热“芯”冷“调”，高算力时代的“降温”革命

【编者按】本文作者韦豪创芯韦林峰、鲍妍，集微网经授权转发。

摘要

当今高算力时代，半导体行业面临芯片功耗指数级增长的挑战，服务器CPU、GPU及移动设备处理器功耗持续攀升，热管理成为制约性能释放的瓶颈，亟需技术上的革新突破。

传统散热技术优化：风冷通过异形鳍片与风扇气动设计提升散热效果；热管采用铜-金刚石管材、微热管等强化导热；液冷技术中，冷板式成数据中心主流，浸没式用于特定场景，混合方案兼顾效率与成本。

前沿领域突破方向：片上集成水冷从芯片内部散热，台积电方案验证结温降低效果；材料方面，金刚石热沉降温效果显著，但受成本制约；铟基合金热界面材料导热性能提升5-6倍，需解决热膨胀匹配问题；芯片与系统协同设计从架构层减少热量产生。未来，散热技术将朝集成化、材料创新、系统智能化演进，以平衡能效与成本，推动产业链绿色升级。

一、行业现状：性能与散热的螺旋式博弈

1、功耗跃升呈现指数级增长

近年来，半导体行业正面临芯片功耗快速攀升的严峻挑战。在服务器CPU领域，随着核心数量持续增加和运算频率不断提升，旗舰级处理器的热设计功耗已突破400W。与此同时，GPU市场为满足AI训练和高性能计算需求，新一代显卡功耗在短期内即实现倍增，部分型号甚至突破千瓦级门槛。值得注意的是，这种功耗激增现象已从高性能计算领域蔓延至移动设备市场，即便是向来注重能效比的智能手机处理器，其峰值功耗也呈现出显著上升趋势，这反映出整个半导体产业正面临前所未有的热管理挑战。

2、热管理成为性能释放的关键瓶颈

随着芯片功耗的持续走高，热管理已成为制约计算性能释放的首要瓶颈。实测数据显示，CPU温度每上升10℃，其可靠性下降50%（JEDEC标准）。当前的3nm及以下工艺节点中，芯片局部热点温度已远超传统散热方案的应对能力范围。更严峻的是，随着晶体管密度不断提高，单位面积的热流密度急剧增加，使得散热设计面临前所未有的挑战。这种状况不仅限制了芯片的持续性能输出，也对整个系统的可靠性提出了更高要求，亟需行业在材料和散热技术方面实现突破性创新。

二、技术演进：从改良到革命的产业图谱

（一）传统技术升级：渐进式创新路径

1、风冷散热：低成本方案的极致优化

风冷散热凭借其结构简单、成本低廉和易于维护的特点，已成为当前芯片散热的主流解决方案。该技术通过强制对流方式，使冷空气流经散热器表面或直接作用于芯片，从而将热量转移至周围环境。值得注意的是，风冷系统可灵活搭配热管、3DVC等辅助散热组件，形成复合散热方案以提升整体效能。

在技术优化方面，业界主要从两个维度进行突破：首先是散热器结构的精细化设计，通过采用叉指型、波纹型等异形鳍片结构，有效增加换热面积并增强气流扰动；优化散热片排列方式（如交错排列）以改善散热均匀性。其次是风扇性能的持续提升，通过改进叶片气动外形、优化电机选型等手段，在提高风量和风压的同时，实现噪音控制和能耗降低。实践表明，经过优化的服务器风扇系统可实现20%-30%的风量提升。

2、热管技术：相变传热的效率革命

热管技术通过巧妙的相变传热机制实现高效热传导。其工作原理是：当热管热端受热时，内部工质迅速汽化形成蒸汽流，蒸汽在压差作用下快速流向冷端并冷凝放热，冷凝液通过毛细结构或重力作用返回热端，形成持续的热量输运循环。这种独特的工作原理赋予热管极高的等效导热系数（可达铜的数十倍），同时兼具结构紧凑、重量轻巧的优势，特别适合空间受限的电子设备散热应用。

近年来，热管技术持续创新发展：在材料领域，通过采用铜-金刚石复合管材等新型材料，导热性能获得显著提升；在结构设计方面，微热管和脉动热管等创新构型不断涌现。其中，微热管凭借其微型化特征可实现与芯片表面的紧密贴合，大幅降低接触热阻；而脉动热管则利用气液两相的周期性脉动流动，在高热流密度工况下展现出卓越的传热性能。

