隨著晶體管數(shù)量的持續(xù)增長(zhǎng)，我們?cè)絹?lái)越接近硅的物理和熱極限。隨著晶體管尺寸的縮小，漏電流不斷增大，每平方毫米產(chǎn)生的熱量也越來(lái)越難以消散。近年來(lái)，業(yè)界已轉(zhuǎn)向先進(jìn)的封裝技術(shù)(例如小芯片、3D堆疊和中介層)，以突破這些限制，而不是強(qiáng)行突破。如今，性能提升不再僅僅依賴(lài)于縮小晶體管尺寸，而更多地依賴(lài)于巧妙的架構(gòu)、互連和熱設(shè)計(jì)策略。

　　為了對(duì)這些涉及熱量和計(jì)算機(jī)在納米尺度上工作方式的物理問(wèn)題給出適當(dāng)?shù)拇鸢�，本文將涉及熱量的基本科學(xué)、熱量在電子器件中產(chǎn)生的方式和原因，以及我們?yōu)榭刂茻崃慷�開(kāi)發(fā)的各種方法。

　　熱的基礎(chǔ)知識(shí)

　　如果你還記得高中物理，熱量其實(shí)就是構(gòu)成我們世界的原子和分子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)一個(gè)分子的動(dòng)能高于另一個(gè)分子時(shí)，我們說(shuō)它更熱。當(dāng)兩個(gè)物體接觸時(shí)，熱量會(huì)從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體，持續(xù)傳遞直到兩者達(dá)到平衡。這意味著較熱的物體會(huì)將部分熱量傳遞給較冷的物體，最終溫度會(huì)介于兩者之間。

　　傳熱所需的時(shí)間取決于相關(guān)材料的熱導(dǎo)率。熱導(dǎo)率衡量的是材料傳導(dǎo)熱量的能力。

　　像泡沫塑料這樣的絕緣體具有相對(duì)較低的熱導(dǎo)率，約為 0.03，而像銅這樣的導(dǎo)體具有較高的熱導(dǎo)率，約為 400。在兩個(gè)極端下，真正的真空具有 0 的熱導(dǎo)率，而鉆石具有已知的最高熱導(dǎo)率，超過(guò) 2,000。

　　要記住的一件重要事情是，熱量總是流向較冷的區(qū)域，但從技術(shù)上講，并不存在“冷”這種東西——只有當(dāng)某物的熱量低于周?chē)�環(huán)境時(shí)，我們才會(huì)感覺(jué)到它的“冷”。

　　需要記住的一點(diǎn)是，熱量總是流向較冷的區(qū)域，但嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，并不存在所謂的“冷”——只有當(dāng)物體的熱量低于其周?chē)�環(huán)境時(shí)，我們才會(huì)感覺(jué)到它的“冷”。我們需要的另一個(gè)關(guān)鍵定義是熱質(zhì)量，它代表了物體對(duì)溫度波動(dòng)的慣性。使用相同尺寸的暖氣爐，加熱一個(gè)房間比加熱整棟房子要容易得多。這是因?yàn)橐粋�(gè)房間的熱質(zhì)量比整棟房子的熱質(zhì)量小得多。

　　我們可以用燒水這個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)概括所有這些概念。當(dāng)你打開(kāi)爐子時(shí)，熱的火焰會(huì)與較冷的鍋接觸。由于鍋的材質(zhì)是良好的熱導(dǎo)體，火的熱量會(huì)傳遞到水中，直到水沸騰。

　　燒開(kāi)水所需的時(shí)間取決于加熱方式、鍋的材質(zhì)和水量。如果你嘗試用小打火機(jī)燒開(kāi)一壺水，比用爐子的大火燒開(kāi)要花很長(zhǎng)時(shí)間。這是因?yàn)闋t子的熱輸出(以瓦特為單位)比小打火機(jī)高得多。

　　其次，如果鍋的導(dǎo)熱系數(shù)更高，水沸騰的速度也會(huì)更快，因?yàn)楦�多的熱量�?huì)被傳遞到水中。如果你足夠有錢(qián)，一口鉆石鍋*是你的夢(mèng)想!最后，我們都知道，小鍋比大鍋燒水更快。這是因?yàn)樾″佇枰�加熱的熱質(zhì)量更小。

