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为什么英伟达芯片需要微通道冷却技术

为什么英伟达芯片需要微通道冷却技术

2025-08-14 10:13:36 317

微通道冷却技术背景：英伟达高性能芯片（如H100、B200）在AI训练与推理中功耗高达700瓦以上，传统风冷或常规水冷已难以满足其散热需求。微通道冷却通过在封装或散热结构内集成微米级通道，让冷却液贴近芯片核心热源，大幅降低热阻，提高热流密度处理能力。相比传统方案，微通道冷却能更高效地带走热量，保障芯片在高负载下持续稳定运行，是应对高密度计算时代热管理挑战的重要手段。

1. 为什么要用微通道冷却？

集成电路，特别是高性能CPU、GPU、AI加速器、ASIC，功耗密度（W/mm²）已经非常高，传统的风冷、热管、甚至常规水冷都快顶不住了。

问题的本质：

热量产生在硅片上某几个热点区域，但是散热路径长（芯片→封装→TIM→散热器→空气/水）。
每一层界面（比如TIM、焊料、封装材料）都会增加热阻，使得芯片温度升高。
单纯靠“加大水冷块体积”或“增加风扇”效果有限，尤其在1kW级别以上散热需求时，传统方案无法满足。

于是，微通道冷却被提出——它的核心思路是：

把冷却液直接引入离热源最近的位置，通过在芯片或封装上蚀刻微米级的冷却通道，让液体在微通道里流动，直接带走热量。

2. 微通道冷却的结构是怎样的？

可以这么理解：

在芯片顶部或封装盖板上，做出一组宽度几十~几百微米、深度几十到几百微米的流道（想象成一组非常细的“水渠”）。
这些微通道内部让冷却液（水、冷却油、甚至氟化液）流过，直接冲刷发热区域。
上方会有一个金属盖板（常用铜、不锈钢）封住微通道，形成一个密闭的“冷板”。
冷却液通过进出口直接与外部循环系统连接，实现高效换热。

可以类比：传统水冷是在散热器上绕水管，而微通道冷却是把“水管”直接做到芯片表面，热源和冷却剂的接触距离大大缩短。

3. 为什么效率高？

关键点：缩短了导热路径 + 增加了换热面积。

短路径：传统结构中，热要经过硅片、TIM、IHS（封装盖）、导热胶/焊料、冷板，热阻很大；微通道直接把冷却剂放在芯片或封装上，减少中间环节。
大面积：微通道可以设计得非常密集（比如100个通道并行），液体接触面积远超传统平板换热器，强化了对流换热。
高流速：通道很窄，液体流动时雷诺数增加，湍流换热更充分。

实验数据显示，传统冷板换热系数是几千W/(m²·K)，微通道能做到上万甚至更高。

4. 还能做到“两相冷却”（液-气共存）

如果仅靠液体升温（显热），单位体积吸热能力有限。
水在20℃→80℃加热，吸热量≈250 kJ/kg；
但如果让水在通道里沸腾（液-气两相），则汽化潜热≈2250 kJ/kg，吸热能力提升了约7倍。

这就是为什么很多研究把微通道冷却+相变（沸腾冷却）结合，直接在通道内控制液体部分汽化，以极大提高散热能力。
难点：

如何控制气泡生成位置和大小，避免阻塞通道？
如何设计合适的流量和压力，防止局部干涸（dry-out）？
如何保证系统长期可靠（防腐蚀、防沉积）？

5. 实际应用与挑战

应用方向：

高性能CPU/GPU：英特尔的实验性原型机已经把微通道冷却集成在封装上，散热能力突破1kW。
AI芯片/ASIC：数据中心级芯片对散热要求极高，传统液冷难以满足，微通道是热门方向。
功率器件：如IGBT、激光器、射频放大器，也有采用微通道方案。

工程挑战：

制造工艺复杂：微通道需要精密蚀刻或微铣削，成本和良率要控制。
液体密封与可靠性：微通道很细，堵塞和泄漏风险高。
维护困难：一旦通道堵塞或腐蚀，很难修复。
系统集成：需要和泵、管路、冷却液管理系统一体化设计。

6. 一句话总结

微通道冷却，就是把“冷却液管道”做到离芯片最近的地方，用微米级通道大幅提升传热能力，甚至引入沸腾换热，实现更高的散热极限。
它能让高性能芯片在极端功耗下保持稳定，但设计和制造门槛很高，需要封装、流体、材料多学科协同。

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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