芯片級(jí)散熱技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)探討

01算力發(fā)展與芯片熱管理

隨著數(shù)字化轉(zhuǎn)型、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的普及、云計(jì)算的擴(kuò)展、以及人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，全球每年新產(chǎn)生的數(shù)據(jù)總量隨著數(shù)字化的發(fā)展快速增長(zhǎng)。

根據(jù)IDC和華為GIV團(tuán)隊(duì)預(yù)測(cè)，2020年全球每年產(chǎn)生數(shù)據(jù)量約2ZB，2025年可達(dá)到175ZB，2030年將達(dá)到1003ZB，即將進(jìn)入YB（1 Yotta Bytes = 1000 Zetta Bytes）時(shí)代。

數(shù)據(jù)量的增長(zhǎng)意味著需要更多的計(jì)算資源來處理、存儲(chǔ)和分析這些數(shù)據(jù)，尤其是在對(duì)數(shù)據(jù)處理技術(shù)與時(shí)效性方面提出了更高的要求，因此云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等數(shù)據(jù)處理技術(shù)需要更高的算力支撐。

根據(jù)“中國(guó)算力發(fā)展指數(shù)白皮書（2022）”，2024年全球算力規(guī)模預(yù)計(jì)達(dá)2380 EFlops，而到2030年，預(yù)計(jì)可達(dá)到56000 EFlops。

全球算力規(guī)模的增加則主要來源于兩個(gè)方面：一是單顆算力芯片的性能提升，二是數(shù)據(jù)中心數(shù)量與規(guī)模的擴(kuò)張。

▌AI算力芯片發(fā)展

目前，英偉達(dá)的GPU在全球AI算力芯片市場(chǎng)中占據(jù)了80%以上的市場(chǎng)份額，在過去的八年里，英偉達(dá)通過改進(jìn)芯片架構(gòu)、提升制程工藝、采用HBM及先進(jìn)封裝形式，其GPU算力提升了約1000倍。

在算力提升的同時(shí)，芯片功耗也在不斷增加，根據(jù)亞太芯谷科技研究院統(tǒng)計(jì)，英偉達(dá)最新推出的GB200芯片功耗達(dá)到了驚人的2700W，是其V100芯片功耗的近10倍。

而AI算力芯片市場(chǎng)的另一主要廠商AMD，在2020年至2024年迭代的GPU芯片功耗也大幅增加，由MI100的300W增加至MI300的750W。

英偉達(dá)、AMD芯片功耗演進(jìn)

英偉達(dá)數(shù)據(jù)中心 GPU 技術(shù)路線圖

在算力芯片性能與功耗同步提升的同時(shí)，由于AI科技技術(shù)的演進(jìn)與應(yīng)用創(chuàng)新應(yīng)用，數(shù)據(jù)量增加與算力需求共同推動(dòng)了AI算力芯片市場(chǎng)規(guī)模的增長(zhǎng)。

由上文可知，2015年到2024年全球數(shù)據(jù)量增加了122 ZB，相應(yīng)的全球GPU市場(chǎng)規(guī)模增加了1120億美元，GPU產(chǎn)品也經(jīng)歷了從Pascal到Blackwell五種架構(gòu)的進(jìn)化。依此推算，在2024年到2030年，全球數(shù)據(jù)量規(guī)模將增加870ZB，對(duì)應(yīng)的全球GPU市場(chǎng)規(guī)模將有數(shù)倍增長(zhǎng)空間。根據(jù)中國(guó)臺(tái)灣工研院預(yù)估，2030年算力芯片將占據(jù)整個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)用銷售的40%，從而推動(dòng)全球半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模在2030年達(dá)到1萬(wàn)億美元，算力芯片是未來全球半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力。

AI芯片需求大幅增長(zhǎng)

▌數(shù)據(jù)中心發(fā)展

根據(jù)海外媒體消息，馬斯克的初創(chuàng)xAI公司正在構(gòu)建一個(gè)龐大的AI超級(jí)計(jì)算機(jī)Colossus，數(shù)據(jù)中心僅用19天完成了超過10萬(wàn)塊GPU及配套存儲(chǔ)和超高速網(wǎng)絡(luò)的部署（從設(shè)計(jì)到LLM首次訓(xùn)練總工程用時(shí)122天）。數(shù)據(jù)中心采用抬高地板設(shè)計(jì)，地板下方是液冷管道，上方是電源，每個(gè)計(jì)算大廳約有2.5萬(wàn)塊GPU，以及相應(yīng)的存儲(chǔ)和高速光纖網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

Colossus的基本構(gòu)建模塊是超微液冷機(jī)架，每個(gè)機(jī)架配備八臺(tái)4U服務(wù)器，每臺(tái)服務(wù)器搭載8塊NVIDIA H100 GPU，這樣每個(gè)機(jī)架總共有64塊GPU。八臺(tái)這樣的GPU服務(wù)器與一個(gè)超微冷卻劑分配單元（CDU）及其相關(guān)硬件構(gòu)成了一個(gè)GPU機(jī)架。該集群仍在建設(shè)中，未來規(guī)模還會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，大概擴(kuò)展到至少100萬(wàn)個(gè)GPU，約400億美元（以每顆GPU 4萬(wàn)美元估算）。

同時(shí)，Meta也不甘落后，擬購(gòu)入35萬(wàn)塊H100 GPU，旨在為其強(qiáng)大的Llama 4 AI模型注入更澎湃的算力。據(jù)LessWrong網(wǎng)站的估算，到2025年，微軟、谷歌、Meta、亞馬遜以及新興的xAI這五大巨頭，在GPU/TPU的持有量上，若換算成等效H100的數(shù)量，將驚人地超過1240萬(wàn)臺(tái)。這一數(shù)字不僅彰顯了科技巨頭們?cè)谒懔Α败妭涓?jìng)賽”中的持續(xù)投入，更預(yù)示著一場(chǎng)前所未有的AI算力盛宴正在席卷全球。

除幾大巨頭外，全球主要國(guó)家或區(qū)域也積極加入到AI科技浪潮中，投入大量預(yù)算興建數(shù)據(jù)中心。根據(jù)Fortune Business Insights數(shù)據(jù)，2023年全球數(shù)據(jù)中心數(shù)量為343萬(wàn)，預(yù)計(jì)到2027年增長(zhǎng)到約360萬(wàn)，2023-2027年復(fù)合增長(zhǎng)率約為1.2%。從建造規(guī)?？?，2023年全球數(shù)據(jù)中心建造市場(chǎng)2599.7億美元，預(yù)計(jì)2028年增長(zhǎng)至3482.3億美元，2023-2028年復(fù)合增速為7.6%。

