液冷在冷卻 GPU 等高功耗芯片方面效果顯著，但也給附近其他原本受益于 GPU 散熱氣流的芯片帶來了熱問題。隨著氣流消失，印刷電路板（PCB）上剩余熱量的散逸正成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

冷卻能夠保證器件在規(guī)格范圍內(nèi)運(yùn)行，并提升電路板和器件的可靠性。西門子數(shù)字工業(yè)軟件公司的創(chuàng)新路線圖經(jīng)理羅賓?博恩諾夫表示：“溫度始終是可靠性的首要指標(biāo)。它本身不會(huì)導(dǎo)致失效，但會(huì)引發(fā)后續(xù)的熱機(jī)械現(xiàn)象。器件發(fā)熱會(huì)產(chǎn)生形變，形變過大就會(huì)斷裂，進(jìn)而導(dǎo)致 C4 凸點(diǎn)（或其他焊點(diǎn)）開裂，整個(gè)電路失效?！?/p>

氣流可以覆蓋電路板的每個(gè)部分，浸沒式冷卻也是如此。更常見的做法是，有針對(duì)性地利用液冷為高熱芯片散熱。無法采用液冷的芯片可能需要額外的被動(dòng)或主動(dòng)冷卻措施，這催生了微冷卻的概念 —— 冷卻解決方案針對(duì)有限空間，僅對(duì)一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)器件進(jìn)行冷卻。

圖 1：電路板的熱仿真圖顯示強(qiáng)制氣流來自右上方。若改為液冷，藍(lán)色和紅色芯片的溫度可能降低，但中間未采用液冷的芯片可能變?yōu)榧t色。

在無氣流的情況下，必須對(duì)電路板上所有器件進(jìn)行分析，以識(shí)別新出現(xiàn)的熱問題。針對(duì)這類情況，確實(shí)存在替代方案。新思科技電子熱完整性高級(jí)產(chǎn)品經(jīng)理杰夫?薩普表示：“在缺乏主動(dòng)冷卻的情況下，可以采用均熱板、熱管等技術(shù)?！?/p>

基礎(chǔ)熱核算

傳統(tǒng)上，電路板作為一個(gè)整體進(jìn)行冷卻，通過充足的氣流保證板上器件工作在規(guī)定溫度范圍內(nèi)。確定氣流量需要了解所有熱源，以確保冷卻效果足夠。

薩普解釋道：“要確定溫度值，需要知道產(chǎn)熱速率和散熱速率，二者達(dá)到平衡時(shí)的溫度即為工作溫度?！?/p>

但電路板通常只有少數(shù)幾個(gè)主要熱源，其余器件數(shù)量眾多。為便于討論，我們可以（不嚴(yán)格地）將需要液冷的芯片稱為高熱芯片，接近熱極限的稱為溫?zé)嵝酒h(yuǎn)離過熱風(fēng)險(xiǎn)的稱為冷芯片。設(shè)計(jì)焦點(diǎn)通常集中在高熱芯片，但在對(duì)整塊電路板進(jìn)行熱性能仿真時(shí)，需要納入所有器件（包括溫?zé)岷屠湫酒┑呢暙I(xiàn)。采用風(fēng)冷時(shí)，所有器件都能受益。

如果冷卻分析僅關(guān)注高熱芯片，那么冷卻方式可能對(duì)高熱芯片足夠，但對(duì)周圍的溫?zé)崞骷赡懿蛔?。在無氣流的情況下，溫?zé)嵝酒赡茏兂筛邿嵝酒＿@是否意味著它們現(xiàn)在也必須采用液冷？或許是，但并非必然。

整板熱交互

電路板上任意一點(diǎn)的溫度，取決于各器件的產(chǎn)熱和散熱方式。產(chǎn)熱通常取決于器件的工作負(fù)載，因此散熱是實(shí)際可調(diào)節(jié)的手段 —— 降低工作負(fù)載是最后手段，會(huì)削弱電路板的功能價(jià)值。

