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風冷散熱憑借其結構簡單、成本低廉和易于維護的特點，已成為當前芯片散熱的主流解決方案。該技術通過強制對流方式，使冷空氣流經散熱器表面或直接作用于芯片，從而將熱量轉移至周圍環(huán)境。值得注意的是，風冷系統(tǒng)可靈活搭配熱管、3DVC等輔助散熱組件，形成復合散熱方案以提升整體效能。

2）兩相流冷卻利用工質相變特性，可應對1000W/cm2級熱流密度。其技術關鍵在于：優(yōu)化工質沸點與相變潛熱參數，精密設計管路系統(tǒng)確保相變過程穩(wěn)定可控。

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【編者按】本文作者韋豪創(chuàng)芯韋林峰、鮑妍，集微網經授權轉發(fā)。

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

1、風冷散熱：低成本方案的極致優(yōu)化

在芯片設計端，通過優(yōu)化電路架構和算法降低功耗產生，同時合理規(guī)劃發(fā)熱單元布局，避免熱量聚集。采用模塊化分散設計降低局部熱密度，并在設計階段預留散熱接口，配合EDA工具進行熱分析優(yōu)化。

（一）傳統(tǒng)技術升級：漸進式創(chuàng)新路徑

當今高算力時代，半導體行業(yè)面臨芯片功耗指數級增長的挑戰(zhàn)，服務器CPU、GPU及移動設備處理器功耗持續(xù)攀升，熱管理成為制約性能釋放的瓶頸，亟需技術上的革新突破。

3、芯片與系統(tǒng)的設計協同

1、功耗躍升呈現指數級增長

傳統(tǒng)散熱技術優(yōu)化：風冷通過異形鰭片與風扇氣動設計提升散熱效果；熱管采用銅-金剛石管材、微熱管等強化導熱；液冷技術中，冷板式成數據中心主流，浸沒式用于特定場景，混合方案兼顧效率與成本。

在技術優(yōu)化方面，業(yè)界主要從兩個維度進行突破：首先是散熱器結構的精細化設計，通過采用叉指型、波紋型等異形鰭片結構，有效增加換熱面積并增強氣流擾動；優(yōu)化散熱片排列方式（如交錯排列）以改善散熱均勻性。其次是風扇性能的持續(xù)提升，通過改進葉片氣動外形、優(yōu)化電機選型等手段，在提高風量和風壓的同時，實現噪音控制和能耗降低。實踐表明，經過優(yōu)化的服務器風扇系統(tǒng)可實現20%-30%的風量提升。

一、行業(yè)現狀：性能與散熱的螺旋式博弈

2、熱管技術：相變傳熱的效率革命

三、未來展望：散熱技術的三維突破與可持續(xù)發(fā)展路徑

1）冷板式液冷作為過渡方案，采用微通道冷板設計實現高效換熱，其熱阻可低至0.08℃/W。以浪潮信息2U四節(jié)點服務器i24為例，通過多冷板與關鍵發(fā)熱部件接觸配合多管路設計，可帶走系統(tǒng)95%的熱量。該技術通過優(yōu)化微通道/微針翅結構及開發(fā)高性能冷卻液持續(xù)提升性能。

近年來，半導體行業(yè)正面臨芯片功耗快速攀升的嚴峻挑戰(zhàn)。在服務器CPU領域，隨著核心數量持續(xù)增加和運算頻率不斷提升，旗艦級處理器的熱設計功耗已突破400W。與此同時，GPU市場為滿足AI訓練和高性能計算需求，新一代顯卡功耗在短期內即實現倍增，部分型號甚至突破千瓦級門檻。值得注意的是，這種功耗激增現象已從高性能計算領域蔓延至移動設備市場，即便是向來注重能效比的智能手機處理器，其峰值功耗也呈現出顯著上升趨勢，這反映出整個半導體產業(yè)正面臨前所未有的熱管理挑戰(zhàn)。

熱管技術通過巧妙的相變傳熱機制實現高效熱傳導。其工作原理是：當熱管熱端受熱時，內部工質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，冷凝液通過毛細結構或重力作用返回熱端，形成持續(xù)的熱量輸運循環(huán)。這種獨特的工作原理賦予熱管極高的等效導熱系數（可達銅的數十倍），同時兼具結構緊湊、重量輕巧的優(yōu)勢，特別適合空間受限的電子設備散熱應用。

