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半导体技术进步导致芯片发热加剧，传统散热方法不足。解决方案包括新型材料（石墨烯、金刚石）、设计创新（微流道、堆叠技术）和系统级优化（热协同设计），需平衡性能、效率和可靠性。
几十年来，工程师们找到了在更小的芯片上集成更多晶体管的方法，从而制造出更快、性能更好的计算机。他们将半导体的性能提升到了前所未有的水平。然而，高强度的计算，尤其是在要求苛刻的人工智能（AI）工作负载中，却引发了一个问题：热量。
自20世纪90年代以来，芯片的功率密度一直在稳步增加。例如，2001年左右的英特尔奔腾III芯片的功率密度约为45瓦/平方厘米（45W/cm2）。相比之下，NVIDIA Hopper架构的H100 GPU的功率密度接近90瓦/平方厘米（90 W/cm2）。在某些情况下，更新的堆叠式半导体组件所需的功率甚至更高。
问题在于，传统的冷却方法已经无法跟上这种发展速度。随着芯片温度的升高，设计者必须在性能和效率之间做出权衡，这涉及到能源使用和热行为。过高的温度会导致芯片性能下降，并增加其故障风险。此外，浪费能源还会带来环境成本。
这一问题的根源在于21世纪中叶Dennard缩放定律的失效（
https://bit.ly/45PstPZ）。多年来，在摩尔定律的推动下，工程师们可以同时缩小晶体管尺寸并降低电压，从而控制功率密度。但随着晶体管尺寸的进一步缩小，电压缩放达到了瓶颈，芯片产生的热量也随之增加。
“如果我们想继续生产更先进的芯片，就必须开发更好的冷却系统，”独立半导体研发机构Imec的热交叉技术优化项目负责人James Myers说，“因为不能再继续降低电压了，否则会导致芯片温度进一步升高。”
所有这些因素促使芯片设计师探索新的降温策略，包括使用石墨烯和金刚石等特殊材料，采用先进的封装技术（如芯片堆叠和背面供电），以及开发新型冷却方法（如微流体通道和浸没式冷却系统）。
与此同时，研究人员也在重新思考芯片架构。“在设计阶段就必须考虑热限制因素，”加州大学洛杉矶分校材料科学与工程系杰出教授Alexander Balandin表示。
热点问题
几十年来，热问题大多被忽视了。简单的散热器和气流系统就足够使用了。“虽然人们意识到需要更好的冷却方案，但这些系统依然可靠且效果良好，”俄勒冈州立大学热流体科学副教授Joshua Gess说。
随着Dennard缩放定律效力的减弱，情况开始发生变化。随着CPU、GPU和AI加速器产生大量局部热量，工程师们面临着一个严峻的挑战：必须在半导体设计中直接纳入热管理机制。随着功耗需求的增加，“简单地在芯片上粘贴冷却模块已经不再可行，”加州大学洛杉矶分校机械工程助理教授Tiwei Wei指出。
如今的高密度系统芯片（SoC），包括堆叠芯片和2.5D/3D芯片片，
c，在热量积聚时常常表现出不可预测的热行为。即使芯片没有满负荷运行，CPU和GPU也可能出现局部温度骤升的情况。例如，“AI加速器在启动时会瞬间产生大量热量——有时持续30秒到8分钟。冷却系统必须能够应对这些不可预测的热浪，”Gess说。
这种波动性迫使设计师在设计中嵌入更多的热传感器、更精细的控制逻辑和更智能的节流机制。虽然现有的冷却方法（如液体冷却、微喷射和浸没冷却）仍能发挥作用，但这些技术带来了设计限制、基础设施挑战以及环境问题（例如使用含有PFAS化学物质的先进冷却剂，这些物质虽然高效但具有毒性且受到严格监管）。
事实上，人们越来越意识到现有的冷却技术无法适应未来的半导体发展。“传统技术已经达到了极限，”Wei指出，“我们必须开发更智能的材料、新型高效的冷却设计以及热电协同设计策略，以使冷却系统更贴近芯片本身。”
新的冷却前沿
下一代冷却技术正在形成。一些方法基于现有的材料和技术（如两相液体冷却），但进一步拓展到了增材制造和专用通道设计领域。这些设计利用流体的相变（通常是从液态到气态）来更高效地吸收和传递热量。
其他方法则旨在减少或消除传统的低导热性组件，包括热界面材料（TIMs），即位于芯片和冷却元件之间的薄层。取而代之的是，设计师们正在探索将微流体散热器直接集成到硅芯片上的创新方式。然而，这些高效系统需要超精密的制造工艺，并带来了材料兼容性、长期可靠性和制造成本等方面的新问题。
然而，仅仅扩展现有技术是无法解决问题的。日益密集的电路结构需要完全不同的芯片设计。例如，在加州大学洛杉矶分校，Wei和他的研究团队正在开发一种直接在芯片上实现冷却的技术，该技术通过微型喷嘴将液体直接喷射到芯片热点区域进行冷却，从而消除了对传统TIMs的需求。
“我们无法在不增加泄漏的情况下进一步降低电压，否则芯片温度会升高得更多，”Wei说。“我们必须开发更好的冷却系统。”
