芯片高温危机：探寻高效散热的新路径

在当今科技飞速发展的时代，芯片作为电子设备的核心，其性能提升与散热问题的矛盾日益凸显。随着晶体管数量的持续攀升，我们正逐渐逼近硅的物理和热极限。晶体管尺寸不断缩小，漏电流增大，每平方毫米产生的热量难以有效消散。近年来，业界已将目光转向先进的封装技术，如小芯片、3D 堆叠和中介层，以此来突破这些限制，而非强行推进晶体管尺寸的缩小。如今，芯片性能的提升更多地依赖于巧妙的架构设计、互连方式以及热设计策略。

为了深入探究这些涉及热量和计算机在纳米尺度上工作方式的物理问题，本文将详细介绍热量的基本科学知识、热量在电子器件中的产生方式和原因，以及我们为控制热量所开发的各类方法。

热的基础知识

从物理学角度来看，热量是构成世界的原子和分子的随机运动。当一个分子的动能高于另一个分子时，我们称其温度更高。当两个物体相互接触时，热量会从高温物体传递到低温物体，直至两者达到热平衡，即温度趋于一致。

传热所需的时间取决于材料的热导率，热导率用于衡量材料传导热量的能力。像泡沫塑料这类绝缘体的热导率较低，约为 0.03；而铜等导体的热导率较高，约为 400。在极端情况下，真正的真空热导率为 0，钻石则具有已知的最高热导率，超过 2000。

需要明确的是，热量总是从高温区域流向低温区域，严格来说，并不存在 “冷” 的概念，只有当物体的热量低于周围环境时，我们才会感觉到 “冷”。此外，热质量代表物体对温度波动的惯性。例如，使用相同功率的暖气炉，加热一个房间比加热整栋房子更容易，这是因为房间的热质量相对较小。

我们可以通过烧水的例子来进一步理解这些概念。当打开炉子时，热火焰与较冷的锅接触，由于锅是良好的热导体，火的热量会传递到水中，直至水沸腾。烧开水所需的时间受加热方式、锅的材质和水量的影响。若用小打火机烧水，所需时间会比用炉子大火烧长得多，因为炉子的热输出更高。而且，锅的导热系数越高，水沸腾的速度就越快，若使用钻石锅，导热效果会更佳。同时，小锅烧水更快，因为其热质量较小。烹饪完成后，水会自然冷却，水中的热量会释放到较冷的房间中，由于房间热质量大，其温度变化并不明显。

芯片中的三大热源

在了解了热量的工作原理和传递方式后，我们来探讨芯片中热量的来源。所有数字电子设备都由数百万甚至数十亿个晶体管组成，晶体管本质上是每秒数十亿次开关的电控开关，通过连接它们可以构成计算机芯片的复杂结构。

这些晶体管工作时，会从开关、短路和漏电三个来源耗散功率。开关功率和短路功率属于动态热源，受晶体管导通和关断的影响；而漏电功率为静态，不受晶体管工作状态的影响。

先来看开关功率。要打开或关闭晶体管，需将其栅极接地（逻辑 0）或 Vdd（逻辑 1），但这并非简单的开关操作，因为输入门的电容非常小，可将其想象成微型可充电电池。激活栅极时需将电池充电至超过某个阈值，关闭栅极时则需将电荷释放到地。尽管单个栅极微小，但现代芯片中有数十亿个这样的栅极，且每秒开关数十亿次，每次栅极电荷释放到地时都会产生少量热量。开关功率的计算公式为活动因子、频率、栅极电容和电压的平方相乘。

短路功率方面，现代数字电子技术采用互补金属氧化物半导体 (CMOS) 技术，晶体管的排列方式确保电流不会直接流向地。但在开关晶体管时，会出现两个晶体管同时导通的极短时间，为电流直接流向地面提供临时路径。虽然可以通过加快晶体管切换速度来限制这种情况，但无法完全消除。随着芯片工作频率的提高，状态变化和瞬时短路增多，会增加芯片的发热量。短路功率的计算方法是将短路电流、工作电压和开关频率相乘。