2023 年全球數(shù)據(jù)中心建造規(guī)模2599.7 億美元

AI 大模型的崛起推動(dòng)高速率數(shù)通光模塊的加速放量，特別是在電信和數(shù)通市場(chǎng)。由于云服務(wù)龍頭增加對(duì) AI 集群的投資，高端光通信需求上升，400G 和 800G 光模塊的組件供不應(yīng)求。LightCounting 預(yù)測(cè) 2024 年以太網(wǎng)光模塊銷售額將同比增長(zhǎng)近 30%，各個(gè)細(xì)分市場(chǎng)也將逐步恢復(fù)增長(zhǎng)。在經(jīng)歷 2023 年全球光模塊市場(chǎng)規(guī)模同比下降 6%后，2024-2028 年的復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）預(yù)計(jì)將達(dá)到 16%。光模塊龍頭公司 Coherent 表示，由 AI 驅(qū)動(dòng)的全球 800G、1.6T 和 3.2T 數(shù)通光模塊，相關(guān)行業(yè)規(guī)模在 2024-2028 年的 5 年 CAGR 可能超過 40%，從 2023 年的 6 億美元增長(zhǎng)至 2028 年的 42 億美元。

2018-2028E 全球光模塊銷售額（百萬(wàn)美元）

數(shù)據(jù)中心需要大量的電力能源支撐，根據(jù)EIA統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2022年全球數(shù)據(jù)中心、加密貨幣和人工智能（AI）共消耗約460 TWH的電力，約占全球總電力需求的2%。數(shù)據(jù)中心是支持?jǐn)?shù)字化的重要基礎(chǔ)設(shè)施，與供電基礎(chǔ)設(shè)施相輔相成。隨著數(shù)據(jù)量的不斷增加，需要擴(kuò)展和發(fā)展數(shù)據(jù)中心來處理和存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)中心行業(yè)的未來趨勢(shì)復(fù)雜多變，技術(shù)進(jìn)步和數(shù)字服務(wù)快速發(fā)展。根據(jù)部署速度、效率提升范圍、以及人工智能和加密貨幣趨勢(shì)，EIA預(yù)計(jì)到2026年，數(shù)據(jù)中心、加密貨幣和人工智能的全球電力消耗將達(dá)到620至1050TWh之間，中性情況下需求將超過800TWh，相比2022年的460TWh接近翻倍。

而EIA的預(yù)測(cè)可能相對(duì)保守，另一國(guó)際咨詢機(jī)構(gòu)Semianalysis預(yù)測(cè)2026年AI數(shù)據(jù)中心電力容量達(dá)到40GW,對(duì)應(yīng)每年約350TWh。Semianalysis根據(jù)其對(duì)于Hyperscaler的跟蹤，預(yù)計(jì)到2030年，AI將推動(dòng)數(shù)據(jù)中心用電量占全球發(fā)電量的4.5%。根據(jù)semianalysis預(yù)測(cè)，全球數(shù)據(jù)中心關(guān)鍵IT電力需求將從2023年的49GW增長(zhǎng)至2026年的96GW，其中AI數(shù)據(jù)中心將消耗約40GW（相較EIA的預(yù)測(cè)更加樂觀）。未來幾年，數(shù)據(jù)中心電力容量增長(zhǎng)將從12%-15%的復(fù)合年增長(zhǎng)率加速至25%的復(fù)合年增長(zhǎng)率。

數(shù)據(jù)中心在消耗的龐大電能時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生巨大的能耗，根據(jù)《綠色高能效數(shù)據(jù)中心散熱冷卻技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)》統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)中心能耗主要由IT設(shè)備能耗、散熱能耗、供配電能耗和照明及其他能耗組成，其中，IT設(shè)備能耗、散熱能耗是主要的能耗，散熱能耗占比達(dá)到43%。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，電子元器件溫度每升高2℃，可靠性下降10%，溫度達(dá)到50℃時(shí)的壽命只有25℃時(shí)的1/6，因此數(shù)據(jù)中心及AI芯片廠商不斷探索散熱技術(shù)以保證其優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品和服務(wù)性能。同時(shí)，由于環(huán)保意識(shí)高漲，各國(guó)對(duì)數(shù)據(jù)中心PUE（Power usage effectiveness，電源使用效率）規(guī)范日益嚴(yán)格，同時(shí)跨入AI世代GPU運(yùn)算芯片TDP（Thermal Design Power，熱設(shè)計(jì)功耗）持續(xù)向上堆棧，使得數(shù)據(jù)中心的散熱設(shè)計(jì)變得至關(guān)重要。

以英偉達(dá)2024年四季度量產(chǎn)的GB200 NVL服務(wù)器為例，單顆B200芯片TDP 1200W，GB200系統(tǒng)芯片TDP更上看2700W（1個(gè)Grace CPU+2個(gè)B200 GPU），現(xiàn)行的3D VC氣冷散熱解熱瓶頸約在1000W，超出1000W以上采液冷散熱效果較佳，因此需要全面升級(jí)液冷散熱，并配合其他散熱技術(shù)共同作用。2025年，英偉達(dá)的B300芯片TDP進(jìn)一步擴(kuò)大到1400W，AMD GPU Server芯片下世代功耗預(yù)期也將突破千瓦水平。相對(duì)應(yīng)的英偉達(dá)下一代芯片單機(jī)柜能耗或超過1MW，預(yù)計(jì)2028年左右推出Rubin Ultra AI GPU峰值機(jī)架密度功耗最高或超過1000kW，散熱已經(jīng)成為AI芯片發(fā)展的關(guān)鍵。

▌熱管理分類及市場(chǎng)規(guī)模

一般而言，熱量的傳遞主要有三種：導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射。根據(jù)熱的傳遞方式，散熱系統(tǒng)可以由風(fēng)扇、散熱片（如石墨片、金屬散熱片等）和導(dǎo)熱界面器件組成。以普通的CPU風(fēng)冷散熱器為例，其工作原理是CPU散熱片通過導(dǎo)熱界面器件與CPU表面接觸，CPU表面的熱量傳遞給CPU散熱片，散熱風(fēng)扇產(chǎn)生氣流將CPU散熱片表面的熱量帶走。而對(duì)于高效散熱設(shè)備而言，相變換熱是一種極其高效的熱量傳遞方式。相變換熱涉及物質(zhì)在固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)之間的轉(zhuǎn)變，當(dāng)物質(zhì)吸收或釋放潛熱時(shí)，就會(huì)在不改變溫度的情況下發(fā)生相變。

以數(shù)據(jù)中心為例，由于其能耗非常龐大，需要有43%的熱能能耗散掉，所以一般都是多種散熱方式通用。根據(jù)亞太芯谷科技研究院，以距離核心發(fā)熱源遠(yuǎn)近進(jìn)行劃分，散熱可以分為三種類型：芯片級(jí)熱管理、裝置級(jí)熱管理、基地級(jí)/終端產(chǎn)品熱管理。

其中：

芯片級(jí)熱管理散熱技術(shù)，一般是解決熱量從芯片內(nèi)部傳導(dǎo)到外部，其主要散熱技術(shù)包括微通道（TSV）散熱、熱管散熱、VC-Lid 均溫板散熱和3D VC散熱、金剛石（鉆石）散熱、石墨烯散熱等。

