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一、引言

随着AI人工智能的发展，高算力的数据中心与服务器需求越来越大，而支撑其核心算力的就是高算力芯片，而单芯片的功耗（TDP）也在逐年疯狂递增，英伟达GB200芯片功耗已经超过1000W，GB300单芯片的功耗甚至已经达到1400W，就跟个人造小太阳一样。

所以散热问题就成了阻碍芯片迭代发展的最重要问题之一，而目前主流的冷板式液冷和浸没式液冷方案的散热极限其实并不能满足更高算力芯片本身的散热需求，那今天我们就一起来探讨探讨未来高算力芯片散热该如何设计？

二、芯片发热的原因

芯片发热的原因主要有以下几点：

1.功耗产生热量

芯片在工作时会消耗电能，这个电能转化为功能的同时，部分能量会以热能的形式散失，这是芯片发热的根本原因。

2.电流通过产生电阻热

芯片内部有大量的电子流动，当电流通过芯片内部的导体时，由于导体存在一定的电阻，因此会产生电阻热，导致芯片温度升高。

3.电子迁移转化热能

在芯片内部，电子在迁移过程中会与原子发生碰撞，这些碰撞会将电子的动能转化为热能，进一步增加芯片的热量。

4.晶体管开关产生热量

现代处理器采用晶体管作为基本逻辑单元，晶体管在开关过程中由于状态的快速切换，会产生一定的热量。

5.设计因素影响发热

芯片的设计也是影响其发热量的重要因素。例如，芯片的密度越高、电路的复杂度越大、晶体管的尺寸越小，都可能导致芯片的发热量增加。

6.散热不良导致发热：

如果芯片周围的散热系统（如散热片、风扇、散热膏等）设计不合理或维护不当，会导致热量无法及时散出，从而使芯片温度升高。

三、高算力芯片散热的新思路与新挑战

目前高算力芯片主流的散热方案还是通过超低热阻的TIM1材料将芯片内部的热量快速传导到封装外壳上，然后再通过TIM2材料将热量再次传导至液冷板上，液冷板通过内部冷却工质的快速流动将热量快速的传递到外部环境。

所以这种方案的关键在于TIM1和TIM2材料的性能，目前TIM1材料主要还是具有相变化的低热阻导热硅脂，TIM2材料的选择空间就比较大了，如导热垫片、相变材料、导热凝胶、导热硅脂、碳基导热材料等。目前这种主流散热方案的性能很大程度上受限于TIM1和TIM2材料的热阻无法继续降低、导热率无法持续增大。

而另一种芯片散热方案是取消芯片原有的封盖，裸die芯片直接与TIM1.5相接，外部在直接接上液冷板或散热器，这样相当于是少了一层界面热阻，缩短了传热路径，从而降低了界面热阻，相比于传统的芯片散热方案要更高效。不过这种方案对于芯片安全的可靠性要求很高，毕竟芯片是裸露在外面的，而且TIM1.5材料的要求非常高，要有极低热阻、热导率要越高越好、受热不能太大形变、不能出现泵出现象、尽量不导电等要求。这两年比较火热的石墨烯超薄导热垫片作为TIM1.5材料是非常有希望和前景的。

浸没式液冷就更加简单粗暴，就是将封装好的芯片直接放进不导电的冷却液中，通过液体的快速循环流动将芯片热量不断地传导至外部环境中，但是这类芯片它是有封盖的，那既然有封盖，封盖与内部硅基芯片本体之间肯定还是需要填充TIM1材料来降低界面与界面之间的热阻，所以这种方案其实最终还是很大程度上受限于TIM1材料无法继续降低热阻，而导致芯片散热功耗无法持续提高。同时也伴随的整个液冷系统的耐久性和可靠性问题，这个就不展开说了。

目前芯片散热最新方案如上图，是2025台积电展示了CoWos-R最新热管理方案，直接在SoC芯片表面干液冷，通过给芯片表面做微通道结构，然后通入冷却液快速循环带走芯片的热量，这种方案可以说是直接把TIM1干没了，而液体的界面热阻几乎为零，传热路径又端，可以说是极大程度的提高了散热性能，这有可能将会是未来高算力芯片散热的最终方案。但是目前此方案还在研究阶段，而此方案对芯片的安全性和运行的可靠性目前还没办法考证，还需要一些时间来验证，如果真的验证成功了，未来高算力芯片的散热将可能没有TIM材料什么事情了。

四、总结

总结整个高算力芯片内部散热设计的发展进程来看，其实一直在跟界面热阻不断做斗争的过程，所以如何不断降低芯片本体与外界散热器件之间的界面热阻，是一个值得思考和不断突破的问题。

而目前台积电提出的直接在芯片表面做微通道液冷散热的研究是一个非常大胆的设计新思路，有可能将会是未来高算力芯片散热设计的最终方案。因为液体的界面热阻几乎为零，再加上选用高焓值、高导热的冷却液，配合快速流动加强对流传热，能够更高效、更快速的将芯片发出的热量快速导出，从而保证了芯片工作时的稳定性、使用寿命。不过目前在芯片本体上做微通道设计的工艺困难度很高，而且芯片尺寸还在不断缩小，这使得芯片表面微通道的设计难度更大了，因为当芯片尺寸达到微观物理学范畴，那用常规物理的方案往往是没办法行得通，再加上冷却液和整体液冷系统的可靠性是否能通过芯片安全运行验证，其中方方面面的问题还有很多值得深思熟虑的，毕竟这个试错成本非常昂贵。但是科技的脚步是不会停下的，总要有先驱者去做探索和试错，高算力芯片散热设计的未来最终方案将会是什么，我们拭目以待！