隨著人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，AI芯片成為推動(dòng)高性能計(jì)算的核心引擎。從訓(xùn)練復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)到執(zhí)行大規(guī)模的并行計(jì)算，AI芯片承擔(dān)著極高的運(yùn)算負(fù)荷。然而，伴隨高計(jì)算密度而來(lái)的，是大量的熱量產(chǎn)生。若不能及時(shí)有效地散熱，不僅會(huì)導(dǎo)致芯片過(guò)熱，甚至可能影響到AI系統(tǒng)的整體性能與穩(wěn)定性。因此，如何通過(guò)先進(jìn)的導(dǎo)熱材料和散熱技術(shù)為AI芯片“降溫”，成為當(dāng)前產(chǎn)業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。

芯片的溫度云圖變化

一、AI芯片的散熱難題根源

散熱不良會(huì)對(duì)AI芯片性能和壽命的影響，如降低頻率、限流等。目前，AI芯片的散熱難題主要源于以下幾個(gè)關(guān)鍵原因：

01高功率密度

AI芯片在執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)時(shí)，需要極高的功率，這導(dǎo)致其單位面積內(nèi)的功率密度大大高于傳統(tǒng)處理器。更高的功率密度意味著更多的熱量集中在更小的區(qū)域內(nèi)，散熱難度增加。尤其是用于深度學(xué)習(xí)、推理和訓(xùn)練模型的AI芯片（如GPU和TPU），其功耗和發(fā)熱量比普通CPU高得多。

比如說(shuō)目前主流應(yīng)用的NVIDIA A100 Tensor Core GPU就是專為AI和高性能計(jì)算設(shè)計(jì)，具有400W的最大功耗；專為高性能計(jì)算和AI推理任務(wù)設(shè)計(jì)AMD Instinct MI200加速卡，功耗接近500W。而今年，服務(wù)器制造商戴爾透露了NVIDIA即將推出的人工智能（AI）GPU，代號(hào)為Blackwell，功耗高達(dá)1000W，比上一代芯片的功耗足足增加了40%。面對(duì)這樣高的功率，必須要配套高效散熱解決方案。

02芯片封裝設(shè)計(jì)的限制

隨著芯片集成度的提升，現(xiàn)代AI芯片包含了數(shù)十億個(gè)晶體管，尺寸越來(lái)越小，且設(shè)計(jì)上緊湊。這種高度集成的封裝設(shè)計(jì)導(dǎo)致芯片內(nèi)部的熱量無(wú)法迅速有效地傳導(dǎo)至外部進(jìn)行散熱。封裝材料的導(dǎo)熱性能有限，進(jìn)一步加劇了熱量積累。

03工作負(fù)載的連續(xù)性

AI芯片通常需要長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作，例如用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析或訓(xùn)練復(fù)雜的人工智能模型。這種連續(xù)性工作負(fù)載意味著芯片持續(xù)產(chǎn)生大量熱量，且散熱的時(shí)間窗口非常有限。傳統(tǒng)的散熱解決方案難以應(yīng)對(duì)這樣長(zhǎng)時(shí)間、高強(qiáng)度的工作負(fù)荷。

二、AI芯片散熱技術(shù)

散熱技術(shù)通過(guò)直接在芯片或處理器表面移除熱量來(lái)優(yōu)化設(shè)備性能并延長(zhǎng)使用壽命。隨著AI芯片的計(jì)算能力不斷提升，其功耗和熱量也隨之增加，傳統(tǒng)的散熱方案逐漸暴露出局限性。為了確保AI芯片能夠長(zhǎng)時(shí)間高效運(yùn)作，行業(yè)開始尋求更先進(jìn)的散熱技術(shù)和材料創(chuàng)新。以下將分為散熱材料以及散熱技術(shù)兩部分總結(jié)。

散熱材料

01熱界面材料（TIM）

在AI硬件中，由于器件制造公差和表面粗糙度的存在，器件之間通常會(huì)有微小的空隙。這些空隙含有空氣，而空氣是熱的不良導(dǎo)體，常溫下導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.026W/(m·K)。因此，導(dǎo)熱界面材料（TIM）被用來(lái)填補(bǔ)這些空隙，排出空氣，提供更好的熱傳導(dǎo)路徑，降低界面熱阻，從而提升散熱效率。