裝置級(jí)熱管理散熱技術(shù)，一般是指對(duì)服務(wù)器或移動(dòng)電子設(shè)備進(jìn)行散熱，其散熱技術(shù)主要包括風(fēng)冷、液冷，其中液冷技術(shù)又可以細(xì)分為冷板冷卻、噴淋冷卻、單相浸沒式液冷、兩相浸沒式液冷等技術(shù)。

基地級(jí)/終端產(chǎn)品熱管理散熱技術(shù)，一般是指對(duì)數(shù)據(jù)中心或終端產(chǎn)品的散熱，終端產(chǎn)品包括汽車、機(jī)器人等，其散熱技術(shù)主要包括自由空氣冷卻、冷熱通道冷卻、蒸發(fā)冷卻和地?zé)崂鋮s技術(shù)等。

在市場(chǎng)方面，根據(jù) R&M 數(shù)據(jù)，2024 年全球數(shù)據(jù)中心熱管理市場(chǎng)規(guī)模為 165.6 億美元，到 2029 年預(yù)計(jì)將增長(zhǎng)至 345.1 億美元，2024-2029 年 CAGR 為 15.8%。從技術(shù)滲透率來看，Omdia 預(yù)計(jì) 2023 年數(shù)據(jù)中心風(fēng)冷和液冷市場(chǎng)規(guī)模為 76.7 億美元，其中液冷的滲透率約為17%。

另外，在消費(fèi)電子散熱市場(chǎng)方面，隨著 AI 技術(shù)的加入，消費(fèi)電子的算力需求不斷增加，相應(yīng)的散熱需求也顯著提升。2023 年，全球智能手機(jī)出貨量達(dá)到了11.7 億臺(tái)，平板電腦為 1.3 億臺(tái)，電腦出貨量為 2.5 億臺(tái)。根據(jù) Counterpoint Research 的數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計(jì)到 2027 年，AI 手機(jī)的市場(chǎng)占比將達(dá)到 43%。目前，PC 散熱器的價(jià)值約為 100-200 元（包括 VC+風(fēng)扇），高于早期 PC 散熱器的價(jià)值（約 30-60 元，熱管+風(fēng)扇），因此預(yù)期2030全球消費(fèi)電子熱管理市場(chǎng)規(guī)?？蛇_(dá)到380億美元。

因此，數(shù)據(jù)中心及消費(fèi)電子的熱管理市場(chǎng)規(guī)模在2030年有望達(dá)到約770億美元。

02芯片級(jí)散熱技術(shù)發(fā)展

芯片級(jí)散熱技術(shù)是直接在芯片表面或芯片內(nèi)部實(shí)施的散熱措施，可以更直接、更快速地將熱量從熱源（芯片）傳遞出去，由于空間狹小、環(huán)境復(fù)雜，所以對(duì)散熱材料及器件結(jié)構(gòu)有著極高的要求。

根據(jù)熱源到換熱結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)路徑不同，芯片級(jí)散熱技術(shù)一般可以分為三種類型：

第一種為遠(yuǎn)端冷卻架構(gòu)散熱技術(shù)，芯片與熱沉冷板之間通過2層TIM進(jìn)行熱傳導(dǎo)。

第二種為近芯片冷卻架構(gòu)散熱技術(shù)，隨著熱流密度與芯片面積的增加，遠(yuǎn)端冷卻能力越發(fā)不足，因此直接將芯片通過1層TIM與熱沉冷板貼合，形成近芯片冷卻架構(gòu)。相比于遠(yuǎn)端冷卻架構(gòu)，由于減少了1層TIM與熱擴(kuò)散層，近芯片冷卻架構(gòu)進(jìn)一步提高了可冷卻的熱流密度。

第三種為芯片內(nèi)嵌冷卻架構(gòu)散熱技術(shù)，即通過消除芯片和熱沉冷板之間的TIM，直接在芯片襯底上刻蝕微通道，將流體引入其中，達(dá)到冷卻效果。

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由于本身優(yōu)秀的熱導(dǎo)性能，目前市場(chǎng)上的主流芯片級(jí)散熱技術(shù)主要包括熱管、VC均溫板、3D VC、金剛石（鉆石）、石墨烯散熱技術(shù)等。

芯片級(jí)散熱介質(zhì)分類比較

▌熱管散熱技術(shù)

熱管，也稱為Heat Pipe，是一種高效的傳熱器件，它能夠在較短的時(shí)間內(nèi)將熱量從一端傳輸?shù)搅硪欢?。它的核心原理是通過相變和毛細(xì)作用進(jìn)行熱量傳遞。熱管內(nèi)部包含工作液，當(dāng)熱量輸入端（稱為蒸發(fā)段）受熱時(shí)，工作液吸收熱量并迅速蒸發(fā)形成氣體。隨后，氣體沿著管內(nèi)移動(dòng)到冷卻端（稱為冷凝段），在此過程中冷凝成液體并釋放熱量。液態(tài)工作液通過毛細(xì)作用或重力返回到蒸發(fā)段，完成一個(gè)完整的循環(huán)。

熱管工作原理

熱管技術(shù)的發(fā)展歷史可以追溯到20世紀(jì)中葉，1944年，美國(guó)通用發(fā)動(dòng)機(jī)公司的R.S.Gaugler在美國(guó)專利（No. 2350348）中提出了熱管的工作原理。1963年，美國(guó)Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的G.M.Grover重新獨(dú)立發(fā)明了這種傳熱元件，并對(duì)其進(jìn)行了性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，正式將這種傳熱元件命名為“熱管”（heat pipe）。1964年，世界上第一支熱管在美國(guó)的洛斯阿拉莫斯科學(xué)實(shí)驗(yàn)室誕生。1972年，中國(guó)研制出第一根熱管，它是以鈉為工質(zhì)的，隨后研制了以氨、水、導(dǎo)熱油為工質(zhì)的熱管。

到21世紀(jì)后，熱管技術(shù)的應(yīng)用重點(diǎn)由航天轉(zhuǎn)移到地面，由工業(yè)化應(yīng)用擴(kuò)展到民用產(chǎn)品，尤其是微型熱管技術(shù)發(fā)展迅速，被廣泛應(yīng)用于電子裝置的芯片、筆記本計(jì)算機(jī)的CPU等。

熱管的導(dǎo)熱能力超過所有已知的金屬，冷卻介質(zhì)有水、甲醇、丙酮、氨、一氟二氯乙烷、水合二氧化硅等，冷凝端可以用水或空氣冷卻。熱管沒有連接芯片的冷卻介質(zhì)連接管路，降低冷卻介質(zhì)在IT設(shè)備內(nèi)部的泄露風(fēng)險(xiǎn)，且沒有泵的需求，利用毛細(xì)壓差驅(qū)動(dòng)氣液兩相自循環(huán)運(yùn)動(dòng)而發(fā)生熱量交換。因冷卻結(jié)構(gòu)中沒有運(yùn)動(dòng)部件，可靠性高。

