【編者按】本文作者韋豪創(chuàng)芯韋林峰、鮑妍，集微網(wǎng)經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)發(fā)。

摘要

當(dāng)今高算力時(shí)代，半導(dǎo)體行業(yè)面臨芯片功耗指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的挑戰(zhàn)，服務(wù)器CPU、GPU及移動(dòng)設(shè)備處理器功耗持續(xù)攀升，熱管理成為制約性能釋放的瓶頸，亟需技術(shù)上的革新突破。

傳統(tǒng)散熱技術(shù)優(yōu)化：風(fēng)冷通過異形鰭片與風(fēng)扇氣動(dòng)設(shè)計(jì)提升散熱效果；熱管采用銅-金剛石管材、微熱管等強(qiáng)化導(dǎo)熱；液冷技術(shù)中，冷板式成數(shù)據(jù)中心主流，浸沒式用于特定場(chǎng)景，混合方案兼顧效率與成本。

前沿領(lǐng)域突破方向：片上集成水冷從芯片內(nèi)部散熱，臺(tái)積電方案驗(yàn)證結(jié)溫降低效果；材料方面，金剛石熱沉降溫效果顯著，但受成本制約；銦基合金熱界面材料導(dǎo)熱性能提升5-6倍，需解決熱膨脹匹配問題；芯片與系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)從架構(gòu)層減少熱量產(chǎn)生。未來，散熱技術(shù)將朝集成化、材料創(chuàng)新、系統(tǒng)智能化演進(jìn)，以平衡能效與成本，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈綠色升級(jí)。

一、行業(yè)現(xiàn)狀：性能與散熱的螺旋式博弈

1、功耗躍升呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)

近年來，半導(dǎo)體行業(yè)正面臨芯片功耗快速攀升的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在服務(wù)器CPU領(lǐng)域，隨著核心數(shù)量持續(xù)增加和運(yùn)算頻率不斷提升，旗艦級(jí)處理器的熱設(shè)計(jì)功耗已突破400W。與此同時(shí)，GPU市場(chǎng)為滿足AI訓(xùn)練和高性能計(jì)算需求，新一代顯卡功耗在短期內(nèi)即實(shí)現(xiàn)倍增，部分型號(hào)甚至突破千瓦級(jí)門檻。值得注意的是，這種功耗激增現(xiàn)象已從高性能計(jì)算領(lǐng)域蔓延至移動(dòng)設(shè)備市場(chǎng)，即便是向來注重能效比的智能手機(jī)處理器，其峰值功耗也呈現(xiàn)出顯著上升趨勢(shì)，這反映出整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正面臨前所未有的熱管理挑戰(zhàn)。

2、熱管理成為性能釋放的關(guān)鍵瓶頸

隨著芯片功耗的持續(xù)走高，熱管理已成為制約計(jì)算性能釋放的首要瓶頸。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，CPU溫度每上升10℃，其可靠性下降50%（JEDEC標(biāo)準(zhǔn)）。當(dāng)前的3nm及以下工藝節(jié)點(diǎn)中，芯片局部熱點(diǎn)溫度已遠(yuǎn)超傳統(tǒng)散熱方案的應(yīng)對(duì)能力范圍。更嚴(yán)峻的是，隨著晶體管密度不斷提高，單位面積的熱流密度急劇增加，使得散熱設(shè)計(jì)面臨前所未有的挑戰(zhàn)。這種狀況不僅限制了芯片的持續(xù)性能輸出，也對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性提出了更高要求，亟需行業(yè)在材料和散熱技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)突破性創(chuàng)新。

二、技術(shù)演進(jìn)：從改良到革命的產(chǎn)業(yè)圖譜

（一）傳統(tǒng)技術(shù)升級(jí)：漸進(jìn)式創(chuàng)新路徑

1、 風(fēng)冷散熱：低成本方案的極致優(yōu)化

風(fēng)冷散熱憑借其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉和易于維護(hù)的特點(diǎn)，已成為當(dāng)前芯片散熱的主流解決方案。該技術(shù)通過強(qiáng)制對(duì)流方式，使冷空氣流經(jīng)散熱器表面或直接作用于芯片，從而將熱量轉(zhuǎn)移至周圍環(huán)境。值得注意的是，風(fēng)冷系統(tǒng)可靈活搭配熱管、3DVC等輔助散熱組件，形成復(fù)合散熱方案以提升整體效能。

