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液冷在冷却 GPU 等高功耗芯片方面效果显著，但也给附近其他原本受益于 GPU 散热气流的芯片带来了热问题。随着气流消失，印刷电路板（PCB）上剩余热量的散逸正成为一项挑战。

冷却能够保证器件在规格范围内运行，并提升电路板和器件的可靠性。西门子数字工业软件公司的创新路线图经理罗宾・博恩诺夫表示：“温度始终是可靠性的首要指标。它本身不会导致失效，但会引发后续的热机械现象。器件发热会产生形变，形变过大就会断裂，进而导致 C4 凸点（或其他焊点）开裂，整个电路失效。”

气流可以覆盖电路板的每个部分，浸没式冷却也是如此。更常见的做法是，有针对性地利用液冷为高热芯片散热。无法采用液冷的芯片可能需要额外的被动或主动冷却措施，这催生了微冷却的概念 —— 冷却解决方案针对有限空间，仅对一个或少数几个器件进行冷却。

图 1：电路板的热仿真图显示强制气流来自右上方。若改为液冷，蓝色和红色芯片的温度可能降低，但中间未采用液冷的芯片可能变为红色。

在无气流的情况下，必须对电路板上所有器件进行分析，以识别新出现的热问题。针对这类情况，确实存在替代方案。新思科技电子热完整性高级产品经理杰夫・萨普表示：“在缺乏主动冷却的情况下，可以采用均热板、热管等技术。”

基础热核算

传统上，电路板作为一个整体进行冷却，通过充足的气流保证板上器件工作在规定温度范围内。确定气流量需要了解所有热源，以确保冷却效果足够。

萨普解释道：“要确定温度值，需要知道产热速率和散热速率，二者达到平衡时的温度即为工作温度。”

但电路板通常只有少数几个主要热源，其余器件数量众多。为便于讨论，我们可以（不严格地）将需要液冷的芯片称为高热芯片，接近热极限的称为温热芯片，远离过热风险的称为冷芯片。设计焦点通常集中在高热芯片，但在对整块电路板进行热性能仿真时，需要纳入所有器件（包括温热和冷芯片）的贡献。采用风冷时，所有器件都能受益。

如果冷却分析仅关注高热芯片，那么冷却方式可能对高热芯片足够，但对周围的温热器件可能不足。在无气流的情况下，温热芯片可能变成高热芯片。这是否意味着它们现在也必须采用液冷？或许是，但并非必然。

整板热交互

电路板上任意一点的温度，取决于各器件的产热和散热方式。产热通常取决于器件的工作负载，因此散热是实际可调节的手段 —— 降低工作负载是最后手段，会削弱电路板的功能价值。

相邻热源会影响散热。紧邻高热 GPU 的 HBM 堆叠，其自身散热难度会高于无 GPU 时的情况。对电路板进行整体分析时，必须考虑这些器件间的相互作用，以确定合适的气流方案。

新思科技产品营销总监马克・斯温嫩表示：“进行温度分析时，我们可以计算芯片的产热功率，但功率是速率，不是温度。该产热速率对应的实际温度取决于环境。这存在一个鸡生蛋、蛋生鸡的问题：芯片的功率取决于温度，而温度又取决于功率，因此需要多次迭代计算。”

关键问题在于，所有冷却方案是为特定电路板定制的，还是部分芯片在采购时已集成冷却方案。专为液冷设计的芯片，在制造过程中可能单独集成了冷却结构。冷板等技术可在电路板组装时安装，并针对特定电路板定制，但直接喷射式冷却需要无遮挡地接触硅裸片，无法在晶圆厂和封装厂之间的环节加装，否则会使硅片面临损坏或污染风险。

在这些情况下，冷却方案可能仅根据芯片自身的热特性安装，忽略了周围器件的影响。采购并安装此类器件的用户可以放心芯片会保持在规格范围内，但这与相邻器件无关。

其他冷却方案

电路板热分析可以识别未采用液冷但存在过热风险的器件。此时可采用的冷却技术并非只有全液冷。萨普指出：“在无强制气流的情况下，仍有许多技术可供使用。”

部分技术仍涉及液体，但采用自包含形式，例如均热板和热管。

均热板利用小体积内的对流，使液体接触芯片封装顶部。液体蒸发后上升至腔体顶部，与外部冷板接触，蒸汽冷却后变回液体。对流驱动液体和蒸汽循环，实现高效散热。

热管外观与液冷相似，也使用液体，但无需全液冷所需的复杂冷却基础设施，几乎是微型液冷方案。其核心思想是将芯片（尤其是拥挤区域、空间有限的芯片）的热量转移到其他位置进行更有效的散逸。热量驱动液体循环，并非永动机。

新思科技 SoC 工程高级工程师萨提亚・卡里马吉表示：“内部的冷却剂在蒸发器侧吸收热量后发生相变变成蒸汽，从蒸发器移动到冷凝器。在冷凝器处，散热片或风扇将蒸汽的热量带走，蒸汽冷凝后通过毛细作用返回封装。”

部分技术最初是为其他类型系统设计的。卡里马吉表示：“热管和均热板用于笔记本电脑、手机等薄型设备。” 但它们的应用范围可能会扩大。

部分场景可能不需要如此复杂的方案。散热片通常通过气流散热，但即使无气流，设计良好的散热片也能通过更大的散热面积提升冷却效果。

局部风扇

在电路板空间允许的情况下，部分工程师会在板上安装小型风扇以提供额外气流。这类风扇会占用一定空间，其位置对确保目标器件获得充足气流至关重要。如果将空气排出电路板外即可满足需求，该方案可行；但如果需要将空气进一步排出系统外，则需要恢复转换为液冷时拆除的风冷基础设施。