芯片級(jí)熱管的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般由密閉容器、毛細(xì)結(jié)構(gòu)、工作流體組成。根據(jù)工作溫度范圍，一般可以分為深冷熱管、低溫?zé)峁?、中溫?zé)峁堋⒏邷責(zé)峁堋?/span>

不同種類熱管的區(qū)別

在芯片級(jí)散熱中，熱管一般不單獨(dú)作為散熱器使用，通常嵌入空冷散熱器翅片中，利用其高效的相變傳熱快速地將芯片基板處的熱量傳遞到空氣中，達(dá)到散熱的目的。

熱管樣品

▌VC均溫板散熱技術(shù)

VC均溫板，全稱為Vapor Chamber，即真空腔均熱板散熱技術(shù)。VC均溫板是一個(gè)內(nèi)壁具有微細(xì)結(jié)構(gòu)的真空腔體，通常由銅制成。當(dāng)熱由熱源傳導(dǎo)至蒸發(fā)區(qū)時(shí)，腔體里的冷卻液在低真空度的環(huán)境中受熱后開始產(chǎn)生冷卻液的氣化現(xiàn)象，此時(shí)吸收熱能并且體積迅速膨脹，氣相的冷卻介質(zhì)迅速充滿整個(gè)腔體，當(dāng)氣相工質(zhì)接觸到一個(gè)比較冷的區(qū)域時(shí)便會(huì)產(chǎn)生凝結(jié)的現(xiàn)象。借由凝結(jié)的現(xiàn)象釋放出在蒸發(fā)時(shí)累積的熱，凝結(jié)后的冷卻液會(huì)借由微結(jié)構(gòu)的毛細(xì)管道再回到蒸發(fā)熱源處，此運(yùn)作將在腔體內(nèi)周而復(fù)始進(jìn)行。

相比熱管，VC的導(dǎo)熱效率與靈活度更強(qiáng)。銅的導(dǎo)熱系數(shù)為401W/m·K，熱管可以達(dá)到5000~10000 W/m·K，而均熱板則可以達(dá)到20 000~10000 W/m·K，甚至更高。熱管是一維導(dǎo)熱，其形狀及寬度雖受限，但搭配銅板及其他機(jī)構(gòu)件，在系統(tǒng)排列及運(yùn)用多支熱管之彈性大，應(yīng)用廣，具性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。而均熱板形狀則不受限制，可以根據(jù)芯片的布局，設(shè)計(jì)任意形狀，甚至可以兼容處于不同高度的多個(gè)熱源的散熱。

VC均溫板的工作原理

因而，VC均溫板是一種比熱管更先進(jìn)、更高效的導(dǎo)熱元件，尤其在處理高密度電子設(shè)備的熱管理問題時(shí)表現(xiàn)出色。

VC均溫板的結(jié)構(gòu)

目前，VC均溫板可劃分為常規(guī)均溫板以及超薄均溫板。

常規(guī)均溫板由上下兩片銅板以及中間的毛細(xì)結(jié)構(gòu)、支撐柱等焊接而成，使用場(chǎng)景一般是高熱通量應(yīng)用。均溫板的二維熱擴(kuò)散能力可以幫助高TDP（或超頻狀態(tài)）的CPU高效散熱并將溫度冷卻至安全的工作溫度，延長(zhǎng)組件以及產(chǎn)品的使用壽命，常規(guī)均溫板根據(jù)具體使用場(chǎng)景又可以細(xì)分為CPU均溫板、顯示屏均溫板、筆記本電腦均溫板等。

超薄均溫板一般是指總厚度在2mm以下的均溫板，因?yàn)榻?a target="_blank">智能手機(jī)機(jī)身總厚度往往在10mm以下，超薄均溫板在智能手機(jī)散熱方案上就發(fā)揮著舉足輕重的作用。目前市場(chǎng)上對(duì)于超薄溫板的需求日漸提高，特別是厚度在0.8mm以下的均溫板的應(yīng)用與研發(fā)，是近年研究的熱點(diǎn)。

常規(guī)VC散溫均溫板示例

超薄均溫板示例

在國(guó)內(nèi)芯片級(jí)散熱行業(yè)中，中山仲德科技一直專注于超博高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均溫板（HSS VC）的研發(fā)，并取得了重大突破，公司采用電化學(xué)沉積技術(shù)路線來制造VC吸液芯，以自研的“原子堆垛毛細(xì)結(jié)構(gòu)”技術(shù)為基礎(chǔ)開發(fā)了新一代VC制程，研制出全球首款高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度VC，以及全球第一塊高階芯片封裝用高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度VC-Lid。

仲德科技自主研發(fā)的均溫板（VC LID）作為一種高效的散熱器件，具有上萬(wàn)的導(dǎo)熱系數(shù)，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)銅蓋板，能夠快速將熱量從熱源傳導(dǎo)出去，使芯片各處溫度趨于一致。在相同加熱條件下，VC LID相較于傳統(tǒng)銅質(zhì)LID，其溫度變化更快，且能迅速使各處溫度均勻，有效應(yīng)對(duì)芯片高功率和熱源分布式的散熱需求。

為了滿足芯片封裝對(duì)蓋板的高強(qiáng)度和耐高溫等要求，仲德科技摒棄了傳統(tǒng)的物理燒結(jié)方式，采用化學(xué)增材制造的方式制作吸液芯，并對(duì)均溫板制造工藝進(jìn)行了全面改革。獨(dú)創(chuàng)的“原子堆跺毛細(xì)結(jié)構(gòu)技術(shù)”，通過電化學(xué)沉積的方式，歷經(jīng)11年三代研發(fā)，不斷優(yōu)化毛細(xì)結(jié)構(gòu)的微觀形態(tài)，使其孔隙率和毛細(xì)性能大幅提升，獲得了英特爾、英偉達(dá)等客戶的高度認(rèn)可。在制造方面，仲德科技實(shí)現(xiàn)了高度智能化的生產(chǎn)，將檢測(cè)與制造緊密結(jié)合，每一道工序都上傳至專家系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，結(jié)合人工智能技術(shù)實(shí)時(shí)分析性能與工藝參數(shù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整生產(chǎn)工藝，確保產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。

目前，仲德科技已經(jīng)成功將VC LID的耐高溫性能提升至260攝氏度，并有望進(jìn)一步提高至270攝氏度，以滿足芯片封裝企業(yè)的高標(biāo)準(zhǔn)要求。

▌3D VC（三維兩相均溫技術(shù)）

前文提到的熱管及VC散熱均為兩相均溫技術(shù)，其中熱管是一維線式均溫，VC是二維平面均溫，下面介紹的3D VD則是三維一體式均溫。

兩相均溫技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

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3D VC（三維兩相均溫技術(shù)）是利用熱管與均溫板蒸汽腔體貫通的散熱技術(shù)，即通過焊接工藝將基板空腔與PCI齒片內(nèi)腔相連，形成一體式腔體，腔體內(nèi)充注工質(zhì)并封口，工質(zhì)在靠近芯片端的基板內(nèi)腔側(cè)蒸發(fā)，在遠(yuǎn)熱源端的齒片內(nèi)腔側(cè)冷凝，通過重力驅(qū)動(dòng)及回路設(shè)計(jì)形成兩相循環(huán)，可以實(shí)現(xiàn)理想均溫效果。