　　烹飪完成后，你可以讓水自然冷卻。冷卻過(guò)程中，水中的熱量會(huì)釋放到較冷的房間。由于房間的熱質(zhì)量遠(yuǎn)高于鍋具，因此其溫度不會(huì)有太大變化。

　　芯片中的三大熱源

　　既然我們了解了熱量的工作原理以及它在物體之間的傳遞方式，那么我們首先來(lái)談?wù)勊�的�?lái)源。所有數(shù)字電子設(shè)備都由數(shù)百萬(wàn)甚至數(shù)十億個(gè)晶體管組成。本質(zhì)上，晶體管是每秒數(shù)十億次開(kāi)關(guān)的電控開(kāi)關(guān)。通過(guò)將它們連接在一起，我們可以構(gòu)成計(jì)算機(jī)芯片的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

　　這些晶體管工作時(shí)，會(huì)從三個(gè)來(lái)源耗散功率：開(kāi)關(guān)、短路和漏電。開(kāi)關(guān)功率和短路功率都被視為動(dòng)態(tài)熱源，因?yàn)樗鼈儠?huì)受到晶體管導(dǎo)通和關(guān)斷的影響。另一方面，漏電功率被視為靜態(tài)，因?yàn)樗�保持恒��，不受晶體管工作狀態(tài)的影響。

　　兩個(gè)晶體管連接在一起形成一個(gè)非門(mén)。nMOS(底部)導(dǎo)通時(shí)允許電流通過(guò)，pMOS(頂部)關(guān)斷時(shí)允許電流通過(guò)

　　我們先從開(kāi)關(guān)電源說(shuō)起。要打開(kāi)或關(guān)閉晶體管，我們必須將其柵極接地(邏輯 0)或 Vdd(邏輯 1)。但這并非像撥動(dòng)開(kāi)關(guān)那么簡(jiǎn)單，因?yàn)檫@個(gè)輸入門(mén)的電容非常小。我們可以把它想象成一個(gè)微型可充電電池。為了激活柵極，我們必須將電池充電至超過(guò)某個(gè)閾值。當(dāng)我們準(zhǔn)備再次關(guān)閉柵極時(shí)，我們需要將電荷釋放到地。雖然這些柵極非常微小，但在現(xiàn)代芯片中卻有數(shù)十億個(gè)這樣的柵極，它們每秒開(kāi)關(guān)數(shù)十億次。

　　每次柵極電荷釋放到地時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生少量熱量。為了計(jì)算開(kāi)關(guān)功率，我們將活動(dòng)因子(即在任何給定周期內(nèi)晶體管開(kāi)關(guān)的平均比例)、頻率、柵極電容和電壓的平方相乘。

　　現(xiàn)在我們來(lái)看一下短路功率。現(xiàn)代數(shù)字電子技術(shù)采用一種稱(chēng)為互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 的技術(shù)。晶體管的排列方式使得電流永遠(yuǎn)不會(huì)直接流向地。在上面的非門(mén)示例中，有兩個(gè)互補(bǔ)晶體管。當(dāng)上面的晶體管導(dǎo)通時(shí)，下面的晶體管截止，反之亦然。這確保輸出為 0 或 1，并且與輸入相反。

　　然而，當(dāng)我們開(kāi)關(guān)晶體管時(shí)，兩個(gè)晶體管同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)間非常短。當(dāng)一組晶體管關(guān)閉而另一組晶體管導(dǎo)通時(shí)，它們會(huì)在到達(dá)中間點(diǎn)時(shí)同時(shí)導(dǎo)通。這是不可避免的，并為電流直接流向地面提供了一條臨時(shí)路徑。我們可以嘗試通過(guò)加快晶體管在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)之間的切換來(lái)限制這種情況，但無(wú)法完全消除它。

　　隨著芯片工作頻率的提高，狀態(tài)變化和瞬時(shí)短路也會(huì)增多。這會(huì)增加芯片的發(fā)熱量。為了計(jì)算短路功率，我們將短路電流、工作電壓和開(kāi)關(guān)頻率相乘。

　　這兩個(gè)都是動(dòng)態(tài)功耗的例子。如果我們想降低動(dòng)態(tài)功耗，最簡(jiǎn)單的方法就是降低芯片頻率。但這通常不太實(shí)際，因?yàn)樗鼤?huì)降低芯片的性能。另一個(gè)選擇是降低芯片的工作電壓。以前的芯片工作電壓為 5V 及以上，而現(xiàn)代 CPU 的工作電壓約為 1V。

