來源：集微網

隨著芯片向高密度、高集成和高算力迭代，其功率及功率密度正不斷飆升，同時“高熱密度”成為高功率半導體技術發展的重大瓶頸。鑒于芯片功耗持續增加，液冷散熱技術愈發受到重視。但由于成本較高以及方案復雜，目前水冷板技術距離業界理想的散熱方案還有一定距離。此外，業內采用被稱為“茅臺”的氟化液浸沒式液冷技術方案的成本也居高不下。

理論而言，芯片的溫度越低壽命就會越長，同時性能越穩定。但若要實現更低的芯片溫度，產業界所需要付出的散熱代價太高，目前還沒有達到提升性能同時兼顧成本的平衡點。對此，針對各種散熱材料、散熱技術以及應用場景，業界可以采用不同的技術組合或合作開發相關產品，從而在現階段成本可接受的條件下探索出最優化的解決方案。

無論如何，隨著散熱痛點和熱管理需求愈發明顯，業界資本、產業企業正不斷加大對相關技術方案的投入，推動針對超高密度的芯片及模組演進出更完善的技術方案。目前來看，國內部分企業已經在高功率密度芯片散熱和先進封裝散熱技術等方面已有建樹。但為了避免被“卡脖子”，還需要業界在材料、散熱結構、設計和成本等各產業鏈環節攜力布局。

破局瓶頸 尚欠火候

既然散熱已經成為芯片等電子信息產品的重大痛點，這一產業便還有很長的路要走。

中科創星董事總經理盧小保表示，雖然電子信息領域對散熱新技術和更強的散熱能力有非常迫切的需求，但是供應端提供的技術能力還遠遠不夠。“在散熱技術發展演進上，早期PC機可能只有幾瓦（W）到十幾瓦時，給芯片上貼一個散熱片就能把大面積的熱量帶走。后來隨著功耗瓦數增加，就需要在散熱片上面加一個風扇去吹，這種技術方案叫做風冷散熱，而且大多數情況可能都會用經濟性和實用性比較好的銅材或鋁材去做。”

“當功耗達到幾十瓦上百瓦時，就需要采用熱管將熱量從芯片上導出，待熱量擴散到更大的散熱翅片上后再用風扇去吹，這其中涉及了相變吸熱、熱傳導和熱對流組合技術方案。迄今為止，PC和服務器中絕大部分都是采用這種方案組合，即熱管加鰭片及風扇。但當CPU的功耗逐步達到300瓦、500瓦甚至800瓦時，就打破了熱管加風扇的散熱能力極限值。由于采用多年的熱管加風扇方案已經無法適應行業發展，這時就不得不采用水冷板等液冷散熱技術。”盧小保說。

他進一步表示，由于芯片功耗持續增加，水冷板等新興的散熱技術方式正愈發受到重視。相比熱管加鰭片及風扇的風對流，水冷板采用水的對流方式，通過水流做熱交換帶走熱量的速度更快、效率更高。但鑒于成本比較高以及解決方案較復雜，水冷板技術目前還沒實現規模數量級的增長。不過，其在一些高功耗的應用場景也成為必選項，因為業界還沒有更理想的解決方案。

至于另一種采用氟化液的?沒式液冷技術方案，就是把整個服務器泡在氟化液里面。雖然這種方案會進一步加強散熱能力，但氟化液號稱“茅臺”，從而使得氟化液的成本比服務器都高。因此，當數據中心圍繞氟化液去做開發建設時，散熱這個配角反而變成了開發投資的“主角”。

此外，國內散熱技術廠商廣州力及熱管理科技（NeoGene Tech）創始人陳振賢亦認為，在后摩爾時代，隨著芯片功率越來越高，散熱器設計結構的熱阻值已漸漸無法適應行業的發展需求。“通常一顆芯片會定義其溫度限值，比如英特爾、AMD等定義其芯片的外殼溫度不能超過85度，其實半導體芯片的節溫(Tj)已超過此溫度，而且通常需控制不超過105度，這是因為半導體芯片的封裝中存在各種材料的層層熱阻。”

“假設環境溫度是25度以及芯片功耗為600瓦，如果散熱器熱阻值(包含介面材料)為0.1，芯片與環境溫度的溫差是60度，芯片外売溫度剛好是85度。而一旦芯片功耗超過600瓦達到1000瓦時，同樣使用熱阻值0.1的散熱器，芯片與環境溫度之間面臨的溫差就變成100度，芯片外売的溫度將高達125度，芯片的節溫(Tj)更高于此。”