3D VC散熱原理示意圖

3D VC具有“高效散熱、均勻溫度分布、減少熱點(diǎn)”等解熱優(yōu)勢(shì)，可滿足大功率器件解熱、高熱流密度區(qū)域均溫的瓶頸需求，也可以保證獲得更強(qiáng)的超頻性能以及超頻后的系統(tǒng)穩(wěn)定性。

對(duì)比熱管/均溫板的散熱器導(dǎo)熱，是把芯片熱量先傳遞至均溫板再傳至多根熱管后再傳至FIN，存在接觸熱阻、焊料以及銅本身的熱阻；而3D VC通過三維結(jié)構(gòu)連通下，內(nèi)部液體相變、熱擴(kuò)散，直接、高效地將芯片熱量傳遞至FIN遠(yuǎn)端散熱。

3D VC 模型圖

3DVC的制作工藝比較復(fù)雜，良率低，在一定程度上限制了其發(fā)展和應(yīng)用。3DVC制作的核心在于，熱管和VC殼體的連接方式，以及內(nèi)部毛細(xì)結(jié)構(gòu)的燒結(jié)。

3D VC 的制作工藝

4、金剛石（鉆石）散熱

金剛石的熱導(dǎo)率是已知最高的材料之一，達(dá)到 2000 W/m·K，是硅（Si）、碳化硅（Sic）和砷化鎵（GaAs）的 13 倍、4 倍和 43 倍，銅和銀 4-5 倍。在熱導(dǎo)率要求為 10~200 W/(m·K)之間時(shí)，金剛石是唯一可選的熱沉材料。

金剛石熱導(dǎo)率高達(dá) 1000-2000W/m.K

2024年11月，美國(guó)Akash Systems公司開發(fā)的鉆石冷卻技術(shù)可將GPU溫度降低20度， 超頻潛力提升25%，因此與美國(guó)商務(wù)部，簽署了一份不具約束力的初步條款備忘錄（PMT），并根據(jù)《芯片與科學(xué)法案》提供1820萬(wàn)美元的直接資助和5000萬(wàn)美元的聯(lián)邦和州稅收抵免。

全球GPU芯片龍頭英偉達(dá)也開始采用鉆石散熱GPU進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，據(jù)Diamond Foundry官網(wǎng)，英偉達(dá)鉆石散熱GPU可使AI及云計(jì)算性能提升三倍。

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另外，華為也在金剛石（鉆石）散熱領(lǐng)域進(jìn)行了深度的研究，并發(fā)表了多篇專利。

2014年，華為技術(shù)團(tuán)隊(duì)便與廈門大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院于大全教授團(tuán)隊(duì)在Journal of Materials Science & Technology上發(fā)表了“基于反應(yīng)性納米金屬層的金剛石低溫鍵合技術(shù)”成果。

2023年10月，華為與哈爾濱工業(yè)大學(xué)聯(lián)合申請(qǐng)公布一項(xiàng)專利《一種基于硅和金剛石的三維集成芯片的混合鍵合方法》。通過采用混合鍵合方法，可以實(shí)現(xiàn)硅和金剛石的高效集成，將芯片產(chǎn)生的熱量快速地導(dǎo)出，并減少熱阻，從而提高芯片的散熱效率，提高芯片的性能和可靠性。

2024年12月，華為申請(qǐng)公布使用金剛石散熱層的半導(dǎo)體器件專利。在本申請(qǐng)的半導(dǎo)體器件中，鈍化層位于第一外延層和金剛石散熱層之間，鈍化層朝向金剛石散熱層的一側(cè)表面設(shè)置有凹槽，該結(jié)構(gòu)不僅可以增加金剛石散熱層與鈍化層的接觸面積，從而增加金剛石散熱層與鈍化層之間的結(jié)合力，并且還可以減小柵極與金剛石散熱層之間沿半導(dǎo)體器件的厚度方向的熱擴(kuò)散距離，大幅提高半導(dǎo)體器件的散熱效率。

金剛石也可以與同、鋁等金屬混合，制成金剛石銅、金剛石鋁等材料。導(dǎo)熱系數(shù)也能達(dá)到800W/(k.m)以上?？梢圆捎肕IM（金屬粉末注射成型）的工藝制備。

▌石墨烯散熱技術(shù)

石墨烯是具有單原子層厚度的二維材料，具有極高的導(dǎo)熱性。2008年，Balandin課題組6用拉曼光譜法第一次測(cè)量了單層石墨烯的熱導(dǎo)率，觀察發(fā)現(xiàn)石墨烯熱導(dǎo)率最高可達(dá)5300m·K，高于石墨塊體和金剛石，是已知材料中熱導(dǎo)率的最高值，吸引了研究者的廣泛關(guān)注。

對(duì)石墨烯熱導(dǎo)率的研究很快對(duì)石墨烯在導(dǎo)熱領(lǐng)域的應(yīng)用有所啟發(fā)。隨著石墨烯大規(guī)模制備技術(shù)的發(fā)展，基于氧化石墨烯方法制備的高導(dǎo)熱石墨烯膜熱導(dǎo)率可達(dá)~2000 W·m-1·K-19。高導(dǎo)熱石墨烯膜的熱導(dǎo)率與工業(yè)應(yīng)用的高質(zhì)量石墨化聚酰亞胺膜相當(dāng)，且具有更低成本和更好的厚度可控性。另一方面，石墨烯作為二維導(dǎo)熱填料，易于在高分子基體中構(gòu)建三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，在熱界面材料中具有良好應(yīng)用前景。通過提高石墨烯在高分子基體中的分散性、構(gòu)建三維石墨烯導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)等方法，石墨烯填充的熱界面復(fù)合材料熱導(dǎo)率比聚合物產(chǎn)生數(shù)倍提高，并且填料比低于傳統(tǒng)導(dǎo)熱填料。

因而石墨烯無(wú)論作為自支撐導(dǎo)熱膜，還是作為熱界面材料的導(dǎo)熱填料，都將在電子元件散熱應(yīng)用中發(fā)揮重要價(jià)值。

目前，石墨烯薄膜散熱已在市場(chǎng)上有了應(yīng)用，華為在其發(fā)布的Mate X6手機(jī)上就搭載了超高導(dǎo)熱石墨烯材料，其導(dǎo)熱性能達(dá)到2000 W/m·K，散熱效率提升33%。

▌液冷散熱技術(shù)

發(fā)展歷程

早期探索：1964 年，IBM 公司研發(fā)出世界首款冷凍水冷卻計(jì)算機(jī) System360，開創(chuàng)了液冷計(jì)算機(jī)先河。