　　通過(guò)設(shè)計(jì)晶體管以較低的電壓工作，我們可以減少動(dòng)態(tài)功耗造成的熱量損失。動(dòng)態(tài)功耗也是超頻時(shí) CPU 和 GPU 發(fā)熱的原因。超頻不僅會(huì)增加工作頻率，通常還會(huì)提高電壓。工作頻率越高，每個(gè)周期產(chǎn)生的熱量就越多。

　　數(shù)字電子產(chǎn)品中產(chǎn)生的最后一種熱量是漏電功率。我們通常認(rèn)為晶體管要么完全導(dǎo)通，要么完全關(guān)閉，但實(shí)際情況并非如此。即使晶體管處于非導(dǎo)通狀態(tài)，也總會(huì)有微弱的電流流過(guò)。這是一個(gè)非常復(fù)雜的公式，而且隨著晶體管尺寸的不斷縮小，其影響只會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重。

　　當(dāng)它們變得更小的時(shí)候，當(dāng)我們想要它們關(guān)閉時(shí)，阻擋電子流動(dòng)的材料就越來(lái)越少。這是限制新一代芯片性能的主要因素之一，因?yàn)槁╇姽β实谋壤�每一代都在不斷增加�?/p>

　　物理定律將我們逼入了絕境，而且這個(gè)困境正在加劇。正因如此，像 NPU 和 TPU 這樣的 AI 加速器(它們將海量計(jì)算封裝在極小的空間內(nèi))帶來(lái)了全新的重大散熱設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。這些芯片通常部署在氣流和功率預(yù)算有限的數(shù)據(jù)中心，這使得高效的散熱策略比以往任何時(shí)候都更加重要。

　　除了性能之外，可持續(xù)性也正成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。數(shù)據(jù)中心正越來(lái)越多地探索液浸式冷卻、熱回收和低全球變暖潛能值 (GWP) 制冷劑，以在滿足環(huán)保目標(biāo)的同時(shí)控制高耗能硬件。綠色冷卻技術(shù)已不再僅僅是未來(lái)的目標(biāo)——它正在現(xiàn)代基礎(chǔ)設(shè)施中積極部署。

　　熱電冷卻，又稱(chēng)珀耳帖 (Peltier) 設(shè)備，目前仍屬于小眾市場(chǎng)，但近年來(lái)重新引起了人們的興趣。一些制造商嘗試了 AIO + TEC 的混合解決方案，以提升冷卻性能，超越傳統(tǒng)的空氣或水冷。雖然這些裝置仍然效率低下且耗電，但熱電材料的改進(jìn)最終可能會(huì)使其在特定應(yīng)用中更加實(shí)用。

　　同樣，蒸汽壓縮式制冷機(jī)和相變系統(tǒng)仍然主要用于數(shù)據(jù)中心和極端超頻環(huán)境。但目前，人們正在研究使用先進(jìn)制冷劑和新型壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的緊湊、高效的冷卻解決方案，這些解決方案有朝一日可能會(huì)將亞環(huán)境冷卻技術(shù)引入更主流的設(shè)備。

　　如何保持芯片冷卻

　　我們知道了電子產(chǎn)品的熱量從何而來(lái)——但我們?cè)撊绾翁幚硭��?我們需要消除熱量，因?yàn)槿绻麥囟冗^(guò)高，晶體管就會(huì)開(kāi)始發(fā)生故障并損壞。

　　熱節(jié)流是芯片內(nèi)置的冷卻機(jī)制，用于在散熱不足時(shí)進(jìn)行自我冷卻。如果內(nèi)部溫度傳感器檢測(cè)到溫度過(guò)高，芯片會(huì)自動(dòng)降低工作頻率以減少產(chǎn)生的熱量。然而，這種情況并非我們所希望的，而且還有更好的方法來(lái)處理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中多余的熱量。

　　有些芯片實(shí)際上并不需要復(fù)雜的散熱方案。看看你的主板，你會(huì)看到幾十個(gè)沒(méi)有散熱器的小芯片。它們是如何避免過(guò)熱損壞的呢?原因很可能是它們本身就不怎么發(fā)熱。大型、強(qiáng)大的 CPU 和 GPU 可以耗散數(shù)百瓦的功率，而小型網(wǎng)絡(luò)或音頻芯片的功耗可能只有幾分之一瓦。

