集微網(wǎng)報(bào)道 （文/陳興華）隨著芯片向高密度、高集成和高算力迭代，其功率及功率密度正不斷飆升，同時(shí)“高熱密度”成為高功率半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的重大瓶頸。鑒于芯片功耗持續(xù)增加，液冷散熱技術(shù)愈發(fā)受到重視。但由于成本較高以及方案復(fù)雜，目前水冷板技術(shù)距離業(yè)界理想的散熱方案還有一定距離。此外，業(yè)內(nèi)采用被稱為“茅臺(tái)”的氟化液浸沒(méi)式液冷技術(shù)方案的成本也居高不下。
理論而言，芯片的溫度越低壽命就會(huì)越長(zhǎng)，同時(shí)性能越穩(wěn)定。但若要實(shí)現(xiàn)更低的芯片溫度，產(chǎn)業(yè)界所需要付出的散熱代價(jià)太高，目前還沒(méi)有達(dá)到提升性能同時(shí)兼顧成本的平衡點(diǎn)。對(duì)此，針對(duì)各種散熱材料、散熱技術(shù)以及應(yīng)用場(chǎng)景，業(yè)界可以采用不同的技術(shù)組合或合作開(kāi)發(fā)相關(guān)產(chǎn)品，從而在現(xiàn)階段成本可接受的條件下探索出最優(yōu)化的解決方案。
無(wú)論如何，隨著散熱痛點(diǎn)和熱管理需求愈發(fā)明顯，業(yè)界資本、產(chǎn)業(yè)企業(yè)正不斷加大對(duì)相關(guān)技術(shù)方案的投入，推動(dòng)針對(duì)超高密度的芯片及模組演進(jìn)出更完善的技術(shù)方案。目前來(lái)看，國(guó)內(nèi)部分企業(yè)已經(jīng)在高功率密度芯片散熱和先進(jìn)封裝散熱技術(shù)等方面已有建樹(shù)。但為了避免被“卡脖子”，還需要業(yè)界在材料、散熱結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和成本等各產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)攜力布局。
破局瓶頸 尚欠火候
既然散熱已經(jīng)成為芯片等電子信息產(chǎn)品的重大痛點(diǎn)，這一產(chǎn)業(yè)便還有很長(zhǎng)的路要走。
中科創(chuàng)星董事總經(jīng)理盧小保對(duì)集微網(wǎng)表示，雖然電子信息領(lǐng)域?qū)ι嵝录夹g(shù)和更強(qiáng)的散熱能力有非常迫切的需求，但是供應(yīng)端提供的技術(shù)能力還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。“在散熱技術(shù)發(fā)展演進(jìn)上，早期PC機(jī)可能只有幾瓦（W）到十幾瓦時(shí)，給芯片上貼一個(gè)散熱片就能把大面積的熱量帶走。后來(lái)隨著功耗瓦數(shù)增加，就需要在散熱片上面加一個(gè)風(fēng)扇去吹，這種技術(shù)方案叫做風(fēng)冷散熱，而且大多數(shù)情況可能都會(huì)用經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性比較好的銅材或鋁材去做。”
“當(dāng)功耗達(dá)到幾十瓦上百瓦時(shí)，就需要采用熱管將熱量從芯片上導(dǎo)出，待熱量擴(kuò)散到更大的散熱翅片上后再用風(fēng)扇去吹，這其中涉及了相變吸熱、熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流組合技術(shù)方案。迄今為止，PC和服務(wù)器中絕大部分都是采用這種方案組合，即熱管加鰭片及風(fēng)扇。但當(dāng)CPU的功耗逐步達(dá)到300瓦、500瓦甚至800瓦時(shí)，就打破了熱管加風(fēng)扇的散熱能力極限值。由于采用多年的熱管加風(fēng)扇方案已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)行業(yè)發(fā)展，這時(shí)就不得不采用水冷板等液冷散熱技術(shù)。”盧小保說(shuō)。
