隨著電子設備的不斷發(fā)展，對具有更高功率密度和緊湊封裝的高性能芯片的需求不斷增長。這種趨勢給熱管理帶來了重大挑戰(zhàn)，這些芯片產(chǎn)生的熱量必須有效消散，以確保最佳性能、可靠性和壽命。

在本文中，我們將探討芯片熱設計功耗 (TDP)、熱流密度和熱點分布這些關鍵概念，以及需要考慮的因素和創(chuàng)新的冷卻技術。這些有助于熱設計工程師在選擇冷卻方案時做出明智的決策。

理解關鍵概念

在深入了解芯片冷卻之前，有必要了解與芯片熱管理相關的關鍵概念：

熱設計功耗 (TDP)

TDP 是用于評估微處理器散熱能力的指標。它定義了處理器在最大負載下運行時釋放的熱量，以及相應的外殼溫度。Intel 和 AMD 最新微處理器的 TDP 值范圍為 32W 至 350W，隨著微處理器工作頻率的增加，該數(shù)字正在繼續(xù)上升。IDTechEx 報告聲稱，在過去 17 年里，GPU 熱設計功耗 (TDP) 激增了四倍。這一趨勢給數(shù)據(jù)中心熱管理帶來了重大挑戰(zhàn)。

熱流密度（Heat flux）

熱流密度（熱通量）是每單位面積傳遞的熱量的量度。不斷增長的云計算、加密計算和人工智能需求，正推動芯片的 TDP 持續(xù)上升。2023 年，TDP 接近 750W 的芯片已經(jīng)存在。未來的高熱流密度芯片，熱通量可高達 300W/cm^2，對熱管理來說具有挑戰(zhàn)性。

熱點（Hotspot）

熱點是指芯片封裝上熱量集中度明顯較高的區(qū)域。這些熱點可能難以跟蹤和管理，并且可能會影響芯片的性能和使用壽命。熱點區(qū)域并不一定位于芯片中央，工程師需要根據(jù)熱點的分布情況采取正確的散熱設計策略。

圖：適用于 Zen 4 版本的 AM5 插槽的 Noctua 散熱器偏置安裝桿，將散熱器最大的壓力施加到芯片 CCD 產(chǎn)生的熱點正上方的部分，獲得了一定程度冷卻性能的提升（1.3-3.1℃）（圖片來源：Noctua）

功率圖（Power map）

功率圖是顯示集成電路 (IC) 或芯片上的功率或熱量分布的圖形。它通常由表示不同熱通量的矩形區(qū)域組成，每個區(qū)域代表芯片上的不同功能塊的功率。功率圖用于估計整個芯片的溫度分布，對于了解芯片的熱行為、識別熱點和設計有效的冷卻解決方案至關重要。

圖：顯示了典型的芯片功率圖和相應芯片溫度圖上的熱點，紅色區(qū)域代表最高溫度點［1]。

芯片熱管理需要考慮的因素

在設計芯片冷卻解決方案時，建議考慮以下幾個因素以確保最佳性能和使用壽命：

芯片功率和熱阻

芯片的功率輸出和熱阻是確定適當冷卻解決方案的關鍵因素。高功率、高熱阻芯片需要更有效的冷卻解決方案，例如液冷系統(tǒng)或高效熱管、均熱板。低功耗、低熱阻的芯片可能只需要基本的散熱器或風扇冷卻。

熱源位置

熱源的位置不僅限于芯片表面，還可以在有電流流動的其他區(qū)域找到，例如焊線、焊球和PCB上的內部導體。

熱點的不均勻分布

熱點比芯片上其他區(qū)域產(chǎn)生更多的熱量，設計一個能夠有效針對這些熱點的冷卻系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)能源效率，而均質的冷卻系統(tǒng)可能會導致熱點過熱或其他區(qū)域過冷。因此，有必要根據(jù)不同芯片的功率分布情況，定制冷卻系統(tǒng)，增強熱點冷卻。

