文丨寄語

　　半導(dǎo)體市場如火如荼：臺(tái)積電3nm被瘋搶，英偉達(dá)即將推出的 Blackwell 處理器在未來 12 個(gè)月內(nèi)已經(jīng)銷售一空，全球半導(dǎo)體市場月度銷售額連續(xù)五個(gè)月增長……

　　AI泡沫疑云，似乎不攻自破？

　　與此同時(shí)，一些芯片問題則變得越來越嚴(yán)重，曾經(jīng)基本被“無視”的軟性指標(biāo)，現(xiàn)已成為芯片設(shè)計(jì)中的重要考量因素。

　　溫度是影響電子產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素，電子設(shè)備發(fā)熱的本質(zhì)原因就是工作能量轉(zhuǎn)化為熱能的過程。

　　半導(dǎo)體工作過程中，過高的溫度不僅會(huì)影響芯片的性能和穩(wěn)定性，還會(huì)對(duì)整個(gè)電子系統(tǒng)的可靠性造成威脅，縮短其使用壽命。

　　隨著時(shí)間的推移，產(chǎn)品性能將逐漸變?nèi)?a >leyucom樂魚官網(wǎng)。芯片過熱將導(dǎo)致靜態(tài)功耗在芯片總耗能總占比越來越高、短路或斷路、電化學(xué)反應(yīng)腐蝕、器件炸裂等現(xiàn)象，具體看來，過熱將導(dǎo)致：

　　1、性能下降：溫度過高將會(huì)導(dǎo)致芯片性能下降，甚至出現(xiàn)死機(jī)、藍(lán)屏等故障。

　　2、可靠性降低：高溫將加速電子元件的老化，縮短設(shè)備的使用壽命leyucom樂魚官網(wǎng)。

　　3、安全性隱患：極端情況下，過熱將可能引發(fā)火災(zāi)等安全事故。

　　4、能源浪費(fèi)：消耗過多的電力不僅增加運(yùn)營成本，更加劇能源危機(jī)。

　　隨著算力需求增長，芯片集成度和功耗不斷提高，如何在保證芯片性能的前提下，有效解決散熱問題，已經(jīng)成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。

　　硅芯片由多種材料封裝而成。

　　PBGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

　　可以看出，芯片包含了多種不同材料，而封裝材料的熱膨脹系數(shù)則各不相同。

　　由于芯片被強(qiáng)制焊在單板上，溫度變化將導(dǎo)致的熱應(yīng)變被限制在固有的空間內(nèi)，芯片內(nèi)部便會(huì)出現(xiàn)擠壓、拉扯。

　　這些相互之間的作用力，在長時(shí)間的積累下，可能造成材料產(chǎn)生機(jī)械裂紋，以至芯片失效。極端情況下，會(huì)瞬間誘發(fā)斷裂，造成芯片永久性損壞。

　　過高熱量給芯片帶來帶來的不良影響已經(jīng)不容忽視，為解決高性能計(jì)算設(shè)備中的熱管理問題而設(shè)計(jì)的散熱技術(shù)，通過直接在芯片或處理器表面移除熱量來優(yōu)化設(shè)備性能并延長使用壽命。

　　隨之而來的是，散熱技術(shù)的硬件升級(jí)已經(jīng)成為“剛需”，散熱方式從自然風(fēng)冷、空調(diào)風(fēng)扇，散熱片，繼而發(fā)展到了液冷技術(shù)。

　　芯片制程的不斷微縮，大大加劇了散熱困境。明顯可以看到，高性能算力芯片的功耗正在加速上升。按照傳統(tǒng)散熱經(jīng)驗(yàn)，芯片的散熱密度存在物理極限，每平方毫米芯片的散熱能力約為 1 瓦。