陳振賢補充道，芯片功耗瓦數越來越高會使溫差越來越大，進而超過芯片外殼定義的溫度，這就當前的散熱瓶頸所在，因而需要設計并制作出熱阻值更低的散熱器。“當高算力芯片跟功率掛鉤時，以現有的微流道水冷板技術大概在500瓦是一個分界點，浸沒式會在600瓦左右面臨瓶頸。但問題是如今AI芯片的算力和功耗越來越大，正在突破這一極值。另外，AI芯片的熱設計功率超過千瓦級的產品即將發生。”

對此，盧小保進一步表示，CPU所在的服務器空間長期高于室溫度，其穩定性和壽命可能都會受到影響。理論上來講，常溫條件下CPU的溫度越低壽命就會越久，同時性能越穩定。但如果要實現更低的CPU溫度，產業界所需要付出的散熱代價太高，還沒有達到提升性能同時兼顧成本的平衡點。目前，數據中心維持在二三十度，還可以容忍對相關散熱技術付出的成本。如果將來有更好的技術，而且成本并不是很高，應用者的采購意愿應該比較強。

升級長板 兼攻短板

從發熱的芯片到器件到最終產品，可謂每一個層級和環節都存在散熱需求，因而其中涉及不同的支撐材料、界面材料、底層材料。同時，應用不同的散熱技術或應用場景不同，相關技術路線和解決方案也不同。而這其中勢必潛在各種發展機遇與不同技術挑戰。

在盧小保看來，散熱技術的核心要素包括芯片本身產生多大瓦數的熱、單位面積上的熱流強度大小，以及熱量可以在多少的距離內擴散到多大的體積上。由于PC、手機和服務器等不同應用終端對于熱的痛點或散熱需求不同，采用的技術方案差別也非常大。其中，PC、服務器的體積更大、產生功耗瓦數更高，需要采取更復雜的散熱技術。而手機由于集成度更高，某種程度在體積上就限制了芯片瓦數不能太高。

通常情況下，散熱是把一個熱能非常高的出熱或產熱點的熱量擴散到更大空間，這個熱傳遞過程是串行的，而且當中任何一個環節都可能會成為熱瓶頸。對此，盧小保闡述稱，“散熱是一個逐級傳遞的體系，比如從產熱點A到B到C到D到E再到F，如果AB之間、BC之間、CD之間的傳遞效率低了，可能最終結果就是A到F的散熱效率不夠高。所以各個環節都需要不斷提升散熱的能力，使之避免成為整個通路上的瓶頸點。”

隨著芯片向高密度、高集成和高算力迭代，無論是芯片還是整個模組，其功率及功率密度將不停飆升。陳振賢表示，“為了達到終極集成度，芯片勢必朝SoC發展，模組則朝MCM發展。IC及模組功能越來越強大、功率越來越高，‘高熱密度’的解熱及散熱顯然已成為高算力芯片技術發展的瓶頸。針對超高密度的芯片及芯片模組(MCM)，勢必也將發展出一套可持續性發展之終極的解熱及散熱技術方案。”

與此同時，作為芯片的重要散熱環節，先進封裝也正面臨愈發嚴峻的挑戰。

芯瑞微創始人、董事長兼CEO郭茹表示，“在整個與電相關的電子系統方面，無論是3D集成的先進封裝還是電子信息設備，它們的集成度越高產生的熱源就越多，同時熱源與熱源之間會因為溫差產生熱流，以及內置的風扇也會帶給其它部件額外的熱。由于傳統設計集成度不高，工程師在設計和仿真中并沒有考慮復雜場景下的熱分布，從而無法準確計算這些熱量對整個系統的不同程度影響。因此，對后摩爾時代采用先進封裝堆疊的芯片以及高集成高密度設計的系統而言，散熱技術都已變得越來越至關重要。”

作為電子信息產品領域的重大痛點，散熱技術的系統提升顯然需要找準對策。盧小寶指出，“解決散熱問題的思路就在于克服瓶頸，即在ABCDEF中任何一個環節開始出現瓶頸，就想盡一切辦法把它解決掉。但可能某個環節不是瓶頸，而且有很好的技術可以把它的能力大幅提升，那么這部分就可以做成長板。總體上，任何環節都可以開發出很多東西提升散熱能力和效率，但其中既要做長板也要補短板，進而打破產業瓶頸。”

同時，針對各類不同應用場景，業界可以采用不同的基底材料、界面材料、散熱器件等各種技術組合去開發散熱方案，最終在現階段成本可接受的條件下找出最優化的解決方案。

為此，中科創星已經對散熱領域進行諸多布局，其中涉及產業鏈的多個環節，包括圣榮元（環路熱管）、力及熱管理（兩相流極致散熱技術方案）、江西國化（氟化液散熱）、中科原子（微通道）、鉅瓷科技（ALN陶瓷粉體和陶瓷結構件）、中科皓燁（氮氧化鋁）、彗晶新材料（界面材料）、芯瑞微（多物理場仿真-熱仿真）和墨光新能（輻射制冷）等。盧小保表示，在布局戰略方面，中科創星主要專注的是技術創新型企業。未來，由于散熱痛點勢必會持續存在很多年，中科創星將不斷加大對相關創新技術的布局。