3、 液冷技术：数据中心的主流选择

液冷技术主要包含三种实现形式：

1）冷板式液冷作为过渡方案，采用微通道冷板设计实现高效换热，其热阻可低至0.08℃/W。以浪潮信息2U四节点服务器i24为例，通过多冷板与关键发热部件接触配合多管路设计，可带走系统95%的热量。该技术通过优化微通道/微针翅结构及开发高性能冷却液持续提升性能。

2）两相流冷却利用工质相变特性，可应对1000W/cm²级热流密度。其技术关键在于：优化工质沸点与相变潜热参数，精密设计管路系统确保相变过程稳定可控。

3）浸没式液冷通过完全浸没实现极致散热，热阻达0.01℃/W。该技术需重点解决：开发兼容性冷却介质（绝缘/耐腐蚀/环保），优化设备布局确保散热均匀性，避免局部热点产生。

在韦豪创芯半导体材料专题闭门会上，大图热控李董事长表示，冷板式液冷采用水或防冻液作为冷却介质，通过闭环循环系统将芯片热量传导至外部冷却装置，其热流密度可突破200W/cm²，是目前数据中心处理高功率CPU/GPU的主流解决方案。相比之下，浸没式液冷虽然能实现全浸没均匀散热，特别适合内存等低功率元件，但由于氟化液等浸没介质导热系数较低（仅0.06W/m·K），且系统需要精确的流量控制，目前主要应用于特定场景。在实际部署中，业界更倾向于采用混合方案——对高功率芯片使用冷板式，而对其他部件采用浸没式冷却，以实现最优的散热效果和经济效益。

（二）前沿技术突破：颠覆性创新方向

1、片上集成散热

片上水冷技术通过在芯片内部集成微通道结构，实现源头散热。台积电的实验方案利用内置微通道让冷却液直接循环，有效降低结温并提升芯片可靠性。该技术面临的主要挑战在于：需要在极小的芯片空间内精确构建复杂流道，同时确保冷却系统的密封性和稳定性。目前研究重点集中在工艺优化和成本控制方面，以提高技术的实用化水平。

2、超导材料应用

1）在散热基板材料方面，金刚石（热导率2000-2300W/(m・K)）和碳化硅（490-670W/(m・K)）等超高热导率材料展现出显著优势。例如，在5月份的韦豪创芯半导体材料专题闭门会上，昆仑芯星林总经理表示，将金刚石制成热沉（散热片），用于替换传统的钼铜合金热沉。金刚石热沉可与GPU结合，可帮助其大幅提升散热性能。英伟达测试显示，采用金刚石散热的GPU性能提升3倍，温度降低60%，能耗减少40%。然而，这些材料目前受限于高昂的制备成本和复杂的工艺要求，产业化进程仍需突破。

2）热界面材料（TIM）技术也取得重要进展。相较于传统聚合物TIM，新型铟基合金TIM的导热性能提升5-6倍（达70-90W/m・K），且在严苛温度循环测试中保持稳定性能。但该材料在实际应用中仍需解决热膨胀系数匹配等技术难题，以确保大尺寸封装的可靠性。

3、芯片与系统的设计协同

在芯片设计端，通过优化电路架构和算法降低功耗产生，同时合理规划发热单元布局，避免热量聚集。采用模块化分散设计降低局部热密度，并在设计阶段预留散热接口，配合EDA工具进行热分析优化。

在系统设计层面，通过优化设备内部气流路径和散热布局提升整体散热效率。数据中心采用合理的服务器排列确保气流畅通，并运用智能温控系统根据实时温度调节散热设备运行参数，实现精准散热。韦豪创芯半导体材料专题闭门会上，中科四合CEO表示，也可从系统封装工艺和架构设计的角度减少损耗的同时降低系统热量的产生，例如埋入式电源设计，即通过板级封装技术将二维平面电源制作成三维结构，核心是嵌入式设计，缩短芯片间的互联路径，降低寄生参数（如电感、电阻），以提升电流传输效率、减少损耗和热量的产生。

三、未来展望：散热技术的三维突破与可持续发展路径

展望未来，芯片散热技术将朝着集成化、材料创新和系统智能化的方向快速发展。片上水冷等先进方案将与芯片设计深度融合，推动散热方式从外置式向嵌入式转变；新型高导热材料的持续突破将大幅提升散热效率；智能温控系统的应用将实现散热资源的动态优化配置。在可持续发展理念指导下，新一代散热技术不仅要突破传统热管理瓶颈，更要实现性能、能效与成本的最佳平衡，为芯片产业构建更加绿色高效的热解决方案。这一技术演进将带动整个产业链的创新升级，创造可观的市场机遇。