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为什么GPU芯片需要嵌入式液冷？

为什么GPU芯片需要嵌入式液冷？

2025-08-14 10:10:17 84

英伟达（NVIDIA）芯片需要嵌入式液冷技术，主要是为了应对人工智能（AI）和高性能计算（HPC）工作负载对散热和能效的严苛要求。随着GPU计算密度和功耗的持续增加，传统的风冷方案已无法满足其散热需求。例如，英伟达的H100和H200 GPU的功耗可达1500W以上，传统空气冷却系统难以有效散热。

嵌入式液冷技术通过将微通道冷却块直接集成到芯片封装中，实现了热源与冷却介质的紧密耦合，显著降低了热阻，提高了散热效率。例如，JetCool为NVIDIA H100 GPU设计的SmartPlate采用单相直接芯片液冷技术，具有0.021°C/W的低热阻，支持高达1500W的散热功率。

此外，嵌入式液冷还具有降低能耗、降低噪音和节省空间等优势。例如，Supermicro与英伟达合作的液冷AI开发平台，采用液冷系统可降低高达40%的电力使用，提升AI工作负载效率。

一、什么是嵌入式液冷？

嵌入式液冷是把液体冷却系统“集成进”芯片或封装内，而不是像传统那样把散热器挂在芯片外边。具体来说是在CPU封装（IHS 或直接在封装外壳）上集成一个微通道冷却块，液体通过这些微通道直流热点区域带走热量。这种做法，将热源和冷却介质之间的热阻降到最低。

Intel 已在其 Foundry Direct Connect 展会上展示过原型：铜制微通道冷却块直接安装在 CPU 包装顶部，配合液态金属或焊料 TIM 层，冷却功率可达 1000 W，效率比传统 delid 后水冷系统高 15‑20%。

二、核心组成与实现方式

1. 微通道冷却块（Copper microchannel block）

制作在铜或高热导材料中，通过精密刻蚀或加工形成微通道。
流体沿最低热阻路径直击热点区域，因此冷却更、更高效。

2. 热界面材料（TIM）

使用液态金属或焊料替代传统导热硅脂，这样能更紧密地将封装顶部与冷却块接触，减少热界面热阻，从而提升热传递效率。

3. 封装集成方式

该冷却结构通常设计为与 LGA 或 BGA 封装兼容，安装后成为封装的一部分，不需要额外大体积散热器。
对未来 AI、HPC、服务器工作站等高热密度应用能有效满足散热需求。

三、优点分析

热阻最小：热流路径短、更直接，封装到冷却液仅一层 TIM。
针对热点：通道布局可根据芯片内部热点分布（如高功耗电核等）规划，增强局部冷却效率。
能量摆放更紧密：冷却块极薄，可支持高度集成、高功耗芯片设计。
整体系统体积更小：无需传统大型散热器或 AIO 水冷器，封装本身即冷却单元。

四、局限及挑战

1. 工艺与制造难度

在封装顶部集成微通道水冷结构，制造工艺复杂，对封装精度、材料选择、流体密封要求高；
需求与芯片设计紧密耦合，从封装设计端就需协作定制。

2. 流体与气泡管理

当流量或温度设计碰到两相区（液体沸腾区域），会产生气泡，影响流动路径与热交换性能；
要精控微通道几何结构、入口压力、流速等参数，避免气堵、沸腾不均、局部干涸。

3. 系统设计与可靠性

封装内流速过高可能会引起压力损失、结构振动，甚至泄漏；
TIM、铜块、封装接合界面必须长期稳定、耐热循环，防止疲劳失效。

五、整体技术流程（系统性梳理）

阶段	内容	要点说明
设计阶段	联合芯片+封装+热设计协作	根据 CPU/GPU 热点分布规划微通道布局
制造阶段	封装集成微通道冷却块	铜制或高导热材料，通过微加工或封装抑制
接触层处理	液态金属或焊料 TIM	提高界面导热性，减少传统热界面阻抗
系统集成	管路、泵、流速控制	控制流动压力与温度，防止气泡失控
测试阶段	热性能验证与可靠性测试	包括热循环、冲击、压力与漏水测试
应用阶段	部署在高功耗AI、HPC服务器	使用范围包括 Xeon、Core Ultra 等封装

六、总结一句话

嵌入式液冷就是把「微型铜制水冷块」直接集成到封装上，并通过液态金属 TIM 层紧耦合在封装与液体之间，能把热流路径拉到最短，实现高达 1000 W 的散热能力，是为高热密度芯片而生的一种颠覆性散热技术。不过，对制造、流体控制、长期可靠性都提出了很高要求。

免责声明：本文采摘自“老虎说芯”，本文仅代表作者个人观点，不代表英国正版365官方网站及行业观点，只为转载与分享，支持保护知识产权，转载请注明原出处及作者，如有侵权请联系我们删除。

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