他進(jìn)一步表示，由于芯片功耗持續(xù)增加，水冷板等新興的散熱技術(shù)方式正愈發(fā)受到重視。相比熱管加鰭片及風(fēng)扇的風(fēng)對(duì)流，水冷板采用水的對(duì)流方式，通過(guò)水流做熱交換帶走熱量的速度更快、效率更高。但鑒于成本比較高以及解決方案較復(fù)雜，水冷板技術(shù)目前還沒(méi)實(shí)現(xiàn)規(guī)模數(shù)量級(jí)的增長(zhǎng)。不過(guò)，其在一些高功耗的應(yīng)用場(chǎng)景也成為必選項(xiàng)，因?yàn)闃I(yè)界還沒(méi)有更理想的解決方案。
至于另一種采用氟化液的?沒(méi)式液冷技術(shù)方案，就是把整個(gè)服務(wù)器泡在氟化液里面。雖然這種方案會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)散熱能力，但氟化液號(hào)稱“茅臺(tái)”，從而使得氟化液的成本比服務(wù)器都高。因此，當(dāng)數(shù)據(jù)中心圍繞氟化液去做開(kāi)發(fā)建設(shè)時(shí)，散熱這個(gè)配角反而變成了開(kāi)發(fā)投資的“主角”。
此外，國(guó)內(nèi)散熱技術(shù)廠商廣州力及熱管理科技（NeoGene Tech）創(chuàng)始人陳振賢亦認(rèn)為，在后摩爾時(shí)代，隨著芯片功率越來(lái)越高，散熱器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的熱阻值已漸漸無(wú)法適應(yīng)行業(yè)的發(fā)展需求。“通常一顆芯片會(huì)定義其溫度限值，比如英特爾、AMD等定義其芯片的外殼溫度不能超過(guò)85度，其實(shí)半導(dǎo)體芯片的節(jié)溫(Tj)已超過(guò)此溫度，而且通常需控制不超過(guò)105度，這是因?yàn)榘雽?dǎo)體芯片的封裝中存在各種材料的層層熱阻。”
“假設(shè)環(huán)境溫度是25度以及芯片功耗為600瓦，如果散熱器熱阻值(包含介面材料)為0.1，芯片與環(huán)境溫度的溫差是60度，芯片外売溫度剛好是85度。而一旦芯片功耗超過(guò)600瓦達(dá)到1000瓦時(shí)，同樣使用熱阻值0.1的散熱器，芯片與環(huán)境溫度之間面臨的溫差就變成100度，芯片外売的溫度將高達(dá)125度，芯片的節(jié)溫(Tj)更高于此。”
陳振賢補(bǔ)充道，芯片功耗瓦數(shù)越來(lái)越高會(huì)使溫差越來(lái)越大，進(jìn)而超過(guò)芯片外殼定義的溫度，這就當(dāng)前的散熱瓶頸所在，因而需要設(shè)計(jì)并制作出熱阻值更低的散熱器。“當(dāng)高算力芯片跟功率掛鉤時(shí)，以現(xiàn)有的微流道水冷板技術(shù)大概在500瓦是一個(gè)分界點(diǎn)，浸沒(méi)式會(huì)在600瓦左右面臨瓶頸。但問(wèn)題是如今AI芯片的算力和功耗越來(lái)越大，正在突破這一極值。另外，AI芯片的熱設(shè)計(jì)功率超過(guò)千瓦級(jí)的產(chǎn)品即將發(fā)生?！?/p>
對(duì)此，盧小保進(jìn)一步表示，CPU所在的服務(wù)器空間長(zhǎng)期高于室溫度，其穩(wěn)定性和壽命可能都會(huì)受到影響。理論上來(lái)講，常溫條件下CPU的溫度越低壽命就會(huì)越久，同時(shí)性能越穩(wěn)定。但如果要實(shí)現(xiàn)更低的CPU溫度，產(chǎn)業(yè)界所需要付出的散熱代價(jià)太高，還沒(méi)有達(dá)到提升性能同時(shí)兼顧成本的平衡點(diǎn)。目前，數(shù)據(jù)中心維持在二三十度，還可以容忍對(duì)相關(guān)散熱技術(shù)付出的成本。如果將來(lái)有更好的技術(shù)，而且成本并不是很高，應(yīng)用者的采購(gòu)意愿應(yīng)該比較強(qiáng)。
升級(jí)長(zhǎng)板 兼攻短板