技術(shù)蟄伏與再興起：2008 年，IBM 發(fā)布了液冷超級(jí)計(jì)算機(jī) Power575。2009 年，Intel 推出了礦物油浸沒散熱系統(tǒng)。

國(guó)產(chǎn)廠商崛起：2011 年，中科曙光率先開始了服務(wù)器液冷技術(shù)的探索與研究，并于 2013 年完成了首臺(tái)冷板式液冷服務(wù)器原理機(jī)和首臺(tái)浸沒式液冷原理驗(yàn)證。2015-2018 年，中科曙光、華為、浪潮信息、聯(lián)想、阿里巴巴等一眾國(guó)產(chǎn)廠商先后實(shí)現(xiàn)了液冷服務(wù)器大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用項(xiàng)目的落地。

快速發(fā)展階段：近年來，隨著數(shù)據(jù)中心的 ICT 設(shè)備芯片功率和功率密度不斷增加，以及人工智能應(yīng)用需求的爆發(fā)，液冷技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展期1。

發(fā)展現(xiàn)狀

技術(shù)路線方面

單相冷板：冷卻液為液體，一般為水基冷卻液，如去離子水、乙二醇水溶液等。應(yīng)用最為廣泛，基本不影響數(shù)據(jù)中心機(jī)柜架構(gòu)及基礎(chǔ)設(shè)施。

兩相冷板：冷卻液在冷板模組內(nèi)部存在液態(tài)和氣態(tài)兩種狀態(tài)，通過相變潛熱提升散熱能力，但對(duì)系統(tǒng)氣密性要求更高，設(shè)備和系統(tǒng)維護(hù)更復(fù)雜。

單相浸沒：將 ICT 設(shè)備浸泡在介電冷卻液中進(jìn)行散熱，介電冷卻液一般為氟化液或油類，分為 Tank 單相浸沒、節(jié)點(diǎn)單相浸沒、節(jié)點(diǎn)噴淋浸沒等方式。

兩相浸沒：使用的介電冷卻液為兩相冷卻液，通過汽化潛熱帶走芯片熱量，散熱能力強(qiáng)，但設(shè)計(jì)具有挑戰(zhàn)性，成本也相對(duì)昂貴。

市場(chǎng)應(yīng)用方面

數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域：冷板式液冷因成熟度高、運(yùn)維難度低，目前在數(shù)據(jù)中心液冷市場(chǎng)占據(jù)主導(dǎo)地位，約占 90% 的市場(chǎng)份額。但隨著單機(jī)柜功率的不斷提升，浸沒式液冷的應(yīng)用有望逐步增加。

其他領(lǐng)域：在超算和高性能計(jì)算領(lǐng)域，全浸沒式液冷式服務(wù)器有望成為未來技術(shù)趨勢(shì)。英偉達(dá)也表示未來所有 GPU 產(chǎn)品的散熱技術(shù)都將轉(zhuǎn)為 “液冷”。

未來趨勢(shì)

技術(shù)優(yōu)化方向

散熱能力提升：隨著芯片功率的不斷提高，液冷技術(shù)將不斷優(yōu)化，以提供更強(qiáng)的散熱能力，滿足下一代 ICT 設(shè)備芯片的散熱需求。兩相冷板和兩相浸沒方案的優(yōu)勢(shì)可能會(huì)逐漸顯現(xiàn)。

可靠性增強(qiáng)：?jiǎn)蜗嗬浒鍟?huì)進(jìn)一步提升方案可靠性，降低泄漏風(fēng)險(xiǎn)；浸沒液冷會(huì)在冷卻液兼容性、CDU 等配套設(shè)備以及機(jī)房級(jí)方案的標(biāo)準(zhǔn)化方面持續(xù)推進(jìn)，以提高整體可靠性。

市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)

市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)：據(jù) IDC 預(yù)計(jì)，2022-2027 年，中國(guó)液冷服務(wù)器市場(chǎng)年復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到 54.7%，2027 年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到 89 億美元。

材料創(chuàng)新：開發(fā)更高導(dǎo)熱率、更低成本的冷卻液和冷板材料。

標(biāo)準(zhǔn)化程度提高：行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的建立和完善將是未來液冷技術(shù)發(fā)展的重要方向，提高產(chǎn)品之間的兼容性，降低成本，推動(dòng)液冷技術(shù)的普及和應(yīng)用，促進(jìn)行業(yè)的規(guī)?；l(fā)展。

應(yīng)用場(chǎng)景拓展：除了數(shù)據(jù)中心、超算和高性能計(jì)算領(lǐng)域，液冷技術(shù)還將在人工智能、5G 通信、電動(dòng)汽車等更多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

智能化：結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和AI技術(shù)，實(shí)現(xiàn)液冷系統(tǒng)的智能監(jiān)控和優(yōu)化。

綠色環(huán)保：推廣使用環(huán)保型冷卻液，減少對(duì)環(huán)境的影響。

成本下降：隨著技術(shù)進(jìn)步和規(guī)?；a(chǎn)，液冷技術(shù)的成本將進(jìn)一步降低。

▌其他散熱技術(shù)

（1）芯片內(nèi)微通道散熱

芯片內(nèi)嵌冷卻在高性能芯片熱管理方面具有巨大的應(yīng)用潛力，與遠(yuǎn)端冷卻和近芯片冷卻相比，其可使總熱阻顯著降低。最早的芯片內(nèi)嵌冷卻由斯坦福大學(xué)的TUCKERMAN和PEASE在 1981 年提出，為了增強(qiáng)對(duì)流換熱系數(shù)，在硅襯底上加工了寬度為 50 μm的微通道結(jié)構(gòu)，在 790 W/cm2的熱流密度下，芯片的溫升被控制在 71℃以內(nèi)。2022 年，北京大學(xué)提出了一種雙 H型芯片歧管內(nèi)嵌冷卻結(jié)構(gòu)，采用硅-硅鍵合工藝集成，可針對(duì)面積為400mm2、功耗為417W 的芯片，在溫升為 22.2℃的情況下，實(shí)現(xiàn)了對(duì) 104.3 W/cm2熱流密度的冷卻。另外，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員將嵌入式冷卻的想法提升到了一個(gè)新的水平。他們從一開始就將電子元件和冷卻裝置設(shè)計(jì)在一起，在芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)了三維冷卻通道，就在晶體管的有源部分下方。距離實(shí)際產(chǎn)生熱量的地方只有幾微米，這樣做的目的是防止熱量在整個(gè)設(shè)備中擴(kuò)散。

雙H型芯片歧管內(nèi)嵌冷卻結(jié)構(gòu)

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洛桑聯(lián)邦理工的嵌入式冷卻設(shè)計(jì)

