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為什么GPU芯片需要嵌入式液冷？

2025-08-14 10:10:17 39

英偉達(dá)（NVIDIA）芯片需要嵌入式液冷技術(shù)，主要是為了應(yīng)對(duì)人工智能（AI）和高性能計(jì)算（HPC）工作負(fù)載對(duì)散熱和能效的嚴(yán)苛要求。隨著GPU計(jì)算密度和功耗的持續(xù)增加，傳統(tǒng)的風(fēng)冷方案已無(wú)法滿(mǎn)足其散熱需求。例如，英偉達(dá)的H100和H200 GPU的功耗可達(dá)1500W以上，傳統(tǒng)空氣冷卻系統(tǒng)難以有效散熱。

嵌入式液冷技術(shù)通過(guò)將微通道冷卻塊直接集成到芯片封裝中，實(shí)現(xiàn)了熱源與冷卻介質(zhì)的緊密耦合，顯著降低了熱阻，提高了散熱效率。例如，JetCool為NVIDIA H100 GPU設(shè)計(jì)的SmartPlate采用單相直接芯片液冷技術(shù)，具有0.021°C/W的低熱阻，支持高達(dá)1500W的散熱功率。

此外，嵌入式液冷還具有降低能耗、降低噪音和節(jié)省空間等優(yōu)勢(shì)。例如，Supermicro與英偉達(dá)合作的液冷AI開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用液冷系統(tǒng)可降低高達(dá)40%的電力使用，提升AI工作負(fù)載效率。

一、什么是嵌入式液冷？

嵌入式液冷是把液體冷卻系統(tǒng)“集成進(jìn)”芯片或封裝內(nèi)，而不是像傳統(tǒng)那樣把散熱器掛在芯片外邊。具體來(lái)說(shuō)是在CPU封裝（IHS 或直接在封裝外殼）上集成一個(gè)微通道冷卻塊，液體通過(guò)這些微通道直流熱點(diǎn)區(qū)域帶走熱量。這種做法，將熱源和冷卻介質(zhì)之間的熱阻降到最低。

Intel 已在其 Foundry Direct Connect 展會(huì)上展示過(guò)原型：銅制微通道冷卻塊直接安裝在 CPU 包裝頂部，配合液態(tài)金屬或焊料 TIM 層，冷卻功率可達(dá) 1000?W，效率比傳統(tǒng) delid 后水冷系統(tǒng)高 15?20%。

二、核心組成與實(shí)現(xiàn)方式

1. 微通道冷卻塊（Copper microchannel block）

制作在銅或高熱導(dǎo)材料中，通過(guò)精密刻蝕或加工形成微通道。
流體沿最低熱阻路徑直擊熱點(diǎn)區(qū)域，因此冷卻更*、更高效。

2. 熱界面材料（TIM）

使用液態(tài)金屬或焊料替代傳統(tǒng)導(dǎo)熱硅脂，這樣能更緊密地將封裝頂部與冷卻塊接觸，減少熱界面熱阻，從而提升熱傳遞效率。

3. 封裝集成方式

該冷卻結(jié)構(gòu)通常設(shè)計(jì)為與 LGA 或 BGA 封裝兼容，安裝后成為封裝的一部分，不需要額外大體積散熱器。
對(duì)未來(lái) AI、HPC、服務(wù)器工作站等高熱密度應(yīng)用能有效滿(mǎn)足散熱需求。

三、優(yōu)點(diǎn)分析

熱阻最小：熱流路徑短、更直接，封裝到冷卻液僅一層 TIM。
*針對(duì)熱點(diǎn)：通道布局可根據(jù)芯片內(nèi)部熱點(diǎn)分布（如高功耗電核等）規(guī)劃，增強(qiáng)局部冷卻效率。
能量擺放更緊密：冷卻塊極薄，可支持高度集成、高功耗芯片設(shè)計(jì)。
整體系統(tǒng)體積更小：無(wú)需傳統(tǒng)大型散熱器或 AIO 水冷器，封裝本身即冷卻單元。

四、局限及挑戰(zhàn)

1. 工藝與制造難度

在封裝頂部集成微通道水冷結(jié)構(gòu)，制造工藝復(fù)雜，對(duì)封裝精度、材料選擇、流體密封要求高；
需求與芯片設(shè)計(jì)緊密耦合，從封裝設(shè)計(jì)端就需協(xié)作定制。

2. 流體與氣泡管理

當(dāng)流量或溫度設(shè)計(jì)碰到兩相區(qū)（液體沸騰區(qū)域），會(huì)產(chǎn)生氣泡，影響流動(dòng)路徑與熱交換性能；
要精控微通道幾何結(jié)構(gòu)、入口壓力、流速等參數(shù)，避免氣堵、沸騰不均、局部干涸。

3. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與可靠性

封裝內(nèi)流速過(guò)高可能會(huì)引起壓力損失、結(jié)構(gòu)振動(dòng)，甚至泄漏；
TIM、銅塊、封裝接合界面必須長(zhǎng)期穩(wěn)定、耐熱循環(huán)，防止疲勞失效。

五、整體技術(shù)流程（系統(tǒng)性梳理）

階段	內(nèi)容	要點(diǎn)說(shuō)明
設(shè)計(jì)階段	聯(lián)合芯片+封裝+熱設(shè)計(jì)協(xié)作	根據(jù) CPU/GPU 熱點(diǎn)分布規(guī)劃微通道布局
制造階段	封裝集成微通道冷卻塊	銅制或高導(dǎo)熱材料，通過(guò)微加工或封裝抑制
接觸層處理	液態(tài)金屬或焊料 TIM	提高界面導(dǎo)熱性，減少傳統(tǒng)熱界面阻抗
系統(tǒng)集成	管路、泵、流速控制	控制流動(dòng)壓力與溫度，防止氣泡失控
測(cè)試階段	熱性能驗(yàn)證與可靠性測(cè)試	包括熱循環(huán)、沖擊、壓力與漏水測(cè)試
應(yīng)用階段	部署在高功耗AI、HPC服務(wù)器	使用范圍包括 Xeon、Core Ultra 等封裝

六、總結(jié)一句話(huà)

嵌入式液冷就是把「微型銅制水冷塊」直接集成到封裝上，并通過(guò)液態(tài)金屬 TIM 層緊耦合在封裝與液體之間，能把熱流路徑拉到最短，實(shí)現(xiàn)高達(dá) 1000?W 的散熱能力，是為高熱密度芯片而生的一種顛覆性散熱技術(shù)。不過(guò)，對(duì)制造、流體控制、長(zhǎng)期可靠性都提出了很高要求。

免責(zé)聲明：本文采摘自“老虎說(shuō)芯”，本文僅代表作者個(gè)人觀(guān)點(diǎn)，不代表薩科微及行業(yè)觀(guān)點(diǎn)，只為轉(zhuǎn)載與分享，支持保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明原出處及作者，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系我們刪除。

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