芯片冷卻, 涌現(xiàn)大量“黑科技”

2026-07-03 18:17

最近，英偉達(dá)在官方博客上宣布了一件事：其下一代AI計(jì)算平臺(tái)Rubin將徹底取消風(fēng)扇，100%依賴液冷運(yùn)行。同一個(gè)月，韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院（KAIST）團(tuán)隊(duì)發(fā)表論文，展示了一種將室溫水直接注入芯片內(nèi)部微管道的冷卻技術(shù)，性能系數(shù)達(dá)到此前世界紀(jì)錄的10倍。再往前推幾天，SK海力士發(fā)布了在HBM內(nèi)存封裝中直接集成散熱元件的iHBM方案。

這些消息密集地出現(xiàn)，并非巧合。當(dāng)單顆AI加速器的功耗逼近1000W、單個(gè)機(jī)架的功率接近1兆瓦時(shí)，空氣冷卻的物理極限已經(jīng)到了。施耐德電氣總裁的判斷很直接："一旦單芯片功耗超過(guò)某個(gè)閾值，液冷就不再是可選項(xiàng)，而是必需品。"

圍繞"散熱"這件事，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正在經(jīng)歷一次從芯片內(nèi)部到數(shù)據(jù)中心外墻的全鏈路重構(gòu)。

KAIST的顛覆性突破

在芯片級(jí)散熱領(lǐng)域，傳統(tǒng)的外部液冷方案正面臨流體阻力大、泵送能耗高以及溫度分布不均的瓶頸。6月16日，KAIST研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表了一項(xiàng)突破性研究，展示了一種從芯片內(nèi)部進(jìn)行冷卻的超高效液冷技術(shù)。

KAIST團(tuán)隊(duì)沒有依賴昂貴的合成金剛石等特種導(dǎo)熱材料，而是將"歧管微通道"（manifold microchannel）結(jié)構(gòu)直接雕刻在硅半導(dǎo)體芯片內(nèi)部。這種設(shè)計(jì)類似于一個(gè)高效的物流網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)在芯片上均勻分布多個(gè)微型入口和出口，大幅縮短了冷卻流體的傳輸距離，從而顯著降低了流阻和所需的泵送壓力。

該技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在三個(gè)維度：第一，極高的冷卻效率——在實(shí)驗(yàn)中，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了106,000的冷卻性能系數(shù)（COP），這一指標(biāo)是2020年《Nature》所記錄的世界紀(jì)錄的10倍，意味著芯片制造商只需十分之一的泵送功率就能移除同等數(shù)量的熱量。第二，極限熱負(fù)荷下的穩(wěn)定性——即使在每平方厘米2000瓦的極端熱負(fù)荷下，該系統(tǒng)仍能使用普通的室溫水將芯片溫度控制在100°C的安全閾值以下。第三，與現(xiàn)有工藝的兼容性——整個(gè)微通道的制造工藝在350°C以下完成，完全兼容現(xiàn)有的商業(yè)半導(dǎo)體晶圓代工生產(chǎn)線，無(wú)需耗資數(shù)十億美元采購(gòu)新設(shè)備。

KAIST教授Sung Jin Kim指出，隨著AI半導(dǎo)體和先進(jìn)電子封裝的性能越來(lái)越受熱量限制，這項(xiàng)技術(shù)有望成為未來(lái)高性能計(jì)算系統(tǒng)的基礎(chǔ)冷卻解決方案。微流控芯片冷卻技術(shù)的商業(yè)化前景廣闊，據(jù)Fact.MR的報(bào)告預(yù)測(cè)，全球微流控芯片冷卻市場(chǎng)將從2025年的3.843億美元激增至2036年的28.6億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）高達(dá)20%。

HBM5時(shí)代的“熱防御戰(zhàn)”

在AI計(jì)算系統(tǒng)中，計(jì)算核心（GPU/ASIC）與高帶寬內(nèi)存（HBM）之間的數(shù)據(jù)傳輸是性能的關(guān)鍵。然而，隨著HBM從HBM3E向HBM4E甚至HBM5演進(jìn)，堆疊層數(shù)預(yù)計(jì)將達(dá)到20層左右，熱量積聚已成為限制性能和可擴(kuò)展性的核心瓶頸。存儲(chǔ)芯片三巨頭SK海力士、三星和美光的競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)，已從單純的容量和帶寬比拼，轉(zhuǎn)向了封裝級(jí)熱管理技術(shù)的較量。