展望未來，芯片散熱技術將朝著集成化、材料創(chuàng)新和系統(tǒng)智能化的方向快速發(fā)展。片上水冷等先進方案將與芯片設計深度融合，推動散熱方式從外置式向嵌入式轉變；新型高導熱材料的持續(xù)突破將大幅提升散熱效率；智能溫控系統(tǒng)的應用將實現散熱資源的動態(tài)優(yōu)化配置。在可持續(xù)發(fā)展理念指導下，新一代散熱技術不僅要突破傳統(tǒng)熱管理瓶頸，更要實現性能、能效與成本的最佳平衡，為芯片產業(yè)構建更加綠色高效的熱解決方案。這一技術演進將帶動整個產業(yè)鏈的創(chuàng)新升級，創(chuàng)造可觀的市場機遇。

2、熱管理成為性能釋放的關鍵瓶頸

片上水冷技術通過在芯片內部集成微通道結構，實現源頭散熱。臺積電的實驗方案利用內置微通道讓冷卻液直接循環(huán)，有效降低結溫并提升芯片可靠性。該技術面臨的主要挑戰(zhàn)在于：需要在極小的芯片空間內精確構建復雜流道，同時確保冷卻系統(tǒng)的密封性和穩(wěn)定性。目前研究重點集中在工藝優(yōu)化和成本控制方面，以提高技術的實用化水平。

隨著芯片功耗的持續(xù)走高，熱管理已成為制約計算性能釋放的首要瓶頸。實測數據顯示，CPU溫度每上升10℃，其可靠性下降50%（JEDEC標準）。當前的3nm及以下工藝節(jié)點中，芯片局部熱點溫度已遠超傳統(tǒng)散熱方案的應對能力范圍。更嚴峻的是，隨著晶體管密度不斷提高，單位面積的熱流密度急劇增加，使得散熱設計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，也對整個系統(tǒng)的可靠性提出了更高要求，亟需行業(yè)在材料和散熱技術方面實現突破性創(chuàng)新。

3、 液冷技術：數據中心的主流選擇

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

液冷技術主要包含三種實現形式：

1）在散熱基板材料方面，金剛石（熱導率2000-2300W/(m?K)）和碳化硅（490-670W/(m?K)）等超高熱導率材料展現出顯著優(yōu)勢。例如，在5月份的韋豪創(chuàng)芯半導體材料專題閉門會上，昆侖芯星林總經理表示，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結合，可幫助其大幅提升散熱性能。英偉達測試顯示，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雜的工藝要求，產業(yè)化進程仍需突破。

在系統(tǒng)設計層面，通過優(yōu)化設備內部氣流路徑和散熱布局提升整體散熱效率。數據中心采用合理的服務器排列確保氣流暢通，并運用智能溫控系統(tǒng)根據實時溫度調節(jié)散熱設備運行參數，實現精準散熱。韋豪創(chuàng)芯半導體材料專題閉門會上，中科四合CEO表示，也可從系統(tǒng)封裝工藝和架構設計的角度減少損耗的同時降低系統(tǒng)熱量的產生，例如埋入式電源設計，即通過板級封裝技術將二維平面電源制作成三維結構，核心是嵌入式設計，縮短芯片間的互聯路徑，降低寄生參數（如電感、電阻），以提升電流傳輸效率、減少損耗和熱量的產生。

近年來，熱管技術持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展：在材料領域，通過采用銅-金剛石復合管材等新型材料，導熱性能獲得顯著提升；在結構設計方面，微熱管和脈動熱管等創(chuàng)新構型不斷涌現。其中，微熱管憑借其微型化特征可實現與芯片表面的緊密貼合，大幅降低接觸熱阻；而脈動熱管則利用氣液兩相的周期性脈動流動，在高熱流密度工況下展現出卓越的傳熱性能。

3）浸沒式液冷通過完全浸沒實現極致散熱，熱阻達0.01℃/W。該技術需重點解決：開發(fā)兼容性冷卻介質（絕緣/耐腐蝕/環(huán)保），優(yōu)化設備布局確保散熱均勻性，避免局部熱點產生。

（二）前沿技術突破：顛覆性創(chuàng)新方向

二、技術演進：從改良到革命的產業(yè)圖譜

前沿領域突破方向：片上集成水冷從芯片內部散熱，臺積電方案驗證結溫降低效果；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)協同設計從架構層減少熱量產生。未來，散熱技術將朝集成化、材料創(chuàng)新、系統(tǒng)智能化演進，以平衡能效與成本，推動產業(yè)鏈綠色升級。