　　在這種情況下，主板本身或芯片的外殼可以充當(dāng)足夠的散熱器，保持芯片冷卻。不過(guò)，一般來(lái)說(shuō)，一旦功耗超過(guò) 1 瓦，就需要開(kāi)始考慮適當(dāng)?shù)臒峁芾砹恕?/p>

　　一塊老款主板上有很多小型芯片，沒(méi)有散熱片——它們不需要主動(dòng)散熱，因?yàn)樗鼈儺a(chǎn)生的熱量很少。北橋和南橋芯片采用被動(dòng)散熱，它們被鋁制散熱片覆蓋

　　這里的關(guān)鍵在于盡可能降低材料之間的熱阻。我們希望創(chuàng)建一條最短、最高效的路徑，讓熱量從芯片傳導(dǎo)到周?chē)�空��。正因如此，CPU 和 GPU 芯片頂部都配備了集成式散熱器 (IHS)。芯片內(nèi)部的實(shí)際硅片尺寸遠(yuǎn)小于封裝尺寸，但通過(guò)將熱量分散到更大的區(qū)域，我們可以更有效地冷卻芯片。在芯片和散熱器之間使用優(yōu)質(zhì)的導(dǎo)熱硅脂也至關(guān)重要。如果沒(méi)有這條高導(dǎo)熱性的路徑，熱量從 IHS 傳導(dǎo)到散熱器就會(huì)更加困難。

　　冷卻主要有兩種形式：被動(dòng)冷卻和主動(dòng)冷卻。被動(dòng)冷卻使用一個(gè)簡(jiǎn)單的散熱器連接到芯片上，依靠周?chē)�的氣流帶走熱��。這種材料導(dǎo)熱系數(shù)高，表面積大，能夠有效地將芯片的熱量傳遞到周?chē)�的空氣中�?/p>

　　電壓調(diào)節(jié)器和內(nèi)存芯片通常不需要被動(dòng)冷卻，因?yàn)樗鼈儺a(chǎn)生的熱量較少。通常只有高端 DDR5 模塊和服務(wù)器內(nèi)存才需要主動(dòng)冷卻。

　　同樣，大多數(shù)手機(jī)處理器都是被動(dòng)冷卻的，盡管某些小眾或游戲智能手機(jī)有時(shí)會(huì)使用蒸汽室或微型有源風(fēng)扇來(lái)管理更高的熱負(fù)荷。

　　芯片性能越高，產(chǎn)生的功率就越大，所需的散熱片尺寸也就越大。這就是為什么手機(jī)處理器的性能不如桌面級(jí)處理器：根本無(wú)法提供足夠的散熱能力來(lái)維持性能。

　　一旦功耗達(dá)到幾十瓦，您很可能會(huì)開(kāi)始考慮主動(dòng)冷卻。這需要使用風(fēng)扇或其他方法強(qiáng)制空氣流過(guò)散熱器，使其能夠承受高達(dá)幾百瓦的功率。然而，為了充分利用如此強(qiáng)大的冷卻能力，我們需要確保芯片產(chǎn)生的熱量能夠有效地?cái)U(kuò)散到散熱器的整個(gè)表面。如果沒(méi)有有效的散熱方式，那么即使擁有巨大的散熱器也毫無(wú)意義。

　　這時(shí)，液冷和熱管就派上用場(chǎng)了。兩者都執(zhí)行相同的基本任務(wù)：將盡可能多的熱量從芯片傳遞到散熱器或散熱器。在液冷裝置中，熱量通過(guò)高導(dǎo)熱性導(dǎo)熱膏從芯片傳遞到水冷頭。水冷頭通常由銅或其他高導(dǎo)熱材料制成，它會(huì)加熱液冷。液體會(huì)儲(chǔ)存熱量并將其輸送到散熱器，然后散發(fā)到空氣中。對(duì)于筆記本電腦等無(wú)法安裝完整液冷裝置的小型系統(tǒng)，熱管非常常見(jiàn)。與基本的銅管相比，熱管裝置將芯片熱量傳導(dǎo)出去的效率可提高 10 到 100 倍。