5月27日，SK海力士率先發(fā)布了"iHBM"熱解決方案，宣布將其應(yīng)用于包括HBM5在內(nèi)的下一代產(chǎn)品中。傳統(tǒng)的HBM設(shè)計(jì)依賴于通過(guò)基礎(chǔ)裸片散熱，而SK海力士的iHBM方案則從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了顛覆。該技術(shù)將冷卻元件直接集成到HBM堆棧與GPU之間的D2D PHY接口中。ICE是一種硅基材料，具備高導(dǎo)熱性但電絕緣，在封裝內(nèi)部構(gòu)建了一條額外的散熱通道。SK海力士官方數(shù)據(jù)顯示，該設(shè)計(jì)可將熱阻降低30%，同時(shí)顯著提升系統(tǒng)在高負(fù)載下的運(yùn)行穩(wěn)定性。

三星電子不甘示弱，在隨后的COMPUTEX 2026展會(huì)上展示了其搭載HPB技術(shù)的HBM5模型。三星DS部門首席技術(shù)官Song Jae-hyuk確認(rèn)，HPB技術(shù)已在HBM4E中實(shí)施，其可靠性得到了驗(yàn)證。與SK海力士類似，三星也瞄準(zhǔn)了D2D PHY這一主要熱源區(qū)域。HPB技術(shù)在D2D PHY區(qū)域引入了獨(dú)立的硅基熱路徑，以改善熱傳導(dǎo)。三星此前已將銅基HPB結(jié)構(gòu)應(yīng)用于其Exynos 2600應(yīng)用處理器中，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)16%的熱阻降低。而在HBM應(yīng)用中，三星正致力于將HPB集成到整個(gè)內(nèi)存堆棧的全局設(shè)計(jì)中，優(yōu)化基礎(chǔ)裸片和核心裸片的布局。

美光科技則采取了不同的技術(shù)路線。美光將重點(diǎn)放在低功耗HBM設(shè)計(jì)上，主要通過(guò)其硅通孔（TSV）溝槽冷卻技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。該技術(shù)在AI加速器芯片的硅片內(nèi)部蝕刻微觀溝槽，并循環(huán)冷卻液以減少內(nèi)部熱量積聚。此外，美光在2025年獲得的一項(xiàng)美國(guó)專利揭示了一種基于電氣被動(dòng)冷卻TSV的垂直熱管理結(jié)構(gòu)。這些專門的散熱TSV與信號(hào)TSV位于同一封裝引腳內(nèi)，不占用額外的裸片面積，形成了一條低阻力的垂直散熱通道。

HBM廠商在熱管理上的激烈角逐表明，先進(jìn)封裝技術(shù)已經(jīng)超越了單純的電氣互連范疇，將熱傳導(dǎo)路徑作為架構(gòu)設(shè)計(jì)的核心要素。這一轉(zhuǎn)變將深刻影響未來(lái)AI芯片的封裝良率和制造成本。

英偉達(dá)Rubin平臺(tái)的重構(gòu)

如果說(shuō)KAIST和存儲(chǔ)廠商解決的是芯片和封裝級(jí)別的散熱問(wèn)題，那么英偉達(dá)則在系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心級(jí)別推動(dòng)了一場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的革命。2026年6月21日，英偉達(dá)官方博客發(fā)布了一篇文章，詳細(xì)披露了其新一代Rubin平臺(tái)的散熱架構(gòu)。

Rubin平臺(tái)是全球首個(gè)100%全液冷AI計(jì)算平臺(tái)。在Rubin服務(wù)器中，不僅是GPU和CPU，所有的網(wǎng)絡(luò)組件也都完全由閉環(huán)液冷系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，徹底消除了系統(tǒng)內(nèi)的風(fēng)扇。這種設(shè)計(jì)的核心突破在于其冷卻液（75%水和25%丙二醇的混合物）的運(yùn)行溫度。傳統(tǒng)的冷卻液入口溫度通常在30°C左右，而Rubin系統(tǒng)將冷卻液入口溫度推高至45°C，流出服務(wù)器時(shí)的溫度達(dá)到約55°C。

