隨着人工智能算力需求的持續增長，AI 芯片和數據中心的散熱問題正日益突出。
據國際能源署數據顯示，全球數據中心在 2022 年的耗電量已達到約 460TWh。如果 AI 算力繼續高速增長，到 2050 年相關數據中心的用電量可能達到 100,000TWh。其中，冷卻系統預計將佔到約 45% 的能源消耗。如何讓散熱更高效、更節能，已成爲推動 AI 基礎設施可持續發展的關鍵問題。
近日，上海交通大學研究團隊聯合澳大利亞皇家墨爾本理工大學、香港城市大學在 Advanced Science 發表研究成果，他們提出了一種基於 TPMS（三週期極小曲面）超材料的新型散熱結構。與傳統管式、板式或翅片式換熱器不同，這類結構內部具有高度連通的三維流道網絡，可以在有限體積內同時實現更大的換熱面積和更合理的流動路徑。
實驗結果顯示，該結構在液冷條件下的綜合換熱效率可達到傳統結構的 156 倍。這爲 AI 芯片、服務器以及高熱流密度電子設備提供了一種新的散熱解決方案，也爲下一代綠色算力基礎設施的發展提供了重要思路。
“這項研究能讓大家更深刻地理解：爲什麼這種結構會有如此卓越的性能？以及如何精準建立結構與性能之間的關聯模型？如果未來在 AI 數據中心中推廣應用這類高效散熱結構，每年有望節省約 30,000TWh 電力。”這項研究的第一作者、上海交通大學博士後鍾豪章告訴 DeepTech。
藏在數學裏的高效散熱結構
要理解 TPMS，可以從童年最熟悉的肥皂泡說起。當你將吹泡泡棒浸入肥皂水，金屬環上繃起的那層薄薄的膜，就是一張“極小曲面”。在物理張力的牽引下，肥皂液會自發地在有限的邊界內收縮，直到它的表面積達到理論上的最小值。
普通的肥皂膜受限於金屬環的邊界，但數學家們提出了一個更大膽的設想：如果這種“極小曲面”能在三維空間裏，沿着 X、Y、Z 三個方向無限週期性地重複下去呢？
這就誕生了 TPMS。這類經 3D 打印的材料的獨特之處在於其內部孔道結構光滑、連續且高度貫通，這使得它在換熱效率和流體輸運方面具備顯著優勢，也因此成爲熱管理領域極具前景的技術路徑。
圖 | TPMS 結構（來源：上述論文）
相比傳統的板翅式或微通道換熱器，TPMS 材料在“高傳熱”的同時實現了“低流阻”。“在傳統的換熱邏輯裏，這二者往往是魚與熊掌不可兼得，但 TPMS 這種連續光滑的數學結構，巧妙地平衡了這對矛盾。”
“目前，全球學術界與工業界已普遍認識到 TPMS 結構在諸多前沿領域潛力巨大，比如散熱、過濾、結構材料等。但真正的難點在於，如何將這種卓越的幾何設計潛力，有效且充分地轉化爲實際工程應用中的性能優勢。”鍾豪章表示。
究其原因，全球範圍內的研究都停留在單胞宏觀尺度，科學家們只能通過孔隙率、總表面積等整體指標描述 TPMS，卻無法捕捉到內部細小通道的粗細均勻度、通道數量、連通方式等關鍵細節。
面對行業痛點，鍾豪章及團隊跳出宏觀尺度思維，從亞單胞微觀尺度入手，爲 TPMS 超材料的設計打開了新大門。他形象地解釋道，“假如我們把 TPMS 結構比作人體，以往的學者研究其傳熱性能時，往往只看宏觀的‘細胞’或‘器官’層面（即單胞或整體結構）。而我們這次做的工作，相當於深入到了 ‘基因’層面。”
“這其實是一個摸着石頭過河的過程。”鍾豪章坦言，“我們最初也是從大家普遍採用的尺度去理解 TPMS 材料的傳熱性能，但在研究過程中發現：始終無法建立一個足夠可靠的模型來解釋和預測其行爲。感覺始終停留在表象，沒有觸及更本質的機理。”
在向數學家請教後，團隊對 TPMS 結構進行更深入的“解剖”，最終找到了將其拆解至最小組成基元的路徑。“在這個更小的尺度上重新建模後，我們發現結果既準確又簡潔，並且與實驗和模擬結果的吻合度非常高。”
在研究過程中，團隊在理論和幾何層面把 27 種常見的 TPMS 拓撲結構拆成標準化細小通道。