在技術(shù)優(yōu)化方面，業(yè)界主要從兩個(gè)維度進(jìn)行突破：首先是散熱器結(jié)構(gòu)的精細(xì)化設(shè)計(jì)，通過采用叉指型、波紋型等異形鰭片結(jié)構(gòu)，有效增加換熱面積并增強(qiáng)氣流擾動(dòng)；優(yōu)化散熱片排列方式（如交錯(cuò)排列）以改善散熱均勻性。其次是風(fēng)扇性能的持續(xù)提升，通過改進(jìn)葉片氣動(dòng)外形、優(yōu)化電機(jī)選型等手段，在提高風(fēng)量和風(fēng)壓的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)噪音控制和能耗降低。實(shí)踐表明，經(jīng)過優(yōu)化的服務(wù)器風(fēng)扇系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)20%-30%的風(fēng)量提升。

2、 熱管技術(shù)：相變傳熱的效率革命

熱管技術(shù)通過巧妙的相變傳熱機(jī)制實(shí)現(xiàn)高效熱傳導(dǎo)。其工作原理是：當(dāng)熱管熱端受熱時(shí)，內(nèi)部工質(zhì)迅速汽化形成蒸汽流，蒸汽在壓差作用下快速流向冷端并冷凝放熱，冷凝液通過毛細(xì)結(jié)構(gòu)或重力作用返回?zé)岫?，形成持續(xù)的熱量輸運(yùn)循環(huán)。這種獨(dú)特的工作原理賦予熱管極高的等效導(dǎo)熱系數(shù)（可達(dá)銅的數(shù)十倍），同時(shí)兼具結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕巧的優(yōu)勢(shì)，特別適合空間受限的電子設(shè)備散熱應(yīng)用。

近年來，熱管技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展：在材料領(lǐng)域，通過采用銅-金剛石復(fù)合管材等新型材料，導(dǎo)熱性能獲得顯著提升；在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，微熱管和脈動(dòng)熱管等創(chuàng)新構(gòu)型不斷涌現(xiàn)。其中，微熱管憑借其微型化特征可實(shí)現(xiàn)與芯片表面的緊密貼合，大幅降低接觸熱阻；而脈動(dòng)熱管則利用氣液兩相的周期性脈動(dòng)流動(dòng)，在高熱流密度工況下展現(xiàn)出卓越的傳熱性能。

3、 液冷技術(shù)：數(shù)據(jù)中心的主流選擇

液冷技術(shù)主要包含三種實(shí)現(xiàn)形式：

1）冷板式液冷作為過渡方案，采用微通道冷板設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高效換熱，其熱阻可低至0.08℃/W。以浪潮信息2U四節(jié)點(diǎn)服務(wù)器i24為例，通過多冷板與關(guān)鍵發(fā)熱部件接觸配合多管路設(shè)計(jì)，可帶走系統(tǒng)95%的熱量。該技術(shù)通過優(yōu)化微通道/微針翅結(jié)構(gòu)及開發(fā)高性能冷卻液持續(xù)提升性能。

2）兩相流冷卻利用工質(zhì)相變特性，可應(yīng)對(duì)1000W/cm2級(jí)熱流密度。其技術(shù)關(guān)鍵在于：優(yōu)化工質(zhì)沸點(diǎn)與相變潛熱參數(shù)，精密設(shè)計(jì)管路系統(tǒng)確保相變過程穩(wěn)定可控。

3）浸沒式液冷通過完全浸沒實(shí)現(xiàn)極致散熱，熱阻達(dá)0.01℃/W。該技術(shù)需重點(diǎn)解決：開發(fā)兼容性冷卻介質(zhì)（絕緣/耐腐蝕/環(huán)保），優(yōu)化設(shè)備布局確保散熱均勻性，避免局部熱點(diǎn)產(chǎn)生。

在韋豪創(chuàng)芯半導(dǎo)體材料專題閉門會(huì)上，大圖熱控李董事長(zhǎng)表示，冷板式液冷采用水或防凍液作為冷卻介質(zhì)，通過閉環(huán)循環(huán)系統(tǒng)將芯片熱量傳導(dǎo)至外部冷卻裝置，其熱流密度可突破200W/cm2，是目前數(shù)據(jù)中心處理高功率CPU/GPU的主流解決方案。相比之下，浸沒式液冷雖然能實(shí)現(xiàn)全浸沒均勻散熱，特別適合內(nèi)存等低功率元件，但由于氟化液等浸沒介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)較低（僅0.06W/m·K），且系統(tǒng)需要精確的流量控制，目前主要應(yīng)用于特定場(chǎng)景。在實(shí)際部署中，業(yè)界更傾向于采用混合方案——對(duì)高功率芯片使用冷板式，而對(duì)其他部件采用浸沒式冷卻，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的散熱效果和經(jīng)濟(jì)效益。