相鄰熱源會(huì)影響散熱。緊鄰高熱 GPU 的 HBM 堆疊，其自身散熱難度會(huì)高于無 GPU 時(shí)的情況。對(duì)電路板進(jìn)行整體分析時(shí)，必須考慮這些器件間的相互作用，以確定合適的氣流方案。

新思科技產(chǎn)品營銷總監(jiān)馬克?斯溫嫩表示：“進(jìn)行溫度分析時(shí)，我們可以計(jì)算芯片的產(chǎn)熱功率，但功率是速率，不是溫度。該產(chǎn)熱速率對(duì)應(yīng)的實(shí)際溫度取決于環(huán)境。這存在一個(gè)雞生蛋、蛋生雞的問題：芯片的功率取決于溫度，而溫度又取決于功率，因此需要多次迭代計(jì)算?！?/p>

關(guān)鍵問題在于，所有冷卻方案是為特定電路板定制的，還是部分芯片在采購時(shí)已集成冷卻方案。專為液冷設(shè)計(jì)的芯片，在制造過程中可能單獨(dú)集成了冷卻結(jié)構(gòu)。冷板等技術(shù)可在電路板組裝時(shí)安裝，并針對(duì)特定電路板定制，但直接噴射式冷卻需要無遮擋地接觸硅裸片，無法在晶圓廠和封裝廠之間的環(huán)節(jié)加裝，否則會(huì)使硅片面臨損壞或污染風(fēng)險(xiǎn)。

在這些情況下，冷卻方案可能僅根據(jù)芯片自身的熱特性安裝，忽略了周圍器件的影響。采購并安裝此類器件的用戶可以放心芯片會(huì)保持在規(guī)格范圍內(nèi)，但這與相鄰器件無關(guān)。

其他冷卻方案

電路板熱分析可以識(shí)別未采用液冷但存在過熱風(fēng)險(xiǎn)的器件。此時(shí)可采用的冷卻技術(shù)并非只有全液冷。薩普指出：“在無強(qiáng)制氣流的情況下，仍有許多技術(shù)可供使用。”

部分技術(shù)仍涉及液體，但采用自包含形式，例如均熱板和熱管。

均熱板利用小體積內(nèi)的對(duì)流，使液體接觸芯片封裝頂部。液體蒸發(fā)后上升至腔體頂部，與外部冷板接觸，蒸汽冷卻后變回液體。對(duì)流驅(qū)動(dòng)液體和蒸汽循環(huán)，實(shí)現(xiàn)高效散熱。

熱管外觀與液冷相似，也使用液體，但無需全液冷所需的復(fù)雜冷卻基礎(chǔ)設(shè)施，幾乎是微型液冷方案。其核心思想是將芯片（尤其是擁擠區(qū)域、空間有限的芯片）的熱量轉(zhuǎn)移到其他位置進(jìn)行更有效的散逸。熱量驅(qū)動(dòng)液體循環(huán)，并非永動(dòng)機(jī)。

新思科技 SoC 工程高級(jí)工程師薩提亞?卡里馬吉表示：“內(nèi)部的冷卻劑在蒸發(fā)器側(cè)吸收熱量后發(fā)生相變變成蒸汽，從蒸發(fā)器移動(dòng)到冷凝器。在冷凝器處，散熱片或風(fēng)扇將蒸汽的熱量帶走，蒸汽冷凝后通過毛細(xì)作用返回封裝?！?/p>

部分技術(shù)最初是為其他類型系統(tǒng)設(shè)計(jì)的。卡里馬吉表示：“熱管和均熱板用于筆記本電腦、手機(jī)等薄型設(shè)備?！?但它們的應(yīng)用范圍可能會(huì)擴(kuò)大。