　　隨著芯片功率的不斷提升，超過300W后，使用傳統(tǒng)的散熱器進(jìn)行散熱，效果已經(jīng)不明顯。

　　當(dāng)芯片進(jìn)入 10 納米以下，例如英特爾和 AMD 等芯片巨頭則紛紛采用液冷均熱片來解決發(fā)熱問題。

　　以2024年英偉達(dá)推出的B200GPU為例，功耗達(dá)到1000W，已經(jīng)突破了風(fēng)冷的散熱極限，只能采用液冷技術(shù)。液冷散熱技術(shù)被認(rèn)為是AI時(shí)代的理想散熱方案。

　　全液冷的節(jié)能優(yōu)勢(shì)非常明顯。據(jù)數(shù)智前線，要實(shí)現(xiàn)1000kW散熱，如果完全使用傳統(tǒng)風(fēng)冷空調(diào)，需消耗約500kW電能；而全液冷散熱則僅需消耗約30kW電能。節(jié)能高達(dá)90%以上，液冷占比越高，則節(jié)能收益越明顯。

　　節(jié)能不僅保護(hù)電子產(chǎn)品性能，更能直觀的節(jié)省一大筆日常運(yùn)營成本中的電費(fèi)支出這一項(xiàng)。

　　功耗越大，液冷的價(jià)值就越大，倒逼產(chǎn)業(yè)對(duì)液冷的需求升級(jí)。散熱技術(shù)演化的背后，是芯片技術(shù)的不斷迭代。

　　液冷技術(shù)通過將液體（如水或礦物油、氟化液等絕緣低沸點(diǎn)的冷卻液）作為傳熱介質(zhì)，利用其高熱容量和高導(dǎo)熱性，通過熱交換將芯片產(chǎn)生的熱量迅速排出。完全絕緣、無腐蝕性的冷液，具有更高的散熱效率和更低的能耗。

　　圖源：2023通信機(jī)房與數(shù)據(jù)中心冷卻技術(shù)及設(shè)備藍(lán)皮書

　　液冷系統(tǒng)通常由冷卻液管路、冷板或散熱片、泵和散熱器組成，冷卻液吸收熱量后被送到散熱器，再通過空氣或水冷的方式散熱。

　　此外，液冷技術(shù)中的均熱片作為散熱器的輔助組件，通過將熱量均勻分布到整個(gè)散熱器表面，進(jìn)一步提高散熱效率。

　　隨著雙碳戰(zhàn)略政策落地，提升功率密度并降低PUE（即電源使用效率，評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)中心能源效率的指標(biāo)，越接近1越優(yōu)）的設(shè)計(jì)要求已成為大勢(shì)所趨。

　　但液冷系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上較風(fēng)冷系統(tǒng)更為復(fù)雜，且成本較高，對(duì)安裝和維護(hù)的要求較高，物理空間占用較大。此外，若系統(tǒng)出現(xiàn)泄漏，可能導(dǎo)致設(shè)備損壞。

　　AI的星辰大海，實(shí)際上是靠能源、芯片共同堆疊的大基建工程。

　　先進(jìn)算力有多耗電，用8000張H100訓(xùn)練100天，需要消耗2600萬度電，這意味著三峽一天的發(fā)電量，或上海一天用電量的5%。

　　液冷技術(shù)在優(yōu)化電子系統(tǒng)壽命的同時(shí)，在節(jié)能減排方面表現(xiàn)出色，更是在助力雙碳的路上一路狂奔。降低能耗，或?qū)⒊蔀槲磥鞟I投資不可或缺的一個(gè)方向。

　　隨著AI技術(shù)的進(jìn)一步普及，液冷將逐步取代傳統(tǒng)的風(fēng)冷，成為高性能計(jì)算的主流散熱解決方案。

　　未來，隨著AI、3DIC、先進(jìn)封裝及其它新興技術(shù)的不斷推進(jìn)，芯片的性能和功耗將面臨更大挑戰(zhàn)。

　　如何有效管理和降低芯片的熱量問題，將是行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要課題，未來或許有更佳散熱技術(shù)的出現(xiàn)，助力滿足不斷增長的高性能計(jì)算需求，我們期待。