旋转风扇体积较大，小型版本虽可用于电路板，但无法适配智能眼镜等空间极度受限的系统，且噪音较大。

一种替代方案是在温热芯片顶部安装 MEMS（微机电系统）微型风扇。该器件有两个端口，一个进风，一个出风。安装在芯片封装上时，可通过隔离区在风扇和芯片之间留出气流空间；侧通风型号则无需隔离区，可直接安装在芯片上。

图 2：芯片顶部安装 MEMS 风扇的两种方式。上方方案中，隔离区为芯片下方留出空间，空气可横向甚至向上从顶部通风口排出；侧通风方案无需隔离区。

xMEMS 的该器件源于其扬声器业务。MEMS 扬声器利用压电效应，通过电压变化驱动振膜移动空气，而我们感知到的移动空气就是声音。xMEMS 营销与业务开发副总裁迈克・豪斯霍尔德表示：“我们将压电材料作为执行器，硅材料作为振膜。根据驱动 MEMS 的谐振频率和超声波调制方式，我们既可以产生音频，也可以产生气流。”

同一原理可用于制造恒速甚至变速风扇，无需扬声器的调制功能。配套的 ASIC 芯片驱动压电元件振动，使空气通过端口流动。空气可双向流动 —— 底部进、顶部出，或相反。例如，可正向流动用于冷却，反向流动用于清洁。

豪斯霍尔德表示：“系统处理器通过 I2C 指令在 ASIC 中设置气流方向，可实时动态调整气流方向和速率。气流由电压控制，电压越高，气流越大；电压越低，气流越小。”

比传统风扇更安静

该技术源于音频领域，其工作频率在千赫兹级别，通常远低于电路板上任何器件的频率，极高次谐波也不会干扰电气元件。风扇频率与芯片频率相差六个数量级以上，任何可察觉功率的谐波都无法产生干扰。

风扇的另一大痛点是噪音。人类可听范围在千赫兹级别，而该风扇工作频率超过 40 千赫兹，是人类最高可听频率的两倍，因此非常安静。

豪斯霍尔德表示：“3 厘米处无机械噪音，仅气流产生的噪音为 18 分贝 A 计权（dBA），完全不可闻。”（dBA 是根据人耳响应特性加权的分贝值，相比之下，轻声耳语约为 30dBA。）该公司还表示，其不受外部振动干扰。

可能需要额外措施确保气流到达目标位置。豪斯霍尔德表示：“以公司支持的 SSD（固态硬盘）为例，我们使用金属屏蔽罩 —— 类似射频的 EMI 屏蔽罩，也可以是塑料材质，材料无关紧要。我们将气流引导至屏蔽罩下方的所有芯片。通过风道或通道设计，可从系统外部或其他位置吸入冷空气。”

xMEMS 正研究用该技术冷却 HBM 堆叠，但无法在堆叠顶部加装器件，一种可能的方案是冷却侧面，这有助于解决堆叠中间芯片最难冷却的问题。

MEMS 冷却器可安装在芯片或电路板上，该公司甚至可将其设计为小芯片，集成于先进封装中。但要实现这一点，需要将金属盖子改为硅盖，且先进封装需设置进风口和出风口。

主动散热片

该公司还在研发所谓的主动散热片，将风扇安装在散热片顶部。大多数散热片的鳍片或引脚之间需要留出足够空间以保证正常气流，这涉及背压概念 —— 气流受到的阻力。传统风扇的背压低，但微型风扇直接向散热片顶部吹风，背压更高。这意味着散热片可采用更密集的引脚阵列，增加散热面积，提升散热效果。

豪斯霍尔德解释道：“我们将背压转化为优势，推动空气通过狭小空间。这是针对特定热点的定向冷却，而普通风扇是大范围吹风。”

该器件尺寸为 9×7 平方毫米，厚度 1 毫米，成本在 5 至 10 美元之间。最初设计用于智能手机和 AR 眼镜，这类应用可接受该价格，但消费类产品可能难以接受，尽管部分消费类产品的功耗正在升高。其在数据中心的首个应用是固态硬盘。

该方案仅适用于中等功耗的器件。豪斯霍尔德表示：“微冷却可对功耗 15 至 18 瓦的系统产生效果，具体取决于系统的热架构。”

原本无需冷却的芯片现在需要冷却

随着系统转向液冷，或即使无冷却系统发展到需要部分冷却的阶段，必须对整块电路板进行分析，识别高热、温热和冷芯片。

数据中心的高热芯片采用浸没式液冷。数据中心外几乎不存在液冷基础设施，因此在现有技术条件下，功耗约 20 瓦以内的高热芯片可通过微型风扇冷却。功耗超过该值且无液冷、气流不足时，可能需要采取措施降低产热。

原本无需额外冷却的温热芯片现在可能需要散热片、均热板、热管或局部风扇。冷芯片温度会升高，但仍应保持在设计范围内。

随着更多系统转向液冷且功耗不断提升，对于需要辅助冷却但无需全液冷的芯片，可能会出现更多解决方案。无论何时有可用的冷却方案，部署时都必须对整块电路板进行分析。

关键词： 液冷 高功耗芯片 局部冷却