從發(fā)熱的芯片到器件到最終產(chǎn)品，可謂每一個(gè)層級(jí)和環(huán)節(jié)都存在散熱需求，因而其中涉及不同的支撐材料、界面材料、底層材料。同時(shí)，應(yīng)用不同的散熱技術(shù)或應(yīng)用場(chǎng)景不同，相關(guān)技術(shù)路線和解決方案也不同。而這其中勢(shì)必潛在各種發(fā)展機(jī)遇與不同技術(shù)挑戰(zhàn)。
在盧小保看來(lái)，散熱技術(shù)的核心要素包括芯片本身產(chǎn)生多大瓦數(shù)的熱、單位面積上的熱流強(qiáng)度大小，以及熱量可以在多少的距離內(nèi)擴(kuò)散到多大的體積上。由于PC、手機(jī)和服務(wù)器等不同應(yīng)用終端對(duì)于熱的痛點(diǎn)或散熱需求不同，采用的技術(shù)方案差別也非常大。其中，PC、服務(wù)器的體積更大、產(chǎn)生功耗瓦數(shù)更高，需要采取更復(fù)雜的散熱技術(shù)。而手機(jī)由于集成度更高，某種程度在體積上就限制了芯片瓦數(shù)不能太高。
通常情況下，散熱是把一個(gè)熱能非常高的出熱或產(chǎn)熱點(diǎn)的熱量擴(kuò)散到更大空間，這個(gè)熱傳遞過(guò)程是串行的，而且當(dāng)中任何一個(gè)環(huán)節(jié)都可能會(huì)成為熱瓶頸。對(duì)此，盧小保闡述稱，“散熱是一個(gè)逐級(jí)傳遞的體系，比如從產(chǎn)熱點(diǎn)A到B到C到D到E再到F，如果AB之間、BC之間、CD之間的傳遞效率低了，可能最終結(jié)果就是A到F的散熱效率不夠高。所以各個(gè)環(huán)節(jié)都需要不斷提升散熱的能力，使之避免成為整個(gè)通路上的瓶頸點(diǎn)。”
隨著芯片向高密度、高集成和高算力迭代，無(wú)論是芯片還是整個(gè)模組，其功率及功率密度將不停飆升。陳振賢表示，“為了達(dá)到終極集成度，芯片勢(shì)必朝SoC發(fā)展，模組則朝MCM發(fā)展。IC及模組功能越來(lái)越強(qiáng)大、功率越來(lái)越高，‘高熱密度’的解熱及散熱顯然已成為高算力芯片技術(shù)發(fā)展的瓶頸。針對(duì)超高密度的芯片及芯片模組(MCM)，勢(shì)必也將發(fā)展出一套可持續(xù)性發(fā)展之終極的解熱及散熱技術(shù)方案。”
與此同時(shí)，作為芯片的重要散熱環(huán)節(jié)，先進(jìn)封裝也正面臨愈發(fā)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
芯瑞微創(chuàng)始人、董事長(zhǎng)兼CEO郭茹對(duì)集微網(wǎng)表示，“在整個(gè)與電相關(guān)的電子系統(tǒng)方面，無(wú)論是3D集成的先進(jìn)封裝還是電子信息設(shè)備，它們的集成度越高產(chǎn)生的熱源就越多，同時(shí)熱源與熱源之間會(huì)因?yàn)闇夭町a(chǎn)生熱流，以及內(nèi)置的風(fēng)扇也會(huì)帶給其它部件額外的熱。由于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)集成度不高，工程師在設(shè)計(jì)和仿真中并沒(méi)有考慮復(fù)雜場(chǎng)景下的熱分布，從而無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算這些熱量對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的不同程度影響。因此，對(duì)后摩爾時(shí)代采用先進(jìn)封裝堆疊的芯片以及高集成高密度設(shè)計(jì)的系統(tǒng)而言，散熱技術(shù)都已變得越來(lái)越至關(guān)重要。”