（2）芯片內(nèi) TSV 散熱

3D-IC 作為突破平面系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）極限的關(guān)鍵路徑，日益成為尖端設(shè)計(jì)的主流趨勢(shì)。對(duì)于復(fù)雜的3D芯片，必須通過以特定方式放置TSV（即穿過硅片的銅連接）來創(chuàng)建熱通道，以幫助均勻散熱。在AMD MI300等芯片中，通過TSV將13個(gè)芯片堆疊在一起，作為一個(gè)大芯片。TSV可以提高性能、降低延遲、提高冷卻效果。但TSV是由銅制成的，其導(dǎo)熱性能受限，因此對(duì)于更高的散熱要求，僅靠TSV無(wú)法完成。

基于TSV放置優(yōu)化的3DIC熱管理示意圖

▌熱界面材料散熱路徑及開發(fā)路線

熱界面材料（TIM）是用于涂敷在散熱器件與發(fā)熱器件之間，降低它們之間接觸熱阻所使用的材料的總稱。由于器件制造公差和表面粗糙度的存在，器件之間通常會(huì)有微小的空隙。這些空隙含有空氣，而空氣是熱的不良導(dǎo)體，常溫下導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.026W/(m·K)，因此就造成了比較大的接觸熱阻。因此，導(dǎo)熱界面材料（TIM）被用來填補(bǔ)這些空隙，排出空氣，提供更好的熱傳導(dǎo)路徑，降低界面熱阻，從而提升散熱效率。芯片通過TIM與熱沉進(jìn)行貼合，TIM在遠(yuǎn)端冷卻和近芯片冷卻中起到十分關(guān)鍵的作用。目前針對(duì)TIM的研究是多路并行的，常見的材料主要分為聚合物和金屬2種類型。

AI終端設(shè)備中的高功耗芯片TIM散熱路徑示意圖

TIM 的開發(fā)路線

目前導(dǎo)熱界面材料主要有四類：

(1)導(dǎo)熱灌封膠：用于模塊的整體封裝；

(2)導(dǎo)熱硅脂(導(dǎo)熱膏)：具有一定流動(dòng)性或呈黏稠狀的膏狀物， 用于填充微小間 隙，比如將膏體涂覆在 CPU 和散熱器之間，發(fā)熱堆和殼體之間，將空氣擠壓出去，形成散熱通道；

(3)導(dǎo)熱膠墊：是一種柔性可壓縮的彈性材料，在施加一定壓力的情況下，能很 好地順應(yīng)接觸不規(guī)則的表面，填補(bǔ)固體間的空隙， 而又不會(huì)對(duì)元器件造成污染，用于電子電器產(chǎn)品的控制主板、LED 散熱、電機(jī)內(nèi)外部墊腳、鋰電池熱管理等；

(4)導(dǎo)熱相變材料：在常溫時(shí)處于固態(tài)，在吸收功率器件熱量后，達(dá)到一定溫度才融化為液態(tài)，因此可以很好地浸潤(rùn)固體界面，從而減少熱阻，它既能吸收熱量，又有良好的傳熱性，同時(shí)克服導(dǎo)熱硅脂和導(dǎo)熱膠墊的缺點(diǎn)，既解決了涂抹硅脂操作難的問題，也可改善導(dǎo)熱膠墊因?yàn)楹穸群徒缑鏌嶙鑾淼膶?dǎo)熱效果較差的問題。

03市場(chǎng)規(guī)模與增長(zhǎng)趨勢(shì)

算力器件功耗提升疊加能耗管控趨嚴(yán)驅(qū)動(dòng)液冷需求增長(zhǎng)。芯片TDP（熱設(shè)計(jì)功耗）350W通常被認(rèn)為是風(fēng)冷和液冷分水嶺，AI算力高需求加速芯片迭代，性能升級(jí)的同時(shí)功耗顯著增長(zhǎng)，同時(shí)帶動(dòng)數(shù)據(jù)中心單機(jī)柜功率增加，傳統(tǒng)散熱范圍受限。英偉達(dá)在GTC2024上發(fā)布的B200芯片滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)熱輸出功率高達(dá)1200W，DGX B200 8卡服務(wù)器功耗接近15kw，同時(shí)推出GB200 NVL72液冷機(jī)架系統(tǒng)。2024年7月發(fā)改委等四部門印發(fā)《數(shù)據(jù)中心綠色低碳發(fā)展專項(xiàng)行動(dòng)計(jì)劃》，提出到2025年底，全國(guó)數(shù)據(jù)中心平均PUE降至1.5以下，新建及改擴(kuò)建大型和超大型數(shù)據(jù)中心PUE降至1.25以內(nèi)，國(guó)家樞紐節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目PUE不得高于1.2，因地制宜推動(dòng)液冷等高效制冷散熱技術(shù)，高自然冷源利用率，明確新建及改擴(kuò)建數(shù)據(jù)中心采用GPU單位算力能效水平。國(guó)產(chǎn)AI芯片受工藝制程與良率影響，能效水平仍有提升空間，對(duì)設(shè)備散熱能力提出更高要求，液冷具有低能耗、高散熱、低噪聲、低TCO等優(yōu)勢(shì)，有望迎來快速發(fā)展。

AI 芯片軍備競(jìng)賽將持續(xù)推動(dòng)產(chǎn)品升級(jí),中長(zhǎng)期供給或?qū)⒍嘣?。中短期看，AI 模型發(fā)展、競(jìng)爭(zhēng)仍將推升 AI 芯片出貨量和規(guī)格；長(zhǎng)期看，AI 芯片需求將注重投入產(chǎn)出比和總擁有成本（TCO），重心預(yù)估將從 AI 大模型訓(xùn)練轉(zhuǎn)向 AI 垂直模型訓(xùn)練和 AI 推理。根據(jù) Yole 報(bào)告，AI 服務(wù)器（含 GPU 及其他加速器）2028 年滲透率有望從 2023 年的接近 10%增至超過 18%，其中約 70%-75%為 GPU 服務(wù)器。

加速器服務(wù)器規(guī)模及 GPU 服務(wù)器占比（左側(cè)百萬(wàn)部；右側(cè) %）

摩爾定律趨緩，芯片算力功耗齊升。IDC測(cè)算2022年中國(guó)智能算力規(guī)模約260EFLOPS（FP16），2027年將增至1117EFLOPS，2022-2027年CAGR達(dá)34%。算力高需求帶動(dòng)AI芯片加速迭代，性能升級(jí)的同時(shí)功耗顯著增長(zhǎng)，2016年-2022年，CPU平均功耗從100-130W提升至300-400W，GPU/NPU由250W提升至500W，英偉達(dá)單顆H100的TDP（熱設(shè)計(jì)功耗）最高達(dá)700W，最新發(fā)布B200采用Blackwell架構(gòu)，功耗達(dá)1000W，由2個(gè)B200 GPU和1個(gè)Grace CPU組成的GB200解決方案功耗高達(dá)2700W，散熱路線由風(fēng)冷轉(zhuǎn)向液冷。TDP 350W通常被認(rèn)為是風(fēng)冷和液冷的分水嶺，預(yù)計(jì)未來3年內(nèi)大多數(shù)最新一代處理器TDP將超過400W，超過風(fēng)冷散熱能力范圍。