　　Xbox 360 中使用了集成熱管的散熱器。熱管利用相變冷卻技術(shù)顯著改善熱傳遞，比單獨(dú)使用固體金屬更有效地將熱量從 CPU 或 GPU 等熱組件中帶走

　　熱管與液冷非常相似，但采用相變來(lái)增強(qiáng)熱傳遞。在熱管內(nèi)部，液體受熱后蒸發(fā)成蒸汽。蒸汽沿著熱管流動(dòng)，直到到達(dá)較冷的一端，在那里冷凝回液體。然后，液體通過(guò)重力或毛細(xì)作用返回到較熱的一端。

　　這種蒸發(fā)冷卻的原理與您在淋浴或游泳池出來(lái)時(shí)感覺(jué)寒冷的原理相同：液體在蒸發(fā)時(shí)吸收熱量，在冷凝時(shí)釋放熱量。

　　既然我們可以將芯片中的熱量傳遞到熱管或液體中，那么如何有效地將這些熱量釋放到空氣中呢?這時(shí)，散熱片和散熱器就派上用場(chǎng)了。一根簡(jiǎn)單的水管或一根熱管會(huì)將一些熱量傳遞到周?chē)�的空氣��，但熱量不�?huì)太多。為了真正降低溫度，我們需要增加暴露在溫度梯度下的表面積。

　　散熱器或散熱器中的薄翅片將熱量分散到較大的表面積上，使風(fēng)扇能夠有效地將熱量帶走。翅片越薄，在給定空間內(nèi)可容納的表面積就越大。但是，如果翅片太薄，它們就無(wú)法與熱管充分接觸，從而無(wú)法有效地將熱量傳遞到翅片中。

　　這是一個(gè)微妙的平衡——這就是為什么在某些情況下，較大的散熱器性能可能不如較小、更優(yōu)化的散熱器。Gamers Nexus制作了一張很棒的圖表(如下)，展示了典型散熱器的工作原理：

　　先進(jìn)且獨(dú)特的冷卻技術(shù)

　　到目前為止，我們討論的所有冷卻方法都是通過(guò)將熱量從熱芯片傳遞到周?chē)�空氣�?lái)實(shí)現(xiàn)的。這意味著芯片的溫度永遠(yuǎn)不會(huì)低于其所在房間的環(huán)境溫度。如果我們想要將溫度降至環(huán)境溫度以下，或者需要冷卻像整個(gè)數(shù)據(jù)中心這樣龐大的物體，就需要運(yùn)用一些額外的科學(xué)技術(shù)。這時(shí)，冷卻器和熱電冷卻器就派上用場(chǎng)了。

　　熱電冷卻，也稱(chēng)為珀?duì)柼�裝置，目前并不十分流行，但未來(lái)潛力巨大。這些裝置通過(guò)消耗電力將熱量從冷卻板的一側(cè)傳遞到另一側(cè)。它們使用特殊的熱電材料，可以通過(guò)電勢(shì)產(chǎn)生溫差。

　　當(dāng)直流電流流過(guò)該設(shè)備時(shí)，熱量從一側(cè)吸收并轉(zhuǎn)移到另一側(cè)，使“冷”側(cè)溫度降至環(huán)境溫度以下。目前，這類(lèi)設(shè)備仍屬于小眾市場(chǎng)，因?yàn)樗鼈冃枰�大量能量才能�?shí)現(xiàn)顯著的冷卻效果。不過(guò)，研究人員正在努力開(kāi)發(fā)更高效的版本，以實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。

　　正如狀態(tài)轉(zhuǎn)換可以傳遞熱量一樣，改變流體的壓力也可以用來(lái)傳遞熱量。這正是冰箱、空調(diào)以及大多數(shù)其他大型制冷系統(tǒng)背后的原理。

　　在這些系統(tǒng)中，一種特殊的制冷劑流經(jīng)一個(gè)閉合回路，最初是蒸汽，經(jīng)過(guò)壓縮、冷凝成液體、膨脹，然后蒸發(fā)回蒸汽。這個(gè)循環(huán)不斷重復(fù)，并在過(guò)程中傳遞熱量。壓縮機(jī)確實(shí)需要能量輸入，但這樣的系統(tǒng)可以冷卻到遠(yuǎn)低于環(huán)境溫度。這就是數(shù)據(jù)中心和建筑物即使在夏季最炎熱的日子也能保持涼爽的原因。