以AI終端設(shè)備中的高功耗芯片為例，通常通過(guò)倒扣焊工藝實(shí)現(xiàn)散熱，芯片的熱量沿“芯片－TIM－封裝－TIM－散熱器”路徑傳導(dǎo)至外部。根據(jù)材料放置位置，TIM分為TIM1和TIM2兩種類型。

TIM1/ TIM2 結(jié)構(gòu)（來(lái)源：硬件起源）

TIM1型材料用于芯片封裝內(nèi)部，位于發(fā)熱芯片/管芯與散熱金屬蓋之間。TIM1直接接觸熱源，要求具備極高的導(dǎo)熱性能和電絕緣性，確保芯片有效散熱并避免短路。此外，由于芯片與金屬蓋的熱膨脹系數(shù)不同，TIM1還需具備合適的熱膨脹系數(shù)。主流TIM1材料通常由高導(dǎo)熱性粉體填充含硅或非硅聚合物制成，常見形態(tài)包括導(dǎo)熱膏、導(dǎo)熱膠等。在一些高端PC的CPU中時(shí)而采用具有良好傳熱性能的相變材料等作為頂部連接材料。

TIM2型材料用于封裝外部，位于散熱器和封裝之間。相較于TIM1，TIM2已遠(yuǎn)離芯片，工作環(huán)境溫和，導(dǎo)熱性能要求相對(duì)較低，且無(wú)需電絕緣性。但它仍需有效傳導(dǎo)熱量，確保散熱。TIM2材料通常為碳基復(fù)合材料，且多為可分離設(shè)計(jì)，便于熱沉在系統(tǒng)級(jí)組裝過(guò)程中拆裝。

02金屬和陶瓷基導(dǎo)熱材料

金屬導(dǎo)熱材料（如銅、鋁等）因其優(yōu)異的導(dǎo)熱性，常用于極端環(huán)境下的芯片散熱。金屬的高導(dǎo)熱系數(shù)（如銅的導(dǎo)熱系數(shù)約為400 W/(m·K)）使其能夠快速將熱量從發(fā)熱源傳遞出去，適合高熱通量應(yīng)用場(chǎng)景。同時(shí)，金屬材料具備較高的機(jī)械強(qiáng)度和抗熱沖擊能力，廣泛應(yīng)用于需要在惡劣環(huán)境下持續(xù)高效散熱的AI芯片中。

陶瓷導(dǎo)熱材料（如氮化鋁、氮化硅）不僅具有良好的導(dǎo)熱性，還具備電絕緣性，是許多AI芯片封裝和高功率應(yīng)用中的理想選擇。陶瓷材料的導(dǎo)熱性介于金屬和傳統(tǒng)聚合物材料之間，且其熱穩(wěn)定性使其能夠在高溫或腐蝕環(huán)境下使用。例如，氮化鋁的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)170-180 W/(m·K)，廣泛用于極端環(huán)境下的AI芯片封裝中。

散熱技術(shù)

散熱技術(shù)包括風(fēng)扇、液冷、熱管、VC均熱板等，這些技術(shù)如何適用于AI芯片散熱，但面臨的局限性。

01風(fēng)扇

風(fēng)扇散熱是將冷空氣吹過(guò)散熱器或直接吹向芯片表面，進(jìn)而將芯片產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移到空氣中。

服務(wù)器風(fēng)扇

優(yōu)點(diǎn)：風(fēng)扇散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本較低，安裝方便，且應(yīng)用廣泛。風(fēng)扇作為風(fēng)冷散熱器的兩大重要部件之一，其性能對(duì)服務(wù)器散熱效果和使用壽命具一定決定性作用，也可以與熱管/3DVC/冷管等組合使用。

