风冷水冷还不够，片上水冷直接在3D芯片中挖水道导热

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各类处理器的性能越来越高，让人们在使用电子设备时的体验也随之升高，但是高集成度带来的副作用之一就是巨大的发热量。再加上电子产品在高性能、高功率化的同时，还向着超薄、微型化发展，电子元件散热空间越来越小，单位面积内产生的热量却越来越多。


芯片散热的不同方法

研究表明，几十年来计算机发热密度一直呈指数级增长，如果热量不能及时散出，则会导致器件中自由电子和金属原子动能显著增加，碰撞概率加大，带来“电子迁移”效应令计算机不能正常工作。美国国防先进项目研究署（DARPA）甚至还对此动员了国家实验室和著名大学等科研机构，进行了针对性的研究，主要分布在固体和流体散热技术两个领域。
早期PC行业普遍对高端CPU、GPU等发热量大的器件，采用导热硅脂涂抹，加装散热鳍片、导管以及风扇的风冷方式散热，这属于固体散热（导热）的范畴。对于超频爱好者来说，风冷已经不能满足他们，所以将芯片浸泡在循环非导电液体水冷散热，甚至超低温液氮中成了一个更为高效的选择，这就属于流体研究的领域。

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导热材料散热工作原理示意图

对于服务器机房这种热源集中地，数据中心24小时冷气是最基本的，很多业界巨头还会将数据中心建在寒冷的高纬度地区，甚至放进海中或者将设备浸泡在特殊液体、压缩气体里，提高散热的效率。
大型设备散热可以不考虑体积，但手机等便携式设备可不行。目前智能手机中的发热源除了SoC，还有屏幕、射频前端、摄像头模组及电池，且紧凑的结构让废热更加难以导出。市面上智能手机散热的方案主要有：导热凝胶、石墨片、石墨烯、均温板、热管等，5G的到来带来了加倍的射频器件，也带来了更多的热，手机散热需求出现井喷。


芯片堆叠时代，“中间楼层”降温不易

但不管单纯的物理导热，还是风冷、水冷、液氮散热解决方案，都是导热介质接触芯片内封装层（Die），只能对直接接触面散热。这种方式也会给芯片顶层带来压力，因为整个芯片的热量都要从硅芯片传导到内部导热材料，再传导到芯片Die，最后才能集中通过导热介质传输到散热器散发出去。若未来芯片大量采用垂直3D堆叠技术，大量集体管集中在芯片中间，这些散热效果就会大打折扣。另外水冷的方法需要加装较复杂的外部设备，不适合在轻薄型设备中使用，价格也十分昂贵，不适合普通消费者。

                               
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据Hardwareluxx报道，近期台积电（TSMC）在VLSI研讨会上，展示了对片上水冷的研究，作为新的散热解决方法，涉及将水通道直接集成到芯片的设计中。 这个理论很简单，有些类似CPU散热器中内嵌微热管的方式，不少玩家曾经无数次幻想过的这样的微热管也能存在于芯片里，但对于本就不宽敞的芯片内部而言实现起来极其困难。

                               
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台积电开展这项研究的背景如我们之前所述，芯片设计的复杂化以及工艺制造技术的发展，带来了更紧密的工艺和垂直3D芯片堆叠等技术。缩小芯片体积让晶体管之间的空间被压缩得更厉害，以往的多重传导聚顶式散热已经不能满足要求了。

                               
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三种片上水冷，三种硅上水道

据tom’s Hardware报道，台积电的研究人员认为未来的解决方法是让水在夹层电路之间流动，为此他们对三种不同的硅水道做了相关的模拟试验：一种只有直接水冷 (Direct Water Cooling，DWC)，作为制造过程的一部分，水有自己的循环通道直接蚀刻到芯片的硅片中；另一种设计将水通道蚀刻到芯片顶部自己的硅层中，使用 OX（氧化硅融合）的热界面材料 (Thermal Interface Material，TIM) 层将热量从芯片传递到水冷层；最后是一种将 OX 层换成更简单、更便宜的低熔点液态金属热界面材料（Liquid Metal TIM，LMT），这种属于没有水道的方式。