　　對(duì)于電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，這樣的系統(tǒng)通常是二階冷卻系統(tǒng)：首先，芯片產(chǎn)生的熱量被排放到房間中，然后房間中的熱量通過(guò)蒸汽壓縮系統(tǒng)排放到外面。

　　然而，極限超頻玩家和性能愛(ài)好者可以將專(zhuān)用冷卻器直接連接到 CPU，以獲得額外的冷卻性能。也可以使用液氮或干冰等消耗品，臨時(shí)實(shí)現(xiàn)*冷卻。

　　MIT的解決方案

　　近日，MIT也提出了一個(gè)芯片冷卻方案。

　　麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了一款專(zhuān)用芯片，用于測(cè)試和驗(yàn)證封裝芯片堆棧的冷卻解決方案。該芯片能夠消耗極高的功率，模擬高性能邏輯芯片，通過(guò)硅層和局部熱點(diǎn)產(chǎn)生熱量。然后，當(dāng)冷卻技術(shù)應(yīng)用于封裝芯片堆棧時(shí)，該芯片會(huì)測(cè)量溫度變化。當(dāng)芯片被嵌入芯片堆棧中時(shí)，研究人員可以研究熱量如何在堆棧層中移動(dòng)，并對(duì)保持芯片冷卻的進(jìn)展進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試。

　　“如果你只有一塊芯片，你可以從上方或下方進(jìn)行冷卻。但如果你開(kāi)始將多個(gè)芯片堆疊在一起，熱量就無(wú)處散發(fā)了。目前還沒(méi)有冷卻方法可以讓業(yè)界堆疊多個(gè)如此高性能的芯片，”Chenson Chen 說(shuō)道，他與 Ryan Keech 共同領(lǐng)導(dǎo)了該芯片的開(kāi)發(fā)，兩人都來(lái)自該實(shí)驗(yàn)室的 先進(jìn)材料和微系統(tǒng)組。

　　該基準(zhǔn)芯片目前正由波音公司和通用汽車(chē)共同擁有的研發(fā)公司HRL實(shí)驗(yàn)室使用，用于開(kāi)發(fā)用于3D異質(zhì)集成(3DHI)系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)。異質(zhì)集成是指將硅芯片與非硅芯片(例如射頻(RF)系統(tǒng)中使用的III-V族半導(dǎo)體)堆疊在一起。

　　“射頻元件可能會(huì)變得非常熱，并且以非常高的功率運(yùn)行——這給 3D 集成增加了額外的復(fù)雜性，這就是為什么如此需要這種測(cè)試能力，”Keech 說(shuō)。

　　美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局 (DARPA) 資助了該實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)基準(zhǔn)測(cè)試芯片，以支持 HRL 項(xiàng)目。所有這些研究都源自 DARPA 的“用于 3D 異構(gòu)集成的微型集成熱管理系統(tǒng) ( Minitherms3D )”項(xiàng)目。

　　對(duì)于國(guó)防部而言，3DHI 為關(guān)鍵系統(tǒng)開(kāi)辟了新的機(jī)遇。例如，3DHI 可以擴(kuò)大雷達(dá)和通信系統(tǒng)的探測(cè)范圍，使先進(jìn)傳感器能夠集成到無(wú)人駕駛飛機(jī)等小型平臺(tái)上，或者允許人工智能數(shù)據(jù)直接在現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)(而非遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心)中進(jìn)行處理。

　　該測(cè)試芯片是由該實(shí)驗(yàn)室的電路設(shè)計(jì)師、電氣測(cè)試專(zhuān)家和微電子實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)人員合作開(kāi)發(fā)的。

　　該芯片具有兩個(gè)功能：產(chǎn)生熱量和感測(cè)溫度。為了產(chǎn)生熱量，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了能夠在極高功率密度下運(yùn)行的電路，功率密度達(dá)到千瓦/平方厘米，與當(dāng)前及未來(lái)高性能芯片的預(yù)計(jì)功率需求相當(dāng)。他們還復(fù)制了這些芯片中的電路布局，使測(cè)試芯片可以作為逼真的替代品。

