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为什么GPU芯片需要嵌入式液冷？

为什么GPU芯片需要嵌入式液冷？

2025-08-14 10:10:17 1

英伟达（NVIDIA）芯片需要嵌入式液冷技术，主要是为了应对人工智能（AI）和高性能计算（HPC）工作负载对散热和能效的严苛要求。随着GPU计算密度和功耗的持续增加，传统的风冷方案已无法满足其散热需求。例如，英伟达的H100和H200 GPU的功耗可达1500W以上，传统空气冷却系统难以有效散热。

嵌入式液冷技术通过将微通道冷却块直接集成到芯片封装中，实现了热源与冷却介质的紧密耦合，显著降低了热阻，提高了散热效率。例如，JetCool为NVIDIA H100 GPU设计的SmartPlate采用单相直接芯片液冷技术，具有0.021°C/W的低热阻，支持高达1500W的散热功率。

此外，嵌入式液冷还具有降低能耗、降低噪音和节省空间等优势。例如，Supermicro与英伟达合作的液冷AI开发平台，采用液冷系统可降低高达40%的电力使用，提升AI工作负载效率。

一、什么是嵌入式液冷？

嵌入式液冷是把液体冷却系统“集成进”芯片或封装内，而不是像传统那样把散热器挂在芯片外边。具体来说是在CPU封装（IHS 或直接在封装外壳）上集成一个微通道冷却块，液体通过这些微通道直流热点区域带走热量。这种做法，将热源和冷却介质之间的热阻降到*低。

Intel 已在其 Foundry Direct Connect 展会上展示过原型：铜制微通道冷却块直接安装在 CPU 包装顶部，配合液态金属或焊料 TIM 层，冷却功率可达 1000 W，效率比传统 delid 后水冷系统高 15‑20%。

二、核心组成与实现方式

1. 微通道冷却块（Copper microchannel block）

制作在铜或高热导材料中，通过精密刻蚀或加工形成微通道。
流体沿*低热阻路径直击热点区域，因此冷却更*、更高效。

2. 热界面材料（TIM）

使用液态金属或焊料替代传统导热硅脂，这样能更紧密地将封装顶部与冷却块接触，减少热界面热阻，从而提升热传递效率。

3. 封装集成方式

该冷却结构通常设计为与 LGA 或 BGA 封装兼容，安装后成为封装的一部分，不需要额外大体积散热器。
对未来 AI、HPC、服务器工作站等高热密度应用能有效满足散热需求。

三、优点分析

热阻*小：热流路径短、更直接，封装到冷却液仅一层 TIM。
*针对热点：通道布局可根据芯片内部热点分布（如高功耗电核等）规划，增强局部冷却效率。
能量摆放更紧密：冷却块极薄，可支持高度集成、高功耗芯片设计。
整体系统体积更小：无需传统大型散热器或 AIO 水冷器，封装本身即冷却单元。

四、局限及挑战

1. 工艺与制造难度

在封装顶部集成微通道水冷结构，制造工艺复杂，对封装精度、材料选择、流体密封要求高；
需求与芯片设计紧密耦合，从封装设计端就需协作定制。

2. 流体与气泡管理

当流量或温度设计碰到两相区（液体沸腾区域），会产生气泡，影响流动路径与热交换性能；
要精控微通道几何结构、入口压力、流速等参数，避免气堵、沸腾不均、局部干涸。

3. 系统设计与可靠性

封装内流速过高可能会引起压力损失、结构振动，甚至泄漏；
TIM、铜块、封装接合界面必须长期稳定、耐热循环，防止疲劳失效。

五、整体技术流程（系统性梳理）

阶段	内容	要点说明
设计阶段	联合芯片+封装+热设计协作	根据 CPU/GPU 热点分布规划微通道布局
制造阶段	封装集成微通道冷却块	铜制或高导热材料，通过微加工或封装抑制
接触层处理	液态金属或焊料 TIM	提高界面导热性，减少传统热界面阻抗
系统集成	管路、泵、流速控制	控制流动压力与温度，防止气泡失控
测试阶段	热性能验证与可靠性测试	包括热循环、冲击、压力与漏水测试
应用阶段	部署在高功耗AI、HPC服务器	使用范围包括 Xeon、Core Ultra 等封装

六、总结一句话

嵌入式液冷就是把「微型铜制水冷块」直接集成到封装上，并通过液态金属 TIM 层紧耦合在封装与液体之间，能把热流路径拉到*短，实现高达 1000 W 的散热能力，是为高热密度芯片而生的一种颠覆性散热技术。不过，对制造、流体控制、长期可靠性都提出了很高要求。

免责声明：本文采摘自“老虎说芯”，本文仅代表作者个人观点，不代表萨科微及行业观点，只为转载与分享，支持保护知识产权，转载请注明原出处及作者，如有侵权请联系我们删除。

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