部分場景可能不需要如此復(fù)雜的方案。散熱片通常通過氣流散熱，但即使無氣流，設(shè)計(jì)良好的散熱片也能通過更大的散熱面積提升冷卻效果。

局部風(fēng)扇

在電路板空間允許的情況下，部分工程師會(huì)在板上安裝小型風(fēng)扇以提供額外氣流。這類風(fēng)扇會(huì)占用一定空間，其位置對(duì)確保目標(biāo)器件獲得充足氣流至關(guān)重要。如果將空氣排出電路板外即可滿足需求，該方案可行；但如果需要將空氣進(jìn)一步排出系統(tǒng)外，則需要恢復(fù)轉(zhuǎn)換為液冷時(shí)拆除的風(fēng)冷基礎(chǔ)設(shè)施。

旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇體積較大，小型版本雖可用于電路板，但無法適配智能眼鏡等空間極度受限的系統(tǒng)，且噪音較大。

一種替代方案是在溫?zé)嵝酒敳堪惭b MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）微型風(fēng)扇。該器件有兩個(gè)端口，一個(gè)進(jìn)風(fēng)，一個(gè)出風(fēng)。安裝在芯片封裝上時(shí)，可通過隔離區(qū)在風(fēng)扇和芯片之間留出氣流空間；側(cè)通風(fēng)型號(hào)則無需隔離區(qū)，可直接安裝在芯片上。

圖 2：芯片頂部安裝 MEMS 風(fēng)扇的兩種方式。上方方案中，隔離區(qū)為芯片下方留出空間，空氣可橫向甚至向上從頂部通風(fēng)口排出；側(cè)通風(fēng)方案無需隔離區(qū)。

xMEMS 的該器件源于其揚(yáng)聲器業(yè)務(wù)。MEMS 揚(yáng)聲器利用壓電效應(yīng)，通過電壓變化驅(qū)動(dòng)振膜移動(dòng)空氣，而我們感知到的移動(dòng)空氣就是聲音。xMEMS 營銷與業(yè)務(wù)開發(fā)副總裁邁克?豪斯霍爾德表示：“我們將壓電材料作為執(zhí)行器，硅材料作為振膜。根據(jù)驅(qū)動(dòng) MEMS 的諧振頻率和超聲波調(diào)制方式，我們既可以產(chǎn)生音頻，也可以產(chǎn)生氣流。”

同一原理可用于制造恒速甚至變速風(fēng)扇，無需揚(yáng)聲器的調(diào)制功能。配套的 ASIC 芯片驅(qū)動(dòng)壓電元件振動(dòng)，使空氣通過端口流動(dòng)?？諝饪呻p向流動(dòng) —— 底部進(jìn)、頂部出，或相反。例如，可正向流動(dòng)用于冷卻，反向流動(dòng)用于清潔。

豪斯霍爾德表示：“系統(tǒng)處理器通過 I2C 指令在 ASIC 中設(shè)置氣流方向，可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整氣流方向和速率。氣流由電壓控制，電壓越高，氣流越大；電壓越低，氣流越小?！?/p>

比傳統(tǒng)風(fēng)扇更安靜

該技術(shù)源于音頻領(lǐng)域，其工作頻率在千赫茲級(jí)別，通常遠(yuǎn)低于電路板上任何器件的頻率，極高次諧波也不會(huì)干擾電氣元件。風(fēng)扇頻率與芯片頻率相差六個(gè)數(shù)量級(jí)以上，任何可察覺功率的諧波都無法產(chǎn)生干擾。

風(fēng)扇的另一大痛點(diǎn)是噪音。人類可聽范圍在千赫茲級(jí)別，而該風(fēng)扇工作頻率超過 40 千赫茲，是人類最高可聽頻率的兩倍，因此非常安靜。

豪斯霍爾德表示：“3 厘米處無機(jī)械噪音，僅氣流產(chǎn)生的噪音為 18 分貝 A 計(jì)權(quán)（dBA），完全不可聞。”（dBA 是根據(jù)人耳響應(yīng)特性加權(quán)的分貝值，相比之下，輕聲耳語約為 30dBA。）該公司還表示，其不受外部振動(dòng)干擾。