动态功耗是超频时 CPU 和 GPU 发热的主要原因，因为超频不仅会增加工作频率，还通常会提高电压，工作频率越高，每个周期产生的热量就越多。若想降低动态功耗，可降低芯片频率或工作电压，但降低频率会影响芯片性能，而现代 CPU 的工作电压已从以前的 5V 及以上降至约 1V。

数字电子产品中产生的最后一种热量是漏电功率。实际上，晶体管并非完全导通或关闭，即使处于非导通状态，也会有微弱电流流过。随着晶体管尺寸不断缩小，漏电功率的影响愈发严重，因为阻挡电子流动的材料减少，这也是限制新一代芯片性能的主要因素之一。

如今，像 NPU 和 TPU 这样的 AI 加速器将海量计算封装在极小空间内，且通常部署在气流和功率预算有限的数据中心，这给散热设计带来了全新的重大挑战，使得高效的散热策略变得尤为重要。此外，可持续性也成为关注焦点，数据中心正积极探索液浸式冷却、热回收和低全球变暖潜能值 (GWP) 制冷剂等绿色冷却技术，以实现环保目标并控制高耗能硬件的热量。热电冷却（珀耳帖设备）虽目前属于小众市场，但近年来重新受到关注，一些制造商尝试 AIO + TEC 混合解决方案提升冷却性能。蒸汽压缩式制冷机和相变系统主要用于数据中心和极端超频环境，目前正在研究使用先进制冷剂和新型压缩机设计的紧凑、高效冷却解决方案，未来有望将亚环境冷却技术引入更主流的设备。

如何保持芯片冷却

我们知道电子产品产生热量的原因后，就需要考虑如何处理这些热量。因为温度过高会导致晶体管故障甚至损坏，所以必须消除多余的热量。

热节流是芯片内置的冷却机制，当内部温度传感器检测到温度过高时，芯片会自动降低工作频率以减少热量产生，但这并非理想的解决方案，我们需要更有效的方法来处理计算机系统中的多余热量。

有些芯片不需要复杂的散热方案，例如主板上的一些小芯片，它们本身发热量小，主板或芯片外壳可充当散热器来保持冷却。但一般来说，当功耗超过 1 瓦时，就需要考虑适当的热管理。

关键在于降低材料间的热阻，创建高效的热传导路径。CPU 和 GPU 芯片顶部配备集成式散热器 (IHS)，可将芯片内部实际硅片产生的热量分散到更大区域，从而更有效地冷却芯片。同时，在芯片和散热器之间使用优质的导热硅脂也非常重要，它能确保热量顺利从 IHS 传导到散热器。

冷却主要分为被动冷却和主动冷却两种形式。被动冷却通过简单的散热器连接芯片，依靠周围气流带走热量，适用于发热量较小的芯片，如电压调节器和内存芯片。大多数手机处理器也是被动冷却，但部分小众或游戏智能手机会使用蒸汽室或微型有源风扇来应对更高的热负荷。随着芯片性能提升，产生的功率增大，所需的散热片尺寸也会相应增大，这也是手机处理器性能不如桌面级处理器的原因之一，因为手机难以提供足够的散热能力。

当功耗达到几十瓦时，就需要考虑主动冷却，通常使用风扇或其他方法强制空气流过散热器，以承受更高的功率。为了充分发挥冷却能力，需要确保芯片产生的热量能有效扩散到散热器表面。此时，液冷和热管就发挥了重要作用。液冷装置通过高导热性导热膏将热量从芯片传递到水冷头，水冷头加热液体，液体再将热量输送到散热器散发到空气中。热管则利用相变原理，内部液体受热蒸发成蒸汽，蒸汽流向较冷一端冷凝回液体，再通过重力或毛细作用返回较热一端，其传导芯片热量的效率比基本铜管高 10 到 100 倍，常用于笔记本电脑等小型系统。