只考慮熱設計功耗 (TDP)的后果

在為芯片選擇冷卻方案時，需綜合考慮熱設計功耗 (TDP)、熱流密度和熱點分布，如果只考慮芯片的熱設計功耗（TDP），可能會遇到幾個問題：

TDP 是計算機冷卻系統(tǒng)需要消散的最大熱量的衡量標準。然而，實際功耗可能高于或遠低于 TDP。TDP 旨在為工程師為其產(chǎn)品設計散熱方案提供指導，但并不一定代表芯片的實際功耗或發(fā)熱情況。

僅關注芯片的 TDP 可能會導致忽略系統(tǒng)中的其他熱源，其他組件（例如電源、顯卡，甚至硬盤驅動器）也會產(chǎn)生大量熱量，需要進行熱管理。

某些芯片具有“Turbo-Boost”功能，使它們能夠在短時間內以更高的功率水平運行。這將顯著增加熱量輸出，使其超出 TDP 值。如果冷卻解決方案僅設計用于處理 TDP，則可能無法在 Turbo-Boost 期間充分冷卻芯片。

增強熱點冷卻的創(chuàng)新方法

專家估計，熱點的功率密度可能是芯片平均功率密度的 3-8 倍。例如，富士通一項針對高性能服務器 CPU 封裝的研究預測，時鐘驅動器的最大功率密度將超過 1500 W/cm^2，而芯片平均功率密度約為 30 W/cm^2［2]。

為了解決高功率芯片的熱點問題，工程師開發(fā)了幾種創(chuàng)新的冷卻解決方案：

混合冷卻

美國普羅維登斯布朗大學和波士頓大學的研究人員針對處理器的局部熱點，開發(fā)了一種混合冷卻策略，即將熱電冷卻器 (TEC) 與微通道液體冷卻集成的 LoCool 方法。它可以針對給定的芯片功率分布和溫度約束確定最節(jié)能的冷卻設置。

LoCool 根據(jù)各個熱點以及背景熱量的冷卻要求來確定每個 TEC 的液體流速和輸入電流。實驗評估表明，與在相同熱約束下設計均質冷卻系統(tǒng)相比，可節(jié)省高達 40% 的冷卻能源［3]。

圖：結合微通道液體冷卻和 TEC 的混合冷卻設計的前視圖。TEC 嵌入在 TIM 中，并放置在高熱通量區(qū)域的頂部以增強熱點冷卻，而微通道則用于消除 TEC 泵送的熱量和背景熱量［3]。

嵌入式微流體冷卻

另一種方法是將微流體通道蝕刻到芯片或基板中，然后將液體冷卻劑泵入其中。這種方法使冷卻方案更接近發(fā)熱晶體管，這比經(jīng)過數(shù)毫米的導熱層將熱量傳遞到外部散熱器中更有效。

例如，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院的一個團隊創(chuàng)造了一種具有嵌入式冷卻系統(tǒng)的微芯片。他們將 20μm 至 100μm 的微流體通道蝕刻到半導體芯片本身的結構中，將芯片本身變成高性能散熱器。這些內部通道使冷卻劑能夠瞄準芯片內的熱點，從而在最需要的地方提供冷卻［4]。

圖：瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院開發(fā)芯片內集成的微通道液體冷卻

微對流冷卻

JetCool 的專利微對流液體冷卻技術使用流體噴射陣列來冷卻業(yè)界最高功率的芯片。有別于在通道內輸送冷卻流體的傳統(tǒng)冷板，它們的冷卻噴嘴直接在芯片表面噴射冷卻劑，消除了 TIM 熱阻，從而在傳熱方面產(chǎn)生數(shù)量級的改進［5]。

JetCool 微對流冷卻在傳熱效率上獲得數(shù)量級的提升［5]（圖源：JetCool）

總之，在設計芯片冷卻解決方案時綜合考慮 TDP、熱流密度和熱點分布對于確保最佳性能、可靠性和壽命至關重要。通過了解這些關鍵概念并考慮各種因素以及創(chuàng)新冷卻技術，熱設計工程師可以在為電子設備選擇冷卻方案時做出明智的決策。隨著技術的不斷發(fā)展，熱管理解決方案的持續(xù)創(chuàng)新和研究對于電子行業(yè)的成功仍然至關重要。

本文標題：綜合考慮 TDP、熱流密度和熱點分布以實現(xiàn)最佳芯片冷卻

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