局限性：風(fēng)冷的散熱效率受限于空氣的熱導(dǎo)率較低，在高負(fù)荷和密集運(yùn)算的AI芯片中效果有限。

02液冷

液冷技術(shù)通過(guò)將液體（如水或冷卻液）作為傳熱介質(zhì)，利用其高熱容量和高導(dǎo)熱性，將AI芯片產(chǎn)生的熱量迅速帶走。液冷系統(tǒng)通常由冷卻液管路、冷板或散熱片、泵和散熱器組成，冷卻液吸收熱量后被送到散熱器，再通過(guò)空氣或水冷的方式散熱。

優(yōu)點(diǎn)：液冷相較于風(fēng)冷具有更高的散熱效率，因此常用于數(shù)據(jù)中心和高性能計(jì)算（HPC）中，比風(fēng)冷更適合支持高功率AI芯片持續(xù)工作。

局限性：液冷系統(tǒng)復(fù)雜且成本較高，安裝和維護(hù)要求較高。此外，若系統(tǒng)出現(xiàn)泄漏，可能導(dǎo)致設(shè)備損壞。此外，液冷系統(tǒng)的物理空間占用較大。

03熱管

熱管技術(shù)通過(guò)相變?cè)磉M(jìn)行高效導(dǎo)熱。熱管內(nèi)部包含導(dǎo)熱液體，液體在靠近熱源的部分吸收熱量蒸發(fā)成氣體，氣體沿?zé)峁芤苿?dòng)到冷端釋放熱量并凝結(jié)成液體，液體再通過(guò)毛細(xì)作用或重力回到熱源端循環(huán)。這種循環(huán)使得熱管能夠迅速傳導(dǎo)熱量。

熱管的工作原理

優(yōu)點(diǎn)：熱管具有極高的導(dǎo)熱效率，且體積較小，重量輕，適合應(yīng)用于空間受限的設(shè)備中。

局限性：盡管熱管導(dǎo)熱效率高，但其散熱能力受到熱管數(shù)量和設(shè)計(jì)的限制，主要用于中等功耗或空間受限的場(chǎng)景，難以在超高功率芯片中單獨(dú)使用。

04VC均熱板

在熱管的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，二維均溫技術(shù)（VC均熱板）、三維的一體式均溫技術(shù)（3D VC均熱板）被逐漸被開發(fā)。均熱板與熱管的原理相似，都是讓冷卻液吸收熱源的能量，然后經(jīng)過(guò)蒸發(fā)（吸熱）、冷凝（放熱）的相變過(guò)程，將熱量分散導(dǎo)向外部。

華為Mate60采用的VC均熱板

優(yōu)點(diǎn)：均熱板可設(shè)計(jì)成任意形狀以適應(yīng)不同的熱源布局，以二維甚至三維方式幫助器件散熱，接觸面積更大，散熱更均勻，相比熱管，傳熱效率提高了20% - 30%。同時(shí)其緊湊的設(shè)計(jì)也更利于安裝在小型化設(shè)備中。

局限性：VC均熱板的制造成本相對(duì)較高，尤其是在復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制作上。此外，均熱板的散熱能力在極高功率密度下可能依然存在限制，難以單獨(dú)應(yīng)對(duì)某些高熱負(fù)載場(chǎng)景，通常需要與其他散熱技術(shù)結(jié)合使用。

三、總結(jié)

導(dǎo)熱材料與散熱設(shè)計(jì)在AI芯片的性能表現(xiàn)中起到了至關(guān)重要的作用。高效的散熱系統(tǒng)不僅能夠維持芯片的穩(wěn)定運(yùn)行，還能防止過(guò)熱對(duì)其計(jì)算能力、能效和壽命的負(fù)面影響，尤其是在高負(fù)載的場(chǎng)景如邊緣計(jì)算和5G基站中，散熱設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響整體系統(tǒng)的運(yùn)行效率。隨著AI產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，AI芯片的功耗與熱管理需求也將持續(xù)增長(zhǎng)。因此，未來(lái)在導(dǎo)熱材料和散熱技術(shù)領(lǐng)域的持續(xù)研發(fā)投入是必不可少的。通過(guò)不斷創(chuàng)新與優(yōu)化，散熱解決方案才能夠滿足AI芯片在更大規(guī)模、更高性能場(chǎng)景中的應(yīng)用需求，推動(dòng)AI產(chǎn)業(yè)邁向新的高度。

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