为了将芯片中的热量有效释放到空气中，散热片和散热器必不可少。它们通过薄翅片将热量分散到较大表面积，使风扇能更有效地带走热量。翅片越薄，在给定空间内可容纳的表面积越大，但过薄的翅片可能无法与热管充分接触，影响热量传递效率，因此需要在翅片厚度和散热效果之间找到平衡。

先进且独特的冷却技术

前面介绍的冷却方法主要是将热量从芯片传递到周围空气，芯片温度难以低于环境温度。若要将温度降至环境温度以下，或冷却大型物体如数据中心，就需要借助一些特殊的冷却技术。

热电冷却，即珀尔帖装置，通过消耗电力将热量从冷却板一侧传递到另一侧，利用特殊的热电材料通过电势产生温差。当直流电流流过设备时，“冷” 侧温度可降至环境温度以下，但目前这类设备效率较低且耗电，不过研究人员正在努力开发更高效的版本。

冰箱、空调等大型制冷系统利用改变流体压力来传递热量。特殊的制冷剂在闭合回路中循环，经过压缩、冷凝、膨胀和蒸发过程，不断传递热量，可将温度冷却到远低于环境温度。对于电子产品，这类系统通常作为二阶冷却系统，先将芯片热量排放到房间，再通过蒸汽压缩系统将房间热量排放到外面。极限超频玩家和性能爱好者还可使用专用冷却器或液氮、干冰等消耗品实现极致冷却。

MIT 的解决方案

近日，MIT 提出了一个芯片冷却方案。麻省理工学院林肯实验室开发了一款专用芯片，用于测试和验证封装芯片堆栈的冷却解决方案。该芯片能消耗极高功率，模拟高性能逻辑芯片通过硅层和局部热点产生热量，并在应用冷却技术时测量温度变化。研究人员可借此研究热量在堆栈层中的移动情况，并对芯片冷却进展进行基准测试。

目前，该基准芯片正由 HRL 实验室用于开发 3D 异质集成（3DHI）系统的冷却系统。3DHI 可将硅芯片与非硅芯片堆叠在一起，但射频元件发热量大、功率高，增加了 3D 集成的复杂性，因此需要这种测试能力。美国国防高级研究计划局 (DARPA) 资助了该项目，其源自 “用于 3D 异构集成的微型集成热管理系统 ( Minitherms3D )” 项目。3DHI 为关键系统带来了新机遇，如扩大雷达和通信系统探测范围、将先进传感器集成到小型平台、实现人工智能数据现场处理等。

该测试芯片由实验室多领域专家合作开发，具有产生热量和感测温度两个功能。为产生热量，团队设计了高功率密度电路，功率密度与当前及未来高性能芯片预计功率需求相当，并复制了芯片电路布局。芯片的加热器模拟了堆栈内的背景热量水平和局部热点，而温度传感元件（“微型温度计”）可读出芯片多个位置的温度。这些 “温度计” 实际上是二极管，其电流电压比会随温度变化，通过检测二极管性能可确定温度。

目前，实验室人员正与 HRL 实验室研究人员合作，将芯片与新型冷却技术相结合，并集成到 3DHI 堆栈中，以增强射频信号功率。HRL 联合首席研究员表示需要冷却相当于 190 多个笔记本电脑 CPU 的热量，但尺寸要与单个 CPU 封装相同。

为什么冷却比以往任何时候都重要

所有电子产品都需要散热，其目的是将热量从发热芯片或系统转移到低温环境。由于数字电子设备内部晶体管运行会产生热量，若不妥善管理，半导体材料会分解，损坏芯片并缩短其使用寿命。热量是电子设计师面临的难题，也是制约性能提升的关键因素。我们无法简单地增大 CPU 和 GPU 的尺寸，因为难以实现高效散热。

随着计算需求的不断增长，高效的热量管理变得至关重要，不仅对单个芯片，对整个数据中心、AI 计算集群乃至未来的量子系统都是如此。热管理创新已成为推动技术发展的核心要素。