                               
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台积电在报告中说，结果显示第一种方法最好，因为水道直接蚀刻在芯片本体中国。其次是第二种方法，因为第二第三种都是在硅芯片表面再加了一层带水路蚀刻的硅材料，用导热材料粘接，效果是要打些折扣。

                               
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台积电还在受控实验室条件下对虚拟半导体进行了测试。如上图所示，一种热测试载体 (Thermal Test Vehicle，TTV)本质上是一种由铜制成的加热元件，本身有温度传感器。加热元件的表面为 540 mm²，TTV 的总面积为 780 mm²。TTV 在它自己的基地中被拉伸，这使得电力供应、供水和排放以及传感器的连接成为可能。小编觉得引入温度传感还有一个作用是，需要在25°C的恒温下引入水，以免出现芯片过热时突然遇冷“炸锅”。

                               
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台积电在可控条件下测试了三种硅水通道的集成：一种是基于柱状结构的通道，水可以在有源半导体柱周围流动以冷却它们（想想岛屿周围的水）；以沟渠设计为特色的设计（想象一条被河岸控制的河流）；在硅芯片的其余部分上安装一个简单的平坦的水通道。水通过一个外部冷却机制，将水通过硅芯片的过程冷却到25ºC。

                               
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从台积电的报告可以看出，目前最好的解决方案是直接水冷方法，它可以消散高达2.6千瓦（kW）的热量，提供63 ºC的温度差。第二好的设计自然是基于OX TIM的设计，它仍然可以散去2.3千瓦的热量，提供83 ºC的温度差。液态金属解决方案排在最后，仍能散发出1.8千瓦的热量（温度差为75 ºC）。在所有的水流设计中，柱式设计是迄今为止最好的。

                               
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当然，只靠芯片内这一点水流是不足以令其降温的，最终芯片内的“河流”还是会把内部深处的热量带到表面，由散热器或外部水冷系统散发到空气中。其本质在于将原本芯片上层的散热层“打薄”并将导热材质分散到内部各层中，让芯片中热源不再依赖硅晶本体传导热量的，减小电子迁移给处理器性能带来的负作用。


结语

早在20世纪初，英特尔公司迫于奔腾处理器的发热量过大问题，不得不放弃增加工作频率来提高处理器计算速度的做法，转而走双核路线，但双核的奔4功率居然也高达200W左右。当时还在英特尔担任首席技术官的帕特·盖尔辛格 (Pat Gelsinger)放话，如果芯片耗能和散热的问题得不到解决，当芯片上集成了2亿个晶体管时，就会热得像“核反应堆”，2010年时会达到火箭发射时高温气体喷射的水平，而到2015 年就会与太阳的表面一样热。
如今，各大厂商已经把单颗芯片上的晶体管堆上了百亿级别。英伟达（NVIDIA）的A100加速器连同HBM2E和作为SXM4模块，已经有高达500W的废热；英特尔的Xe-HPC芯片Ponte Vecchio甚至有高达600W的余热。但主流空气强制对流散热方案，也只是在散热器的结构和材质上做文章，并没有深入芯片内。虽然也有科学家在研究纳米微气流冷却、热电/热声冷却、光子主动冷却等黑科技，但真正能大规模商用的几乎没有，英特尔、AMD、英伟达以及后来的手机处理器厂商高通、苹果等，只能从优化架构、提升工艺甚至软件降频上去减小发热量。
据悉，今年底AMD就将使用 3D V-Cache 作为处理器的附加 SRAM，这些额外的高功耗缓存将直接位于现有的 L3 缓存之上，而不是位于 Zen 3 核心之上，不能直接接触散热器将使冷却它们变得异常困难。AMD会不会用上台积电提出的芯片内“水道战”冷却解决方案？小编估计还没这么快，实验室中的技术离商用可能还有数年时间。但这绝对在晶体管密度持续增加、每区域性能指标持续改进的大趋势下，未来 3D 堆叠芯片设计需要考虑的散热方向之一。

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