為什么英偉達芯片需要微通道冷卻技術

2025-08-14 10:13:36 262

微通道冷卻技術背景：英偉達高性能芯片（如H100、B200）在AI訓練與推理中功耗高達700瓦以上，傳統(tǒng)風冷或常規(guī)水冷已難以滿足其散熱需求。微通道冷卻通過在封裝或散熱結構內集成微米級通道，讓冷卻液貼近芯片核心熱源，大幅降低熱阻，提高熱流密度處理能力。相比傳統(tǒng)方案，微通道冷卻能更高效地帶走熱量，保障芯片在高負載下持續(xù)穩(wěn)定運行，是應對高密度計算時代熱管理挑戰(zhàn)的重要手段。

1. 為什么要用微通道冷卻？

集成電路，特別是高性能CPU、GPU、AI加速器、ASIC，功耗密度（W/mm2）已經非常高，傳統(tǒng)的風冷、熱管、甚至常規(guī)水冷都快頂不住了。

問題的本質：

熱量產生在硅片上某幾個熱點區(qū)域，但是散熱路徑長（芯片→封裝→TIM→散熱器→空氣/水）。
每一層界面（比如TIM、焊料、封裝材料）都會增加熱阻，使得芯片溫度升高。
單純靠“加大水冷塊體積”或“增加風扇”效果有限，尤其在1kW級別以上散熱需求時，傳統(tǒng)方案無法滿足。

于是，微通道冷卻被提出——它的核心思路是：

把冷卻液直接引入離熱源最近的位置，通過在芯片或封裝上蝕刻微米級的冷卻通道，讓液體在微通道里流動，直接帶走熱量。

2. 微通道冷卻的結構是怎樣的？

可以這么理解：

在芯片頂部或封裝蓋板上，做出一組寬度幾十~幾百微米、深度幾十到幾百微米的流道（想象成一組非常細的“水渠”）。
這些微通道內部讓冷卻液（水、冷卻油、甚至氟化液）流過，直接沖刷發(fā)熱區(qū)域。
上方會有一個金屬蓋板（常用銅、不銹鋼）封住微通道，形成一個密閉的“冷板”。
冷卻液通過進出口直接與外部循環(huán)系統(tǒng)連接，實現(xiàn)高效換熱。

可以類比：傳統(tǒng)水冷是在散熱器上繞水管，而微通道冷卻是把“水管”直接做到芯片表面，熱源和冷卻劑的接觸距離大大縮短。

3. 為什么效率高？

關鍵點：縮短了導熱路徑 + 增加了換熱面積。

短路徑：傳統(tǒng)結構中，熱要經過硅片、TIM、IHS（封裝蓋）、導熱膠/焊料、冷板，熱阻很大；微通道直接把冷卻劑放在芯片或封裝上，減少中間環(huán)節(jié)。
大面積：微通道可以設計得非常密集（比如100個通道并行），液體接觸面積遠超傳統(tǒng)平板換熱器，強化了對流換熱。
高流速：通道很窄，液體流動時雷諾數(shù)增加，湍流換熱更充分。

實驗數(shù)據(jù)顯示，傳統(tǒng)冷板換熱系數(shù)是幾千W/(m2·K)，微通道能做到上萬甚至更高。