大了换热面积。从下图可以看出，随着入口数量增加，主流道变细、分支增多，流动与温度分布更加均匀，强化了整体换热效果。
图2. 不同入口结构下拓扑优化结果
2. 性能对比：TO结构 vs 传统Y形结构
通过COMSOL仿真验证，拓扑优化设计的散热器在多项性能指标上均优于传统Y形结构：
· 压降降低20.0%
· 努塞尔数提升49.6%
· 综合评价指标提升53.4%
图3 不同结构散热器性能对比
3. 多目标尺寸优化
在拓扑优化基础上，进一步使用遗传算法对基板厚度与流道厚度进行多目标优化，实现了：
· 温差降低5.1%
· 压降降低19.6%
· 综合性能提升13.3%
图4 优化前后芯片结构温度云图对比
表1 性能优化效果
软件赋能：modeFRONTIER
如何助力科研突破
modeFRONTIER在本研究中发挥了核心平台作用：
· 流程自动化：无缝集成CAD建模、仿真计算与优化算法，实现“设计-仿真-优化”全自动迭代。
· 多目标优化能力：支持遗传算法、响应面模型等多种优化策略，帮助科研人员在复杂参数空间中快速寻优。
· 数据可视化与分析：提供丰富的后处理工具，直观展示优化进程与结果，助力科学决策。
合作成果与影响力
2025年，长安大学团队依托modeFRONTIER平台完成的研究成果，成功在EENES2025国际会议上做出口头报告，论文被收录至Springer旗下Lecture Notes in Electrical Engineering系列丛书，并获EI检索，体现了该研究的国际认可度。
图5 EENES2025国际论文首页
展望未来
随着芯片热管理要求的不断提升，拓扑优化与多目标优化将成为散热设计的标配工具。长安大学与艾迪捷公司的此次合作，不仅验证了modeFRONTIER在高效散热设计中的实用价值，也为新能源汽车、电子、航天等领域的热管理问题提供了可复用的方法论与工具链。
modeFRONTIER，不只是优化软件，更是工程创新的加速器。
本文基于长安大学与艾迪捷信息科技合作完成的技术报告撰写，相关研究成果已发表并收录于EI数据库。
文中所有图片与数据均来自合作项目报告，转载请标明出处。
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