CIME大湾区深圳·2026液冷产业展会｜深圳国际会展中心(新馆)

微通道冷却的本质是在芯片封装或硅中介层（Interposer）上蚀刻微米级冷却通道（宽度50–500μm），使冷却液（水、氟化液等）直接贴近热源，通过以下机制实现高效散热：

超短热传导路径传统散热需经硅片、热界面材料（TIM）、金属盖等多层传递，热阻累积严重；微通道将冷却液与热源距离缩短至<1mm，热阻降至0.05 cm²K/W（传统方案约1 cm²K/W），效率提升20倍。

超高换热系数微通道的密集流道设计（>100通道/平方厘米）使换热面积达10,000 m²/m³（传统冷板仅300–500 m²/m³），结合微尺度下的湍流效应（雷诺数>2300），对流换热系数高达50,000–100,000 W/m²K（风冷约100，常规液冷约5,000）。

两相沸腾强化散热在Blackwell架构中引入双相浸没式冷却（如3M Novec氟化液），利用工质相变（沸腾）吸收潜热（150–300 kJ/kg，为水的5–10倍），换热效率较单相液冷提升5–10倍。

一背景：千瓦级芯片的散热危机

英伟达微通道冷却的三代迭代：

Blackwell架构创新：

在芯片背面构建纳米级微通道网络，结合AI算法控制微喷淋阵列，精准冷却热点区域。

采用NVLink-C2C技术，实现液冷机架级集成（如DGXGB200 SuperPod），单机柜散热能力达120kW。

1. 芯片功耗的指数级增长 

英伟达Blackwell架构（如B100/B200/GB200）的单芯片功耗已突破1000W，热密度超过1000 W/cm²，相当于将10台高性能游戏本的发热集中在指甲盖大小的硅片上。  

驱动因素包括：AI大模型训练需求激增、晶体管集成度提升（H100达800亿晶体管）、计算核心频率攀升，导致单位面积功耗密度达传统CPU的数十倍。 

2. 传统散热方案的失效 

英伟达新一代AI芯片（如GB200）单芯片功耗突破1000W，热密度超过1000 W/cm²，传统风冷方案在400W时已达极限，常规液冷因热阻累积和温度不均难以应对。芯片热点区域（如Tensor Core）温度过高会触发降频，导致算力损失高达35%。

风冷技术：散热极限仅300-400W，换热系数约100 W/m²K，无法应对局部过热问题。  

常规液冷：冷板式液冷虽提升换热系数至5000 W/m²K，但仍受限于多层热界面材料（TIM）的热阻累积、毫米级流道对流效率低、芯片表面温差>15°C，迫使芯片降频运行。  

二微尺度的热管理革命

1. 结构设计：从宏观到芯片级的集成演进

微通道定义：在芯片封装基板或硅中介层上蚀刻宽度50-500μm（发丝直径级）的流道网络，冷却液（水/氟化液）直接流经热源区域。  

三代技术迭代：

英伟达微通道冷却历经三阶段迭代，逐步逼近散热物理极限。

冷板级（A100）：外部铜冷板，微通道宽200μm，支持400W TDP。  

封装级（H100）：通过台积电CoWoS-S技术将微通道集成于硅中介层，热阻降40%，支撑700W TDP。  

芯片级（Blackwell）：在芯片背面构建纳米级通道，结合双相浸没式冷却，热阻低至0.05 cm²K/W。  

2. 热力学强化机制

尺度效应：微通道缩小流体热边界层厚度，热阻指数级降低，换热系数飙升至50,000-100,000 W/m²K（传统液冷的10倍）。  

相变增效：采用氟化液（如3M Novec），沸腾时吸收潜热（150-300 kJ/kg，为水的5-10倍），换热效率提升5-10倍。  

拓扑优化：依据芯片热分布图加密高功耗区（如Tensor Core）流道密度，实现温差<5°C的精准控温。  

三优势与挑战

1.性能突破性提升

算力稳定性：H100 SXM5在700W TDP下峰值算力达4 PetaFLOPS（FP16），若用风冷需降频至450W，性能损失35%。  

2. 核心挑战与瓶颈

制造瓶颈：硅通道蚀刻缺陷率>5%，封装基板平整度要求<1μm翘曲，推高成本30%。  

流体控制难题：微通道内压降达5-10 bar，泵功消耗显著；两相流易引发流动震荡（Flow Instability），需AI算法实时调控。  

可靠性风险：长期运行中纳米颗粒工质沉积、微通道堵塞及氟化液腐蚀性可能影响系统寿命。

四市场地位与行业影响

1. 英伟达的技术壁垒

全链路优势：从TSMC的InFO_LSI封装工艺、纳米级蚀刻技术，到精密流体控制（流量误差<0.1ml/min），构建完整技术生态。

依赖纳米级硅蚀刻工艺（台积电InFO/CoWoS）、精密流体控制（流量误差<0.1ml/min）和2.5D/3D封装（基板翘曲<1μm）。

竞品对比：英伟达方案热密度处理能力达1200 W/cm²，远超AMD（600 W/cm²）和英特尔（400 W/cm²）。

AMD的3D V-Cache+冷板方案热密度上限仅600 W/cm²； 

Intel嵌入式均热板限400 W/cm²，落后英伟达一代以上。 

2. 产业链爆发与国产机遇

市场规模：2025年全球数据中心液冷渗透率突破30%，2027年市场规模超千亿人民币，快接头等增量部件需求激增（如UQD市场2027年达82亿元）。

国产替代：

冷板/管路：英维克（液冷市占率40%）、川环科技（PTFE管路通过英伟达认证）切入供应链；  

材料/设备：东阳光（氟化液+铝冷板）、高澜股份（UQD快接头技术）受益技术下沉。  

五未来方向：从硅通孔到AI智能控温

英伟达的微通道冷却技术通过微观流道重构（微米级尺度）、封装集成创新（CoWoS/TSV）及智能控温系统（两相流AI控制），将千瓦级芯片散热效能推向新高度。该技术不仅突破热密度瓶颈，更重新定义了高性能计算硬件的可靠性标准——为ExaFLOP级超算与百万卡级AI数据中心奠定基础。未来，随着芯片-冷却一体化设计（如On-Die Cooling）的成熟，微通道技术将进一步驱动算力与能效的协同进化。

短期：硅通孔微通道（TSV-MC）+纳米流体（如Al₂O₃/水纳米颗粒），换热系数再提升30%。  

长期：芯片制造阶段直接蚀刻微通道（单片集成），热阻逼近0.01 cm²K/W；结合微射流冲击与AI实时热管理（AI-OTM），实现微秒级热点响应。