隨著芯片技術(shù)的不斷進(jìn)步，芯片的性能日益提升，但其功耗也隨之增加，這使得芯片散熱市場(chǎng)規(guī)模呈現(xiàn)出持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2024年全球數(shù)據(jù)中心熱管理市場(chǎng)規(guī)模為165.6億美元，預(yù)計(jì)到2029年將增長(zhǎng)至345.1億美元，2024-2029年的復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）為15.8%。從技術(shù)滲透率來看，Omdia預(yù)計(jì)2023年數(shù)據(jù)中心風(fēng)冷和液冷市場(chǎng)規(guī)模為76.7億美元，其中液冷的滲透率約為17%。在消費(fèi)電子領(lǐng)域，2023年全球智能手機(jī)出貨量11.7億臺(tái)，平板電腦出貨量1.3億臺(tái)，電腦出貨量2.5億臺(tái)，全球消費(fèi)電子熱管理市場(chǎng)規(guī)模預(yù)估為309億美元。預(yù)計(jì)到2030年，全球數(shù)據(jù)中心熱管理市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到更高水平，新興芯片散熱市場(chǎng)規(guī)模也將顯著增長(zhǎng)，其中鉆石散熱和VC散熱等技術(shù)有望占據(jù)更大市場(chǎng)份額;2030年，全球芯片級(jí)散熱市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到400億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為31.4%。

芯片級(jí)散熱產(chǎn)業(yè)發(fā)展預(yù)估2024-2030

主要企業(yè)及其競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)

臺(tái)積電

在芯片級(jí)散熱市場(chǎng)中，臺(tái)積電是一家具有重要影響力的企業(yè)。其在散熱技術(shù)研發(fā)方面投入巨大，擁有多項(xiàng)先進(jìn)的散熱技術(shù)。例如，在2021年針對(duì)高性能芯片提出了兩種近芯片冷卻方案，一種是在芯片與硅微通道之間采用氧硅鍵合進(jìn)行集成，可在特定溫升和功耗下實(shí)現(xiàn)有效冷卻；另一種是片上水冷技術(shù)，能滿足不同參數(shù)芯片的散熱需求。2022年又提出浸沒式兩相冷卻方案，將浸沒式冷卻應(yīng)用于高功率封裝上，熱阻低，可在一定溫升下實(shí)現(xiàn)高功率密度的冷卻，且該方案在電源使用效率方面表現(xiàn)優(yōu)異，有望成為未來數(shù)據(jù)中心或超算中心主流的冷卻方式之一。

英偉達(dá)

英偉達(dá)在芯片散熱領(lǐng)域也占據(jù)著重要地位。其推出的基于直接芯片冷卻技術(shù)的A100 800G PCIe液冷GPU，較風(fēng)冷版本性能相當(dāng)，但電力節(jié)約30%左右，單插槽設(shè)計(jì)節(jié)省最多66%的機(jī)架空間。2024年發(fā)布的GB200 NVL72，單功率約120kw，采用液冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低了成本和能耗。此外，英偉達(dá)還率先采用鉆石散熱GPU進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，性能顯著提升，這使其在高端芯片散熱市場(chǎng)具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

英特爾

英特爾不斷探索新穎的散熱解決方案以應(yīng)對(duì)下一代芯片的熱挑戰(zhàn)。其研究人員通過“新材料和結(jié)構(gòu)革新”，涵蓋了從3D均熱板的改進(jìn)和射流液體冷卻，以及浸沒式冷卻相關(guān)的優(yōu)化設(shè)計(jì)等。例如，計(jì)劃通過改進(jìn)的沸騰涂層來促進(jìn)兩相冷卻中的成核點(diǎn)密度，提高均熱板工質(zhì)的核沸騰能力，并降低接觸熱阻，還擬大幅擴(kuò)展超低熱阻的3D均熱板的應(yīng)用范圍，這些舉措有助于英特爾在芯片散熱市場(chǎng)保持領(lǐng)先地位。

日月光

日月光半導(dǎo)體制造股份有限公司在2024年10月公布的“封裝結(jié)構(gòu)”專利，引入了一種第一熱電結(jié)構(gòu)，具備溫度感測(cè)模式和制冷模式。該熱電結(jié)構(gòu)能夠穿入介電層，貼近芯片的第一表面，從而在制冷模式下對(duì)芯片提供有效的冷卻。這一獨(dú)特的技術(shù)創(chuàng)新為其在芯片散熱市場(chǎng)贏得了競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，能夠更好地滿足高性能計(jì)算設(shè)備的散熱需求。

國(guó)產(chǎn)芯片

國(guó)產(chǎn)AI芯片快速發(fā)展，提高散熱能力要求。國(guó)產(chǎn)AI芯片整體處于起步階段，華為、寒武紀(jì)、海光信息等持續(xù)升級(jí)芯片性能，完善生態(tài)建設(shè)，縮小與國(guó)際領(lǐng)先廠商差距，海外供應(yīng)鏈不確定性增強(qiáng)背景下，國(guó)產(chǎn)算力替代有望加快，華為910B性能可對(duì)標(biāo)英偉達(dá)A100。對(duì)比英偉達(dá)B200和A100，分別采用4nm和7nm制程，B200算力（FP16）約為A100的7倍，功耗僅為其2.5倍，因此我們認(rèn)為受制工藝制程與良率，國(guó)內(nèi)AI芯片能效比或低于海外領(lǐng)先廠商，后續(xù)隨著芯片算力持續(xù)提升，散熱需求有望顯著增長(zhǎng)。

頭部廠商引領(lǐng)，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程加速。

液冷產(chǎn)業(yè)鏈上游包括冷板、CDU等零部件廠商，中游為液冷服務(wù)器及基礎(chǔ)設(shè)施，下游面向泛互聯(lián)網(wǎng)、電信、泛政府、金融等液冷數(shù)據(jù)中心用戶，當(dāng)前服務(wù)器廠商依托IT核心部件掌握產(chǎn)業(yè)鏈核心價(jià)值控制點(diǎn)，上下游協(xié)同加強(qiáng)，推進(jìn)生態(tài)建設(shè)，23年6月三大運(yùn)營(yíng)商聯(lián)合發(fā)布《電信運(yùn)營(yíng)商液冷技術(shù)白皮書》，提出三大運(yùn)營(yíng)商2024年新建數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目10%規(guī)模試點(diǎn)應(yīng)用液冷技術(shù)，2025年50%以上數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目應(yīng)用液冷技術(shù)。但行業(yè)現(xiàn)階段仍然存在技術(shù)路徑多樣、產(chǎn)品規(guī)格質(zhì)量各有差異，各液冷模塊兼容性較差等問題，多采用一體化交付模式，即液冷整機(jī)柜由同一廠商自定標(biāo)準(zhǔn)集成設(shè)計(jì)開發(fā)交付，隨著行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)，解耦交付模式有望憑借部署靈活、降低TCO等優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步推廣。

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