通過全局敏感性分析、主成分分析等多種方法，最終鎖定了決定 TPMS 傳輸效率的兩大核心因素：一是通道均勻性，通道粗細不能忽粗忽細，否則會出現流體瓶頸，既增加能耗又降低傳輸效率；二是通道空間密度，相同體積內的通道數量越多，能參與流體流動和熱量傳遞的區域就越多，效率自然越高。而此前被重點關注的通道表面積、連通方式，僅起次要修飾作用。
此外，團隊還發現，Fischer–Koch 這種拓撲結構的通道又均勻、數量又最多，是天生的 “高效選手”。
圖 | Fischer-Koch 結構分割解碼爲48個僅在取向上存在差異的相同單元（來源：上述論文）
翻越產業化兩座大山
通過理論分析、模擬驗證確定最優設計後，團隊使用純銅綠激光 3D 打印製造出基於 Fischer–Koch 拓撲結構的換熱器，並在模擬 AI 數據中心的液冷環境中進行實測。
結果令人振奮，該換熱器的核心效率指標達到 15.6，而傳統板翅式、微通道換熱器的該指標大多不足 0.1，效率實現了 156 倍的跨越式提升。更重要的是，實驗實測數據與團隊模型的預測數據高度吻合，充分驗證了亞單胞導管設計框架的精準性和可靠性。
至於這 156 倍的跨越式提升，究竟有多少功勞歸於結構，又有多少歸於純銅材料本身？
鍾豪章表示，“材質與結構是深度耦合的，無法簡單地拆解開來。純銅的高導熱性確實爲性能爆發提供了極佳的物理基礎，但如果沒有 Fischer-Koch 這種精密的拓撲結構去引導流體、增加換熱面積，純銅的潛力也無法被完全釋放。”
他補充道，這種結構與銅的“聯手”，未來可以完全遷移到鋁合金、甚至其他新型材料上。雖然換成鋁合金後，導熱性能可能會因爲材質屬性而有所下降，但它帶來的輕量化優勢，在航空航天、飛行汽車等領域反而可能成爲更核心的競爭力。
但要將其真正應用於 AI 芯片和數據中心散熱、航空航天、飛行汽車等領域，鍾豪章保持着科研工作者特有的冷靜與清醒。
“TPMS 超材料有着極好的商業潛力，但目前全球範圍內尚未出現大規模的成熟商業產品。”鍾豪章坦言。在他看來，阻礙這項技術從實驗室走向流水線的，是兩座必須翻越的大山。
第一，成本因素。“以我們曾考慮的新能源汽車應用爲例，目前 TPMS 結構的製造成本，包括粉末原材料、3D 打印設備工時、後處理工藝等仍相對較高，尚未達到汽車行業能夠大規模承受的價格區間。這限制了其在成本敏感型領域的推廣。”
第二，性能驗證尚不充分，尤其是動態工況下的可靠性。 “目前，我們和其他研究團隊對 TPMS 散熱性能的研究，大多是在靜態或理想工況下進行的。但在實際應用中，比如飛行汽車、人形機器人等場景，部件往往處於動態運行狀態。
這就帶來了新的問題：在長期動態工況下，TPMS 結構的耐疲勞性能和機械疲勞壽命如何？反覆的熱循環和機械振動是否會導致結構失效？這些關鍵問題目前還缺乏系統的研究和數據支撐，也是我們下一步計劃開展的工作方向。”
據鍾豪章透露，團隊正在推動“集成式多功能散熱器”的研究。“它不再僅僅是一個單一的散熱組件，而是擁有多流道結構、集成了記憶存儲功能的複雜系統，未來甚至有望應用在機器人身上。目前，我們的首要任務是把原型機做出來。從數學模型到實驗樣品，再到能解決實際問題的工程原型，每一步都是在爲未來的產業化鋪路。”
參考鏈接：
1.H.Zhong, Y.He, J.Wang, et al. “Sub-Unit-Cell Logic Governs Transport in TPMS Architectures.” Advanced Science (2026): e23188.https://doi.org/10.1002/advs.202523188
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