到底什么是趋肤效应？

前段时间小枣君介绍光通信CPO技术的时候，很多读者问：为什么一定要用光替代铜？为什么光通信的传输损耗比电通信低？

其实，这背后的关键，就是一个重要的物理学效应——趋肤效应。

不仅是光通信，在射频天线设计、半导体封测等各个领域，趋肤效应都在产生重要的影响。

今天这篇文章，小枣君就和大家解读一下这个概念。

█什么是趋肤效应

趋肤效应，简单来说，就是当交流电在导体（电线）中传输时，电流会集中在导体的表层流动，而导体中心的电流极小。

而且，交流电的频率越高，电流会越靠近导体的表面。

不同频率下，导体上的电流密度分布

（从左到右，随着频率增加，电流更靠近表面）

有一个叫“趋肤深度”的概念，是指趋肤效应下，电流密度衰减到表面值的约37%（1/e）时，所对应的导体深度。

举个例子，铜导体在常规50Hz频率（家里交流电的频率）下，趋肤深度是9.2毫米。而在100MHz频率下，趋肤深度缩小至约6.6微米（0.0066毫米），相当于人类头发直径（约0.07毫米）的1/10。

家里普通电线（1.5平方）的直径是1.38毫米。传输50Hz交流电，趋肤效应影响不大。但对于100MHz交流电（电信号），电流都集中在电线表面非常非常浅（0.0066毫米）的那层。

这就导致：导体的有效通流面积减小、导体材料浪费、等效电阻升高、发热量增加、输电损耗增加、信号衰减增加、传输距离缩短。

反正都不是好事。所以，业界很讨厌趋肤效应，都希望尽量消除它的影响。

█趋肤效应的产生原因

我们简单说说趋肤效应的产生原因。（这部分的内容，稍微有点复杂。但是，只要有一点中学物理的基础，就能看懂。实在看不懂，就跳过。）

在导体上通电，就有电流，电流会产生磁场。交流电是方向和电流循环变化的电，电流变大时，磁场也跟着变大。

根据楞次定律（感应电流的效果，总是反抗引起感应电流的原因），导体内部会感应出反向磁场，阻碍原磁场增大。

这个反向磁场，由一个个感应小涡流产生。涡流在导体内侧，与原电流方向相反，从而削弱内层电流；而在导体表面，涡流与原电流方向一致，反而增强表层电流。

这就形成了电流“挤”向导体表面的奇特现象。交流电频率越高，效应就越明显。

直流电，电流大小和方向不变，磁场稳定，所以不会产生额外的感应效应，电流能均匀分布在整个导体截面，没有趋肤效应。

█趋肤效应产生的影响

趋肤效应是电能输送和电信号传输的主要障碍。

通常来说，对抗趋肤效应，有几个方法：

一、采用多根独立绝缘导体绞合或编织而成的利兹线结构。

大家会发现，我们几乎很少看到那种很粗的纯金属线，反而经常看到那种像麻花一样拧在一起的细铜丝。之所以搞这么复杂，就有一部分原因是为了对抗趋肤效应。一根导线变成多根导线，总的表面积会增加。

二，将导体表面镀银或其它低电阻率材料。

银的导电率比铜高约5%。既然电流都挤在表面，那就在表面镀一层银，相当于把最活跃的电流通道“升级”为更优导体。

三，使用空心导管替代实心导线。

反正中间也没什么电流。这样的话，既减轻重量又节省材料，同时保持足够表面积。

以上三种方法，是对抗趋肤效应的常规操作。例如，在高压输电线路中，经常会采用钢芯铝绞线‌。外层用的是铝，导电性好、成本低。中心是钢芯，机械强度高，可以承担承重拉力。

电能输送场景，交流电频率不高。但是，电通信场景，情况就不一样了。

现在为了提升通信速率和容量，都会采用高频电信号，频率MHz起步，甚至达到GHz。这种高频，就意味着会带来非常强烈的趋肤效应。

目前，业界单通道数据速率已经狂飙到224Gbps，下一代甚至将要达到448Gbps。有数据指出，如果按448Gbps来算，趋肤深度将压缩至0.2微米。

这是极为恐怖的薄度，是头发直径的1/350。海量的电子，要拥挤在如此狭窄的空间里运动，难度可想而知。这时，导体表面的氧化层、微观粗糙度，甚至晶界散射，都将成为不可忽视的影响因素。