迎熱而上 砥礪建樹

在推動國內散熱產業發展方面，資本顯然與技術、人才等元素作為核心支撐之一。目前，通過精準布局，中科創星投資的上述國內企業均展現出不俗實力、影響力以及有力發展勢頭。

其中，力及熱管理（NeoGene Tech）開發的牛勁冷泵（NeoGene Cooling Engine）技術是一種嶄新的高功率密度芯片解熱技術。陳振賢表示，牛勁冷泵為實現適用各種場景，其元件尺寸可大可小、可高可低、可胖可瘦，將以三種不同的應用方式呈現在液冷散熱的產品線上，包括冷板式液冷散熱器、算力芯片的IC封裝模組和浸沒式液冷的熱消散器。在功耗上，單顆算力芯片的TDP300W~1500W都是目前牛勁冷泵技術的解熱及散熱服務范圍，同時單芯片1500W~2000W的應用的技術也已在開發路線圖中。

另一方面，Al算力芯片及AI服務器散熱需要的不只是一時的解決方案，整個產業尋求的將是一個具有隨著功率飚升而仍可持續性發展的嶄新解熱及散熱技術平臺。

陳振賢進一步表示，NeoGene Tech迄今已建構完成專為高功率芯片及電子電路系統的解熱與散熱，提供一種基于結合三維兩相流循環及液冷循環的高效熱管理技術平臺。“牛勁冷泵液冷散熱技術加上具有三重液冷循環之服務器設計，對于2000W以上的芯片解熱及散熱技術平臺已準備就緒，實已領先美國能源部與英特爾的合作開發計劃。”

他還稱，NeoGene Tech創立三年多來，已開發的創新硬核技術包括，全世界最薄的兩相流循環蒸氣腔技術(PWS/MagicWick-lnside VC)、具不同工質兩相流循環的四季均溫板技術(FSVC)，以及全世界解熱功率最高的三維兩相流循環蒸氣腔崁入式液冷散熱技術(牛勁冷泵液冷散熱器)。NeoGene Tech已為這三項創新技術累積申請了超過130篇的發明專利。目前，這些硬科技可廣泛應用于智能手機、平板電腦、AR/VR、電動車、機器人、通訊交換機、數據中心服務器和高算力芯片冷卻封裝等眾多場景以及極端解熱和散熱應用。

在先進封裝領域，芯瑞微則看準芯片系統高集成、高功耗密度和小型化下的風口以及實驗室數據愈發捉襟見肘，探索開發出了散熱仿真工具——Turbo T。據悉，其可以深入到芯片內部，從而促進細微的跨尺度結構做更多計算。此外，Turbo T仿真場景涵蓋了芯片級、PCB級到電子設備級所有的場景，在物理場方面可實現對流換熱、輻射換熱和導熱等。

對于產品開發路徑和策略，郭茹表示，Turbo T是基于芯瑞微的行業積累和客戶一些最先進的訴求應運而生。針對多源異構封裝熱源分布多且分布不均勻等問題以及不同的應用場景，芯瑞微采用了新的工藝和結構布局，創新型的將“熱、流、固”算法耦合起來，包括做了涉及多個學科的溫度分析、熱應力分析解決方案，以及解決了很多跨尺度、多場景耦合等問題，進而使Turbo T產品在新型散熱領域中與客戶的應用場景需求保持一致性。

在保持行業競爭力方面，芯瑞微主要從兩個方向入手。郭茹闡述道，“第一，公司在預判技術發展趨勢和開拓新興研發方式方面落地比較早，比如在2020年年初時就做了熱產品的研發規劃，從而形成了更好的行業技術積累。第二，通過與各類客戶深度融合在一起，公司能夠了解到最關鍵的訴求和痛點是什么，然后根據它們的應用場景不斷做產品升級迭代。”

簡而言之，將整個產業技術的發展創新趨勢與公司產品發展方向相結合，是芯瑞微能夠實現領先的非常重要原因。郭茹還稱，“未來，芯瑞微會持續加大在散熱領域的布局。除了Turbo T散熱仿真工具之外，我們也在進一步研究基于數據和模型雙驅動的散熱算法，開發適配高復雜度模型的一些軟件等，以實現從集成電路進入到智能制造、新能源等更多行業，最終形成從芯片級、PCB板級到設備級的全尺寸解決方案。”

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