未来芯片的可能面貌:为何台积电要将“水冷系统”集成到芯片上?

散热一直是芯片的头号问题,随着算力提升,芯片产生的热能也越来越高。对此,台积电近期在VLSI研讨会上发布“水冷芯片”的研究,提供散热问题的解决方案。

台积电将水冷系统集成至芯片,直接降温

关于芯片散热,常见的做法是在芯片上涂导热硅脂,将热量传到散热器底部,导热管、水冷管再将热量导到鳍片,最后风扇将鳍片的热量吹走,完成散热。但部分芯片顶部有用于保护的金属盖,下面才是芯片核心,因此芯片必须通过内部的导热材料,先将热量传到金属盖,再通过芯片外的导热硅脂带走热量。至于没有金属盖的芯片(例如笔记本CPU),顶部也会有硅材料,它的功用是保护电路结构,但也阻绝了散热。

随着晶体管密度提升,产生的热量也越来越多,因此台积电将水冷系统集成在芯片中,让水直接从芯片内带走热量。台积电测试了三种水冷设计,一种是DWC(直接水冷),直接在芯片表面的硅蚀刻凹槽,让导热液体流动并带走热量;另一种是在芯片顶部添加蚀刻水路的硅材料结构。由于需要使用导热材质来接合这两层结构,而根据导热材质的不同,就衍伸出OX TIM(硅氧体导热材质)与LMT(液态金属导热材质)两种方案。

根据台积电的研究,DWC的散热效果最好,能带走2.6 kW的热量,产生摄氏63度的温差;OX TIM效果其次,带走2.3 kW的热量,温差为摄氏83度;LMT效果最差,仅带走1.8 kW的热量,温差为摄氏75度。

趋势:软件以性能为重,加剧芯片的能量消耗

以原理来说,台积电的水冷芯片与传统方法相同,都是借由导热来散热。但是通过将水冷系统集成至芯片的方式,可以让散热介质更接近热源,提升散热的性能。

之所以需要提升芯片散热能力,除了晶体管密度提升等硬件升级外,软件设计思维转变也是重要因素。在2000年代以前,软件大多会选择牺牲运行速度,来降低对硬件的资源消耗。但从Windows Vista后,软件开始强调运行速度,并将硬件性能运用到极限。例如Google Chrome,它经常占据大量的CPU与内存资源;或者是Microsoft Office,它会使用GPU来加速运行,以确保操作的流畅度。

因此,在芯片算力与软件运行性能的提升下,芯片的功耗越来越高,自然需要更优秀的散热方案。通过将水冷系统集成至芯片的方式,台积电期望提升芯片的散热能力,以确保运行顺畅,满足用户的需求,实现更高性能的运算。

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