（二）前沿技術(shù)突破：顛覆性創(chuàng)新方向

1、片上集成散熱

片上水冷技術(shù)通過在芯片內(nèi)部集成微通道結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)源頭散熱。臺(tái)積電的實(shí)驗(yàn)方案利用內(nèi)置微通道讓冷卻液直接循環(huán)，有效降低結(jié)溫并提升芯片可靠性。該技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)在于：需要在極小的芯片空間內(nèi)精確構(gòu)建復(fù)雜流道，同時(shí)確保冷卻系統(tǒng)的密封性和穩(wěn)定性。目前研究重點(diǎn)集中在工藝優(yōu)化和成本控制方面，以提高技術(shù)的實(shí)用化水平。

2、超導(dǎo)材料應(yīng)用

1）在散熱基板材料方面，金剛石（熱導(dǎo)率2000-2300W/(m?K)）和碳化硅（490-670W/(m?K)）等超高熱導(dǎo)率材料展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。例如，在5月份的韋豪創(chuàng)芯半導(dǎo)體材料專題閉門會(huì)上，昆侖芯星林總經(jīng)理表示，將金剛石制成熱沉（散熱片），用于替換傳統(tǒng)的鉬銅合金熱沉。金剛石熱沉可與GPU結(jié)合，可幫助其大幅提升散熱性能。英偉達(dá)測(cè)試顯示，采用金剛石散熱的GPU性能提升3倍，溫度降低60%，能耗減少40%。然而，這些材料目前受限于高昂的制備成本和復(fù)雜的工藝要求，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程仍需突破。

2）熱界面材料（TIM）技術(shù)也取得重要進(jìn)展。相較于傳統(tǒng)聚合物TIM，新型銦基合金TIM的導(dǎo)熱性能提升5-6倍（達(dá)70-90W/m?K），且在嚴(yán)苛溫度循環(huán)測(cè)試中保持穩(wěn)定性能。但該材料在實(shí)際應(yīng)用中仍需解決熱膨脹系數(shù)匹配等技術(shù)難題，以確保大尺寸封裝的可靠性。

3、芯片與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)協(xié)同

在芯片設(shè)計(jì)端，通過優(yōu)化電路架構(gòu)和算法降低功耗產(chǎn)生，同時(shí)合理規(guī)劃發(fā)熱單元布局，避免熱量聚集。采用模塊化分散設(shè)計(jì)降低局部熱密度，并在設(shè)計(jì)階段預(yù)留散熱接口，配合EDA工具進(jìn)行熱分析優(yōu)化。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面，通過優(yōu)化設(shè)備內(nèi)部氣流路徑和散熱布局提升整體散熱效率。數(shù)據(jù)中心采用合理的服務(wù)器排列確保氣流暢通，并運(yùn)用智能溫控系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)溫度調(diào)節(jié)散熱設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)散熱。韋豪創(chuàng)芯半導(dǎo)體材料專題閉門會(huì)上，中科四合CEO表示，也可從系統(tǒng)封裝工藝和架構(gòu)設(shè)計(jì)的角度減少損耗的同時(shí)降低系統(tǒng)熱量的產(chǎn)生，例如埋入式電源設(shè)計(jì)，即通過板級(jí)封裝技術(shù)將二維平面電源制作成三維結(jié)構(gòu)，核心是嵌入式設(shè)計(jì)，縮短芯片間的互聯(lián)路徑，降低寄生參數(shù)（如電感、電阻），以提升電流傳輸效率、減少損耗和熱量的產(chǎn)生。

三、未來展望：散熱技術(shù)的三維突破與可持續(xù)發(fā)展路徑

展望未來，芯片散熱技術(shù)將朝著集成化、材料創(chuàng)新和系統(tǒng)智能化的方向快速發(fā)展。片上水冷等先進(jìn)方案將與芯片設(shè)計(jì)深度融合，推動(dòng)散熱方式從外置式向嵌入式轉(zhuǎn)變；新型高導(dǎo)熱材料的持續(xù)突破將大幅提升散熱效率；智能溫控系統(tǒng)的應(yīng)用將實(shí)現(xiàn)散熱資源的動(dòng)態(tài)優(yōu)化配置。在可持續(xù)發(fā)展理念指導(dǎo)下，新一代散熱技術(shù)不僅要突破傳統(tǒng)熱管理瓶頸，更要實(shí)現(xiàn)性能、能效與成本的最佳平衡，為芯片產(chǎn)業(yè)構(gòu)建更加綠色高效的熱解決方案。這一技術(shù)演進(jìn)將帶動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的創(chuàng)新升級(jí)，創(chuàng)造可觀的市場(chǎng)機(jī)遇。