以表面粗糙度为例。

金属导体表面不是绝对平整的，会有一些凹凸不平。我们肉眼完全看不出来，但是，对于高频场景下的高速电子而言，无异于在崎岖不平的山路奔跑，会转化为极其恐怖的能量损耗与发热。这意味着，信号根本传不远。

如果你真的把导体表面打磨至原子级平整，那么，又要面对缺乏附着力的问题。在很多场景（例如半导体封装）中，铜是需要和树脂基板等材料进行贴合的。太过光滑，会导致这些材料根本粘不上，直接脱落。

所以说，趋肤效应，在高频通信与高速互连领域，已成为制约性能提升的关键物理瓶颈。

5G毫米波通信、数据中心通信、高速PCB设计及超导磁体等领域，都面临这个问题。

最具代表性的，就是这个数据中心通信。

现在AI这么火爆，带动了智算中心和智算集群。这些场景，对数据传输速率和带宽需求呈指数级增长。从400G到800G，再到1.6T，甚至正在规划3.2T互连方案。

如果采用电通信、铜连接，就会面临严峻挑战。现在业界拼了老命，才把（SerDes和ASIC交换芯片的）极限速率推进到224Gbps级别。在这个级别，电信号传输短短1厘米，就会产生高达几个dB的衰减。

相比之，如果采用光纤通信，传输1厘米的损耗小于0.2dB。光通信的工作频率，可是远远高于100GHz的，达到184~353THz（太赫兹，1THz=1000GHz）。

电信号对比光信号，在波的传输效率上差了1000倍，频率差1000倍，传输距离差1000倍。换做是你，该怎么选？

显然是选光通信。所以，这就是光进铜退的核心驱动力，也是发展CPO（共封装光学）等技术的主要原因。

CPO技术，是将光引擎与交换芯片直接集成在同一封装基板上，从而最大限度压缩电信号在铜互连中的传输距离——从传统可插拔光模块的数米，压缩至厘米级甚至毫米级，使电信号仅需在芯片封装内部完成最后一段“冲刺”，以规避趋肤效应带来的严重衰减与失真。

光信号完全取代电信号，目前还做不到。因为计算芯片仍然是电信号，光计算还很遥远，光电转换暂时不可避免，只能尽量压缩整个通信过程中的电占比。

英伟达的NVL72超节点，采用铜连接和电信号，是迫不得已。一方面，光通信技术还未吃透，成本（光模块）也比较高，另一方面，电通信勉强还能死撑。NVL72只有一个机柜，电信号的传输极限，无法支撑更远距离（跨机柜）的互连需求。

华为的昇腾384超节点，采用光通信，所以可以实现跨机柜互联，组成16个机柜的规模。但是，百米级（一个模块化机房的范围）也是极限了。再远的话，难度也很大。

英伟达现在花了很大的资源在CPO技术上，还收购了光通信企业，就是希望打造顶级的Spectrum-X系列CPO交换机，解决AI算力集群通信问题和规模问题。

█最后的话

好啦，以上就是关于趋肤效应的介绍。看到这里，大家应该明白了，光通信爆炸式发展的底层逻辑，就藏在趋肤效应里。（当然了，电信号还包括信号串扰等其它缺陷。）

在当前的需求背景下，电信号往高频发展是必然趋势。而趋肤效应，是无法绕开的物理极限。因为克服不了这个物理极限，所以，我们才不得不转向光通信与CPO等创新架构。

趋肤效应带来的电阻剧增、信号衰减与相位畸变，在电芯片中也同样存在。半导体封装的很多关键环节，也受到趋肤效应的制约。

我们不得不好奇——如果趋肤效应是电信号无法克服的死结，而光信号是最优解，那么，未来，我们什么时候可以实现光计算的商业化？光计算会取代电计算吗？还是说，会有别的什么量子计算、生物计算，抑或更底层的核心技术革命？

文章转载自“鲜枣课堂”公众号