提高冷卻液溫度是基于一個(gè)基本的物理學(xué)原理：熱量從高溫物體流向低溫物體。冷卻液到達(dá)室外散熱器時(shí)溫度越高，無(wú)源室外干式冷卻器就越容易在不依賴機(jī)械冷水機(jī)或蒸發(fā)冷卻塔的情況下帶走熱量。據(jù)行業(yè)估計(jì)，冷水機(jī)組溫度每提高1度，冷卻能耗成本可降低約4%。

英偉達(dá)數(shù)據(jù)中心冷卻與基礎(chǔ)設(shè)施總監(jiān)Ali Heydari表示："DSX參考設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了零水消耗。除了在某些氣候條件下可能有1%的時(shí)間需要冷水機(jī)組外，這幾乎是一個(gè)無(wú)需蒸發(fā)冷卻的閉環(huán)系統(tǒng)。" 對(duì)于一個(gè)50兆瓦的超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心而言，轉(zhuǎn)向這種液冷基礎(chǔ)設(shè)施每年可節(jié)省超過(guò)400萬(wàn)美元的冷卻能源和水資源成本。此外，全液冷架構(gòu)大幅提升了機(jī)架密度，原本占用6個(gè)機(jī)架單元的系統(tǒng)現(xiàn)在只需2個(gè)單元，同時(shí)消除了傳統(tǒng)風(fēng)冷服務(wù)器高達(dá)85分貝以上的噪音。

英偉達(dá)的這一舉措具有強(qiáng)大的產(chǎn)業(yè)號(hào)召力。由于Rubin平臺(tái)采用全液冷設(shè)計(jì)，所有為該平臺(tái)構(gòu)建系統(tǒng)的云服務(wù)提供商（CSP）和數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商都必須完成向液冷技術(shù)的過(guò)渡。戴爾和Supermicro等服務(wù)器制造商已迅速響應(yīng)。戴爾推出了無(wú)風(fēng)扇、直接液冷的PowerEdge XE8812服務(wù)器，單機(jī)架可容納144個(gè)GPU，功率超過(guò)300kW。Supermicro則與埃克森美孚合作，驗(yàn)證基于NVIDIA B300 AI服務(wù)器的浸沒式冷卻技術(shù)，并交付了端到端的Rubin NVL4液冷機(jī)架解決方案。

液冷初創(chuàng)公司的黃金時(shí)代

隨著液冷技術(shù)成為剛需，資本市場(chǎng)對(duì)該領(lǐng)域的關(guān)注度空前高漲。近期，液冷初創(chuàng)公司頻頻傳出巨額融資消息。

Accelsius宣布完成6500萬(wàn)美元的B輪融資，由建筑技術(shù)巨頭江森自控（Johnson Controls）領(lǐng)投。該公司的NeuCool兩相直接到芯片液冷平臺(tái)采用無(wú)水設(shè)計(jì)，據(jù)稱與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比可節(jié)省高達(dá)50%的能源，每個(gè)插槽的冷卻能力超過(guò)4500W。

另一家備受矚目的初創(chuàng)公司是Omen AI。該公司在6月底完成了由Nava Ventures領(lǐng)投的3100萬(wàn)美元A輪融資。隨著液冷系統(tǒng)的普及，冷卻液的健康狀況成為影響數(shù)據(jù)中心穩(wěn)定運(yùn)行的隱患。Omen AI開發(fā)了一種微型光譜儀，利用人工智能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)冷卻液的化學(xué)成分，在細(xì)菌爆發(fā)或設(shè)備磨損導(dǎo)致數(shù)百萬(wàn)美元停機(jī)損失之前發(fā)出預(yù)警。目前，該公司已與包括TensorWave在內(nèi)的十多家數(shù)據(jù)中心客戶展開合作。

在資本市場(chǎng)的二級(jí)市場(chǎng)，投資者也用真金白銀對(duì)液冷趨勢(shì)投下了贊成票。在英偉達(dá)發(fā)布Rubin液冷細(xì)節(jié)后，傳統(tǒng)HVAC（供暖、通風(fēng)與空調(diào)）股票應(yīng)聲下跌。這反映出市場(chǎng)認(rèn)為傳統(tǒng)風(fēng)冷設(shè)備在AI數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)的份額將被液冷技術(shù)迅速侵蝕。同時(shí)，Vertiv、施耐德電氣等在液冷領(lǐng)域布局深厚的企業(yè)，其市值在過(guò)去一年中實(shí)現(xiàn)了顯著增長(zhǎng)。BNP Paribas在6月的研報(bào)中將Vertiv和Eaton列為AI數(shù)據(jù)中心冷卻領(lǐng)域的首選標(biāo)的。