作為電子信息產(chǎn)品領(lǐng)域的重大痛點(diǎn)，散熱技術(shù)的系統(tǒng)提升顯然需要找準(zhǔn)對(duì)策。盧小寶指出，“解決散熱問(wèn)題的思路就在于克服瓶頸，即在ABCDEF中任何一個(gè)環(huán)節(jié)開(kāi)始出現(xiàn)瓶頸，就想盡一切辦法把它解決掉。但可能某個(gè)環(huán)節(jié)不是瓶頸，而且有很好的技術(shù)可以把它的能力大幅提升，那么這部分就可以做成長(zhǎng)板。總體上，任何環(huán)節(jié)都可以開(kāi)發(fā)出很多東西提升散熱能力和效率，但其中既要做長(zhǎng)板也要補(bǔ)短板，進(jìn)而打破產(chǎn)業(yè)瓶頸?！?/strong>
同時(shí)，針對(duì)各類不同應(yīng)用場(chǎng)景，業(yè)界可以采用不同的基底材料、界面材料、散熱器件等各種技術(shù)組合去開(kāi)發(fā)散熱方案，最終在現(xiàn)階段成本可接受的條件下找出最優(yōu)化的解決方案。
為此，中科創(chuàng)星已經(jīng)對(duì)散熱領(lǐng)域進(jìn)行諸多布局，其中涉及產(chǎn)業(yè)鏈的多個(gè)環(huán)節(jié)，包括圣榮元（環(huán)路熱管）、力及熱管理（兩相流極致散熱技術(shù)方案）、江西國(guó)化（氟化液散熱）、中科原子（微通道）、鉅瓷科技（ALN陶瓷粉體和陶瓷結(jié)構(gòu)件）、中科皓燁（氮氧化鋁）、彗晶新材料（界面材料）、芯瑞微（多物理場(chǎng)仿真-熱仿真）和墨光新能（輻射制冷）等。盧小保表示，在布局戰(zhàn)略方面，中科創(chuàng)星主要專注的是技術(shù)創(chuàng)新型企業(yè)。未來(lái)，由于散熱痛點(diǎn)勢(shì)必會(huì)持續(xù)存在很多年，中科創(chuàng)星將不斷加大對(duì)相關(guān)創(chuàng)新技術(shù)的布局。
迎熱而上 砥礪建樹(shù)
在推動(dòng)國(guó)內(nèi)散熱產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面，資本顯然與技術(shù)、人才等元素作為核心支撐之一。目前，通過(guò)精準(zhǔn)布局，中科創(chuàng)星投資的上述國(guó)內(nèi)企業(yè)均展現(xiàn)出不俗實(shí)力、影響力以及有力發(fā)展勢(shì)頭。
其中，力及熱管理（NeoGene Tech）開(kāi)發(fā)的牛勁冷泵（NeoGene Cooling Engine）技術(shù)是一種嶄新的高功率密度芯片解熱技術(shù)。陳振賢表示，牛勁冷泵為實(shí)現(xiàn)適用各種場(chǎng)景，其元件尺寸可大可小、可高可低、可胖可瘦，將以三種不同的應(yīng)用方式呈現(xiàn)在液冷散熱的產(chǎn)品線上，包括冷板式液冷散熱器、算力芯片的IC封裝模組和浸沒(méi)式液冷的熱消散器。在功耗上，單顆算力芯片的TDP300W~1500W都是目前牛勁冷泵技術(shù)的解熱及散熱服務(wù)范圍，同時(shí)單芯片1500W~2000W的應(yīng)用的技術(shù)也已在開(kāi)發(fā)路線圖中。
另一方面，Al算力芯片及AI服務(wù)器散熱需要的不只是一時(shí)的解決方案，整個(gè)產(chǎn)業(yè)尋求的將是一個(gè)具有隨著功率飚升而仍可持續(xù)性發(fā)展的嶄新解熱及散熱技術(shù)平臺(tái)。
陳振賢進(jìn)一步表示，NeoGene Tech迄今已建構(gòu)完成專為高功率芯片及電子電路系統(tǒng)的解熱與散熱，提供一種基于結(jié)合三維兩相流循環(huán)及液冷循環(huán)的高效熱管理技術(shù)平臺(tái)?！?strong>牛勁冷泵液冷散熱技術(shù)加上具有三重液冷循環(huán)之服務(wù)器設(shè)計(jì)，對(duì)于2000W以上的芯片解熱及散熱技術(shù)平臺(tái)已準(zhǔn)備就緒，實(shí)已領(lǐng)先美國(guó)能源部與英特爾的合作開(kāi)發(fā)計(jì)劃。”
