散热破壁：AI算力的冷却革命（八）微通道冷却与先进封装的融合

随着AI芯片持续突破功率密度极限，微通道冷却技术凭借其卓越的散热能力和紧凑的结构，正日益成为高功率密度器件散热的主流解决方案。

行业研究及技术报告指出，“微通道冷却正逐步成为高功率密度电子设备热管理的主流方案。”与传统风冷或标准冷板相比，微通道液冷的散热能力显著更高，并可针对热点管理进行定制化设计。这些优势正推动其在高性能计算服务器、数据中心及其他高功率系统中的广泛采用。

事实上，多家领先企业已在其下一代GPU和AI加速器中引入微通道冷板，其支持的热通量密度可达每平方厘米数百瓦至一千瓦以上。

尽管传统冷板在低功率应用中仍具备成本效益与结构简单性，但它们已无法满足未来数十至数百瓦/平方毫米的散热需求。在此条件下，微通道冷却几乎是唯一可行的解决方案。因此，可以预见，微通道冷却将取代传统冷板与均温腔，在未来数年内成为AI芯片的主流热管理策略。

韩国科学技术院近期在一场报告中指出，随着3D堆叠与异质整合技术的兴起，芯片封装日趋复杂，对热管理提出了更高要求。近期研究已开始探索将微通道结构直接嵌入封装层级，以提升冷却性能。

例如，一些研究团队已在先进2.5D/3D集成电路中的硅衬底或互连层内制造微通道，以实现层间流动沸腾冷却。亦有报道记载了在硅-氮化镓衬底上蚀刻微通道并进行流动沸腾实验，证明了“片上微通道冷却”的能效潜力。

类似地，可在高带宽内存与GPU之间的中介层内设计流体通道，以实现跨芯片的热量移除。

总体而言，尽管在封装层级集成微通道需要解决封装可靠性与互连密度等挑战，但其技术可行性已通过早期原型得到验证。因此，在3D堆叠架构下，将微通道集成至封装层正成为一种前景广阔的热解决方案。

微流体冷却与基于制冷剂的直接液冷各有独特优势。目前，水基微流体冷却因其成熟的系统架构、高效率以及与现有数据中心冷却基础设施的兼容性，在高性能计算领域得到广泛部署。

相比之下，基于制冷剂的冷却方式传热系数更高，对环境温度敏感性较低，适用于特定应用场景。然而，它通常需要使用特殊的绝缘流体，且系统设计更为复杂。现阶段断言哪种技术将主导市场为时尚早。可能的情景包括：

·基于制冷剂的两相冷却将应用于极端环境、超高功率应用或对清洁度要求严苛的场景。

·水基微通道冷却凭借成本与维护优势，将在商业数据中心和AI加速器集群中继续保持更高普及度。

简言之，两种技术均具备大规模商业化潜力，具体选择取决于应用需求、成本考量及安全因素。

硅光技术与共封装光学器件正日益紧密地与电子设备集成，其本身也具有显著的热管理需求。研究已开始探索集成热管理与光学互连功能的多功能衬底。

例如，可以考虑在承载硅光波导的硅中介层中蚀刻微通道，使流体冷却通道紧邻光波导布置，从而实现热管理与光信号路由的同步进行。

事实上，一些研究已为共封装光学模块设计冷却板以管理光学模块热负载，但这些通常是在宏观冷板层面实现，而非在衬底内部。为实现真正的衬底级热光集成，必须解决工艺兼容性挑战。

尽管仍处于探索阶段，但技术趋势表明，微通道冷却与光学互连可能在封装层级协同演进，催生兼具高带宽光子互连与高效散热能力的电光混合衬底。当单芯片或模块功率超过数千瓦时，现有的微通道技术需融入更多创新以维持稳定的热性能。

相变材料（PCM）能吸收短期功率尖峰并逐渐释放热量。例如，可将微封装相变材料或相变流体嵌入热点附近，以平滑热瞬态并抑制结温峰值。

两相流控制也将愈发关键。这包括对气泡生成、流体回流与流量分配的精确管理，可能利用电磁场或微电极主动控制沸腾动力学。通过将微型流量与温度传感器阵列嵌入冷板内部，可实时监测局部工况，进而由微控制器动态调节泵速或流量分配，实现自适应热管理。

针对极端热通量场景，研究已开始将新型高导热材料与开放式微通道结构相结合，即使在超过1000 W/cm²的热通量下也能稳定运行。简而言之，为应对5000W以上时代，需在以下方面进行创新：

·微通道结构设计

·先进材料集成

·流体管理策略

·系统级智能控制

研究表明，将新一代热管理材料与优化的微通道几何结构相结合，可极大提升极端条件下的冷却稳定性。

微通道冷却技术通过微米级流道显著提升了传热效率与热通量处理能力。尽管制造挑战因材料与集成策略而异，但微通道注定将与先进封装技术深度融合。

通过运用新材料、创新架构及智能控制，微通道冷却有望为下一代AI芯片提供高效、可靠且可扩展的热管理解决方案 

原文媒体：Semi Vision

原文链接：

https://tspasemiconductor.substack.com/p/tsmc-x-nvidia-breaking-the-thermal