邊界之外的挑戰(zhàn)

盡管液冷技術(shù)在降低數(shù)據(jù)中心內(nèi)部能耗和水耗方面展現(xiàn)出巨大潛力，但它并非解決AI能源危機(jī)的"萬(wàn)能藥"。

芝加哥大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)教授Andrew Chien指出，英偉達(dá)的45°C閉環(huán)系統(tǒng)確實(shí)是一項(xiàng)工程壯舉，但所謂的"零水消耗"僅僅是數(shù)據(jù)中心物理邊界內(nèi)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。根據(jù)Xylem和Global Water Intelligence的分析，到2050年，直接用于數(shù)據(jù)中心冷卻的水資源僅占AI新增水資源需求的約4%。相比之下，為數(shù)據(jù)中心供電的發(fā)電廠消耗了54%的水資源，而半導(dǎo)體制造環(huán)節(jié)則消耗了42%。這意味著，液冷技術(shù)雖然解決了"近水樓臺(tái)"的冷卻問(wèn)題，但并未從根本上消除AI產(chǎn)業(yè)鏈對(duì)整體水資源和能源的龐大消耗。

此外，地理環(huán)境也是液冷技術(shù)普及的制約因素。英偉達(dá)的45°C系統(tǒng)在溫帶氣候可以實(shí)現(xiàn)無(wú)冷水機(jī)組運(yùn)行，但在亞利桑那、得克薩斯或新加坡等炎熱地區(qū)，在最熱的日子里仍需依賴機(jī)械冷卻。而當(dāng)前大量規(guī)劃中的AI數(shù)據(jù)中心恰恰位于這些水資源緊張的地區(qū)。

在商業(yè)落地方面，浸沒式冷卻等先進(jìn)技術(shù)仍面臨維護(hù)復(fù)雜性的挑戰(zhàn)。將服務(wù)器浸泡在介電液體中意味著硬件維護(hù)需要將設(shè)備從冷卻槽中吊出、排液并清潔，這大大增加了運(yùn)維的時(shí)間和難度。日本電信巨頭KDDI與三菱重工合作，在大阪堺市部署了采用浸沒式冷卻的商業(yè)數(shù)據(jù)中心，將冷卻能耗降低了94%，PUE降至1.05。但這類部署的前期資本支出遠(yuǎn)高于風(fēng)冷系統(tǒng)，且對(duì)現(xiàn)有老舊數(shù)據(jù)中心的改造難度極大。

經(jīng)濟(jì)學(xué)中的"杰文斯悖論"同樣適用于此：當(dāng)冷卻每一瓦特算力的成本變得更低、更容易時(shí)，最可能的結(jié)果是部署更多、更密集的算力，從而在系統(tǒng)層面上抵消了單位能耗的節(jié)省。

結(jié)語(yǔ)

芯片冷卻已經(jīng)從一個(gè)邊緣的工程支持環(huán)節(jié)，躍升為決定AI基礎(chǔ)設(shè)施成敗的核心戰(zhàn)略要素。從KAIST的微通道創(chuàng)新，到SK海力士與三星的封裝級(jí)熱防御，再到英偉達(dá)主導(dǎo)的機(jī)架級(jí)全液冷革命，一條清晰的技術(shù)演進(jìn)路線已經(jīng)浮現(xiàn)：冷卻系統(tǒng)正在不斷向熱源（硅片）逼近。

在這個(gè)由算力驅(qū)動(dòng)的新時(shí)代，誰(shuí)能最有效地管理熱量，誰(shuí)就能在性能、密度和運(yùn)營(yíng)成本上占據(jù)優(yōu)勢(shì)。熱管理不再僅僅是物理學(xué)問(wèn)題，它已經(jīng)成為AI時(shí)代的"新摩爾定律"，定義著算力增長(zhǎng)的物理邊界與商業(yè)天花板。對(duì)于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的參與者而言，掌握先進(jìn)冷卻技術(shù)，就是在未來(lái)的AI算力版圖中握住了至關(guān)重要的入場(chǎng)券。

原文標(biāo)題 : 芯片冷卻，涌現(xiàn)大量“黑科技”