这种趋势迫使设计师们在设计中加入更多的热传感器、更精细的控制逻辑和更智能的节流机制。虽然当前的冷却方法仍有一定的效果，但这些技术也带来了新的挑战，如基础设施要求和环境问题（例如使用含有PFAS化学物质的先进冷却剂）。
实际上，人们逐渐意识到现有的冷却技术无法适应未来的半导体发展。“传统技术已经达到了极限，”Wei指出，“我们必须开发更智能的材料、新型高效的冷却设计和热电协同设计策略，使冷却系统更贴近芯片本身。”
新的冷却前沿
下一代冷却技术正在发展。一些方法基于现有的材料和技术（如两相液体冷却），但进一步拓展到了增材制造和专用通道设计领域。这些设计利用流体的相变（通常是从液态到气态）来更高效地吸收和传递热量。
其他方法则旨在减少或消除传统的低导热性组件，包括热界面材料（TIMs）。取而代之的是，设计师们正在探索将微流体散热器直接集成到硅芯片上的创新方法。然而，这些高效系统需要超精密的制造工艺，并带来了材料兼容性、长期可靠性和制造成本等方面的新问题。
然而，仅仅扩展现有技术是无法解决问题的。日益密集的电路结构需要全新的芯片设计。在加州大学洛杉矶分校，Wei和他的团队正在开发一种直接在芯片上实现冷却的技术，该技术通过微型喷嘴将液体直接喷射到芯片热点区域进行冷却，从而消除了对传统TIMs的需求。
不过，这项技术仍面临技术挑战：即使是非常微小的表面缺陷也可能导致空气滞留，从而增加界面电阻和机械应力。此外，还有关于该技术是否能够实现大规模应用的实际问题。
Wei的方法是解决半导体散热问题的几种创新之一。如今的高性能计算芯片通常采用垂直堆叠的芯片片和先进的背面供电技术，这会导致热量在芯片内部层间积聚。“随着层数的增加，实际上就像建造了一座‘热高层建筑’，”Gess解释道。嵌入式微流体冷却通道（类似于管道的冷却结构）是一种新兴的解决方案。
为应对这些挑战，设计者们正在转向更全面的热协同设计。设计师们从设计初期就开始考虑热行为，有时甚至利用人工智能来进行优化。这包括调整芯片布局、重新设计晶体管排列方式，以及在芯片中嵌入传感器和控制逻辑。
材料创新
Balandin在2008年开发的石墨烯薄膜和增强型TIMs为碳纳米管基冷却技术提供了一种更实用且可扩展的替代方案。尽管碳纳米管（CNTs）具有出色的导热性能，但石墨烯薄膜简化了制造、对齐和集成过程。在芯片热点区域放置几层石墨烯薄膜可以显著降低峰值温度并提高设备可靠性。
将石墨烯与六方氮化硼（h-BN）等电绝缘材料结合使用，可以在单层材料中同时调节电性能和热性能。Balandin指出，这种复合材料可以通过剥离或还原石墨烯氧化物大规模低成本生产。不过，挑战在于如何在高温区域实现材料的精确对齐和粘合，同时保持低热阻。
除了石墨烯，金刚石也因其出色的导热性和机械稳定性而受到关注。研究人员正在研究金刚石薄膜和微bond层，以促进热量横向扩散。Balandin表示，目前的挑战在于开发经济高效的沉积技术，并将这些材料与现有的半导体制造工艺结合。
一种解决方法是使用合成金刚石和砷化硼（BA），这两种材料都具有优异的导热性能。
不断进步的设计
越来越明显的是，未来的冷却技术将涉及芯片设计、热管理和系统集成的结合。工程师们正在利用传感器、物理仿真和新兴的人工智能工具（如机器学习和数字孪生技术）来协调材料科学、流体动力学和组件之间的关系。
Imec和其他研究中心还在研究加速热量从局部热点区域扩散的技术。这包括使用金刚石等散热材料以及局部介电替代材料（如氮化铝）来平滑温度峰值，以及更复杂的背面供电网络（BSPDNs），这些网络是CMOS 2.0技术的一部分。
其他研究方向还包括3D打印，它可以制造出形状和结构更优的散热器，以及直接在芯片上实现金属键合，从而完全消除传统的热界面层。通过直接将金属冷板键合到硅芯片上，可以降低热阻并更高效地散热。目前的问题是这两种材料之间的兼容性。Gess认为，半导体行业可能需要重新考虑硅是否仍是最佳芯片材料。
显然，没有一种冷却技术能够解决所有热问题。正如Myers所指出的，智能手机和数据中心中的GPU在尺寸和性能上存在很大差异。他认为，未来的解决方案可能会结合多种专业化和混合技术，以提高性能、提升能源效率并降低成本。
“热限制已经不再是单纯的硬件问题，它们正在塑造整个计算领域的发展方向，”Myers总结道，“如果我们能更智能地冷却芯片，就能更高效地运行。”
术语表
液体冷却：通过通道或冷板循环液体以吸收热量。
浸没冷却：将芯片和其他电子元件浸入非导电液体中以实现高效散热。微喷射：利用微小液体喷射流冷却芯片热点区域。两相液体冷却：利用从液态到气态变化的流体来散热。背面供电：通过芯片底部输送电力以提高性能、密度和能效。热界面材料（TIM）：位于芯片和冷却元件之间的薄层，用于传导热量。Samuel Greengard 是一位居住在美国俄勒冈州West Linn的作家和记者。