　　“我們調(diào)整了現(xiàn)有的硅技術(shù)，主要用來(lái)設(shè)計(jì)芯片級(jí)加熱器，”陳教授說(shuō)道。他為該項(xiàng)目帶來(lái)了多年的復(fù)雜集成和芯片設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。21世紀(jì)初，他幫助實(shí)驗(yàn)室率先制造了雙層和三層集成電路，引領(lǐng)了3D集成的早期發(fā)展。

　　芯片的加熱器模擬了堆棧內(nèi)的背景熱量水平和局部熱點(diǎn)。熱點(diǎn)通常出現(xiàn)在芯片堆棧最隱蔽、最難以觸及的區(qū)域，這使得3D芯片開(kāi)發(fā)人員難以評(píng)估冷卻方案(例如輸送冷液的微通道)是否能夠到達(dá)這些位置，并且是否足夠有效。

　　這就是溫度傳感元件的作用所在。芯片上分布著陳所比喻的“微型溫度計(jì)”，當(dāng)使用冷卻劑時(shí)，這些元件可以讀出芯片上多個(gè)位置的溫度。

　　這些溫度計(jì)實(shí)際上是二極管，或者說(shuō)是開(kāi)關(guān)，當(dāng)施加電壓時(shí)，電流會(huì)流過(guò)電路。隨著二極管升溫，電流電壓比會(huì)發(fā)生變化。“我們可以檢查二極管的性能，例如知道溫度是 200 攝氏度、100 攝氏度還是 50 攝氏度，”Keech 說(shuō)。“我們創(chuàng)造性地思考了設(shè)備過(guò)熱失效的原因，然后利用這些特性設(shè)計(jì)出實(shí)用的測(cè)量工具。”

　　Chen 和 Keech，以及實(shí)驗(yàn)室其他設(shè)計(jì)、制造和電氣測(cè)試專(zhuān)家，目前正與 HRL 實(shí)驗(yàn)室的研究人員合作，將芯片與新型冷卻技術(shù)相結(jié)合，并將這些技術(shù)集成到 3DHI 堆棧中，以增強(qiáng)射頻信號(hào)功率。HRL 聯(lián)合首席研究員 Christopher Roper 在最近 宣布該項(xiàng)目的新聞稿 中表示：“我們需要冷卻相當(dāng)于 190 多個(gè)筆記本電腦 CPU(中央處理器)的熱量，但尺寸要與單個(gè) CPU 封裝相同。”

　　Keech 表示，快速交付芯片的時(shí)間表是通過(guò)芯片設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試和 3D 異構(gòu)集成等各個(gè)階段的團(tuán)隊(duì)合作克服的挑戰(zhàn)。

　　他說(shuō)：“堆疊架構(gòu)被認(rèn)為是微電子技術(shù)的下一個(gè)前沿。我們希望幫助美國(guó)政府找到有效整合這些架構(gòu)的方法，并讓這些芯片發(fā)揮出最高的性能。”

　　為什么冷卻比以往任何時(shí)候都重要

　　所有電子產(chǎn)品都需要散熱，但散熱方式多種多樣。散熱的目的是將熱量從發(fā)熱的芯片或系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到溫度較低的環(huán)境中。沒(méi)有辦法真正地散熱——我們能做的只是將熱量轉(zhuǎn)移到不會(huì)造成問(wèn)題的地方。

　　所有數(shù)字電子設(shè)備都會(huì)因其內(nèi)部晶體管的運(yùn)行特性而產(chǎn)生熱量。如果這些熱量得不到妥善管理，半導(dǎo)體材料就會(huì)開(kāi)始分解，損壞芯片并縮短其使用壽命。

　　熱量是所有電子設(shè)計(jì)師的敵人，也是制約性能提升的關(guān)鍵因素之一。我們不能簡(jiǎn)單地把 CPU 和 GPU 做得更大，因?yàn)闆](méi)有切實(shí)可行的方法來(lái)冷卻如此強(qiáng)大的設(shè)備。你根本無(wú)法足夠快地散熱。

　　隨著計(jì)算需求的持續(xù)增長(zhǎng)，高效的熱量管理變得越來(lái)越重要——這不僅體現(xiàn)在單個(gè)芯片上，還體現(xiàn)在整個(gè)數(shù)據(jù)中心、AI計(jì)算集群，甚至未來(lái)的量子系統(tǒng)中。熱管理創(chuàng)新如今已成為擴(kuò)展技術(shù)本身的核心。