可能需要額外措施確保氣流到達(dá)目標(biāo)位置。豪斯霍爾德表示：“以公司支持的 SSD（固態(tài)硬盤）為例，我們使用金屬屏蔽罩 —— 類似射頻的 EMI 屏蔽罩，也可以是塑料材質(zhì)，材料無關(guān)緊要。我們將氣流引導(dǎo)至屏蔽罩下方的所有芯片。通過風(fēng)道或通道設(shè)計(jì)，可從系統(tǒng)外部或其他位置吸入冷空氣。”

xMEMS 正研究用該技術(shù)冷卻 HBM 堆疊，但無法在堆疊頂部加裝器件，一種可能的方案是冷卻側(cè)面，這有助于解決堆疊中間芯片最難冷卻的問題。

MEMS 冷卻器可安裝在芯片或電路板上，該公司甚至可將其設(shè)計(jì)為小芯片，集成于先進(jìn)封裝中。但要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，需要將金屬蓋子改為硅蓋，且先進(jìn)封裝需設(shè)置進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口。

主動(dòng)散熱片

該公司還在研發(fā)所謂的主動(dòng)散熱片，將風(fēng)扇安裝在散熱片頂部。大多數(shù)散熱片的鰭片或引腳之間需要留出足夠空間以保證正常氣流，這涉及背壓概念 —— 氣流受到的阻力。傳統(tǒng)風(fēng)扇的背壓低，但微型風(fēng)扇直接向散熱片頂部吹風(fēng)，背壓更高。這意味著散熱片可采用更密集的引腳陣列，增加散熱面積，提升散熱效果。

豪斯霍爾德解釋道：“我們將背壓轉(zhuǎn)化為優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)空氣通過狹小空間。這是針對(duì)特定熱點(diǎn)的定向冷卻，而普通風(fēng)扇是大范圍吹風(fēng)。”

該器件尺寸為 9×7 平方毫米，厚度 1 毫米，成本在 5 至 10 美元之間。最初設(shè)計(jì)用于智能手機(jī)和 AR 眼鏡，這類應(yīng)用可接受該價(jià)格，但消費(fèi)類產(chǎn)品可能難以接受，盡管部分消費(fèi)類產(chǎn)品的功耗正在升高。其在數(shù)據(jù)中心的首個(gè)應(yīng)用是固態(tài)硬盤。

該方案僅適用于中等功耗的器件。豪斯霍爾德表示：“微冷卻可對(duì)功耗 15 至 18 瓦的系統(tǒng)產(chǎn)生效果，具體取決于系統(tǒng)的熱架構(gòu)?！?/p>

原本無需冷卻的芯片現(xiàn)在需要冷卻

隨著系統(tǒng)轉(zhuǎn)向液冷，或即使無冷卻系統(tǒng)發(fā)展到需要部分冷卻的階段，必須對(duì)整塊電路板進(jìn)行分析，識(shí)別高熱、溫?zé)岷屠湫酒?/p>

數(shù)據(jù)中心的高熱芯片采用浸沒式液冷。數(shù)據(jù)中心外幾乎不存在液冷基礎(chǔ)設(shè)施，因此在現(xiàn)有技術(shù)條件下，功耗約 20 瓦以內(nèi)的高熱芯片可通過微型風(fēng)扇冷卻。功耗超過該值且無液冷、氣流不足時(shí)，可能需要采取措施降低產(chǎn)熱。

原本無需額外冷卻的溫?zé)嵝酒F(xiàn)在可能需要散熱片、均熱板、熱管或局部風(fēng)扇。冷芯片溫度會(huì)升高，但仍應(yīng)保持在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

隨著更多系統(tǒng)轉(zhuǎn)向液冷且功耗不斷提升，對(duì)于需要輔助冷卻但無需全液冷的芯片，可能會(huì)出現(xiàn)更多解決方案。無論何時(shí)有可用的冷卻方案，部署時(shí)都必須對(duì)整塊電路板進(jìn)行分析。