他還稱，NeoGene Tech創(chuàng)立三年多來(lái)，已開(kāi)發(fā)的創(chuàng)新硬核技術(shù)包括，全世界最薄的兩相流循環(huán)蒸氣腔技術(shù)(PWS/MagicWick-lnside VC)、具不同工質(zhì)兩相流循環(huán)的四季均溫板技術(shù)(FSVC)，以及全世界解熱功率最高的三維兩相流循環(huán)蒸氣腔崁入式液冷散熱技術(shù)(牛勁冷泵液冷散熱器)。NeoGene Tech已為這三項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)累積申請(qǐng)了超過(guò)130篇的發(fā)明專利。目前，這些硬科技可廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、平板電腦、AR/VR、電動(dòng)車、機(jī)器人、通訊交換機(jī)、數(shù)據(jù)中心服務(wù)器和高算力芯片冷卻封裝等眾多場(chǎng)景以及極端解熱和散熱應(yīng)用。
在先進(jìn)封裝領(lǐng)域，芯瑞微則看準(zhǔn)芯片系統(tǒng)高集成、高功耗密度和小型化下的風(fēng)口以及實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)愈發(fā)捉襟見(jiàn)肘，探索開(kāi)發(fā)出了散熱仿真工具——Turbo T。據(jù)悉，其可以深入到芯片內(nèi)部，從而促進(jìn)細(xì)微的跨尺度結(jié)構(gòu)做更多計(jì)算。此外，Turbo T仿真場(chǎng)景涵蓋了芯片級(jí)、PCB級(jí)到電子設(shè)備級(jí)所有的場(chǎng)景，在物理場(chǎng)方面可實(shí)現(xiàn)對(duì)流換熱、輻射換熱和導(dǎo)熱等。
對(duì)于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)路徑和策略，郭茹表示，Turbo T是基于芯瑞微的行業(yè)積累和客戶一些最先進(jìn)的訴求應(yīng)運(yùn)而生。針對(duì)多源異構(gòu)封裝熱源分布多且分布不均勻等問(wèn)題以及不同的應(yīng)用場(chǎng)景，芯瑞微采用了新的工藝和結(jié)構(gòu)布局，創(chuàng)新型的將“熱、流、固”算法耦合起來(lái)，包括做了涉及多個(gè)學(xué)科的溫度分析、熱應(yīng)力分析解決方案，以及解決了很多跨尺度、多場(chǎng)景耦合等問(wèn)題，進(jìn)而使Turbo T產(chǎn)品在新型散熱領(lǐng)域中與客戶的應(yīng)用場(chǎng)景需求保持一致性。
在保持行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力方面，芯瑞微主要從兩個(gè)方向入手。郭茹闡述道，“第一，公司在預(yù)判技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和開(kāi)拓新興研發(fā)方式方面落地比較早，比如在2020年年初時(shí)就做了熱產(chǎn)品的研發(fā)規(guī)劃，從而形成了更好的行業(yè)技術(shù)積累。第二，通過(guò)與各類客戶深度融合在一起，公司能夠了解到最關(guān)鍵的訴求和痛點(diǎn)是什么，然后根據(jù)它們的應(yīng)用場(chǎng)景不斷做產(chǎn)品升級(jí)迭代。”
簡(jiǎn)而言之，將整個(gè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)新趨勢(shì)與公司產(chǎn)品發(fā)展方向相結(jié)合，是芯瑞微能夠?qū)崿F(xiàn)領(lǐng)先的非常重要原因。郭茹還稱，“未來(lái)，芯瑞微會(huì)持續(xù)加大在散熱領(lǐng)域的布局。除了Turbo T散熱仿真工具之外，我們也在進(jìn)一步研究基于數(shù)據(jù)和模型雙驅(qū)動(dòng)的散熱算法，開(kāi)發(fā)適配高復(fù)雜度模型的一些軟件等，以實(shí)現(xiàn)從集成電路進(jìn)入到智能制造、新能源等更多行業(yè)，最終形成從芯片級(jí)、PCB板級(jí)到設(shè)備級(jí)的全尺寸解決方案?！?/p>
