水冷都不够用？为什么现在的芯片越来越热了

　　什么是片上水冷？它将散热结构做进芯片里

　　众所周知，如今的半导体芯片在工作时基本上都会带来不小的发热，因此这就需要使用散热器来对其进行散热。那么问题就来了，散热器是如何散掉芯片所带来的热量的呢？

　　可能有人会说，这还不简单。在芯片上涂一层导热硅脂、然后把散热器装上去，导热硅脂将CPU表面的热量传递到散热器底部，然后再被热管或水冷管把热量传递到鳍片，最后风扇吹走鳍片或冷排上的热量，这不就是散热的过程吗？

　　一块高端台式机CPU，金属顶盖下方还有一层导热材料，然后才是真正的核心硅片

　　的确如此，但这里面其实存在一个误区，那就是我们通常所认为的芯片“顶部”，其实大多数情况下都只是一个起到保护作用的金属盖。在它下面还有一层导热材料，然后再下面才是真正的半导体硅晶片。换而言之，热量实际上要经过硅晶片-内部导热材料-CPU金属盖-外部导热材料（导热硅脂）的好几重传导，才能传递到散热器上。

　　不仅如此，即便是对于像显卡、笔记本电脑CPU这类不带金属保护盖的芯片来说，其发热部位实际上也不能直接接触到散热器。因为硅晶片顶部的一层光滑的硅材料本质上其实也是个“盖子”，它保护着下方的电路结构，但同时也阻隔了热量的传递。

　　明白了这一点，就不难理解台积电“片上水冷”设计的原理了。简单来说，台积电实验了三种不同的“片上水冷”设计。第一种是直接在芯片表面的硅覆盖层上蚀刻了许多凹槽，让导热液体从这些凹槽中流过，从而带走热量。台积电将这种设计称为“DWC”，应该就是Direct Water Contact（直接水流接触）的缩写。

　　而剩下的“片上水冷”设计，则相对保守一些。它们是在芯片制造的过程中，在光滑的、带有覆盖层的硅晶片表面，再加一层有水路蚀刻的硅材料，从而相当于让芯片出厂时顶部就自带了一个散热水路。与第一种设计相比，这种设计因为需要在硅芯片表面再加一层硅结构，所以需要用导热材质粘接两层硅片，并且根据导热材料的不同，也演化出了OX TIM（硅氧体导热材质）和LMT（液态金属导热材质）两种不同的方案。

　　很显然，与传统的、需要用户（或设备生产厂商）在芯片表面涂抹硅脂，再安装上散热器的设计相比，台积电的“片上水冷”方案原理其实是没有任何区别的。它本质上其实就是将芯片表层做得更薄、让芯片发热部位与散热结构之间的距离更近、同时通过直接在芯片生产步骤中加入更高级、也更薄的导热材质，让热量能够更好地从芯片内部传达到表面、传达到散热结构上而已。

　　当然，它同时也表明，台积电方面或已非常清楚，未来的半导体芯片必然会在发热上更加严重，需要使用更加靠近“热源”的新散热设计。那么问题就来了，为什么未来的芯片发热会越来越严重呢？

　　首先，芯片设计和半导体制程确实走入了瓶颈

　　尽管半导体厂商总是说，摩尔定律从未失效。但无论是从产品设计思路、功耗数据，还是从真实的能效比测试结果来看，如今的整个消费电子芯片产业，实际上都已经走入了一个“性能大幅提高、但功耗也快速上涨”的怪圈。

　　就拿大家熟悉的PC端CPU来说，前几年无论Intel还是AMD的旗舰产品，大多都还维持在95W的功耗水平上。然后从9代酷睿开始，Intel率先将CPU的典型功耗放宽到了125W，然后就有了后续10代、11代酷睿睿频时超过200W的功耗表现。更不要说在高端工作站领域，2014年的Xeon 2699V3功耗还仅145W，到了2017年就出现了默认功耗300W的E5-2699P V4，而如今最高端的Xeon 9282 56核处理器，设计功耗甚至已经来到了400W之巨。

　　当然，AMD方面其实也并没有好太多。初代的锐龙7 1700X同样只有95W，到了Zen2的3800X上，典型功耗就上涨至105W，解锁PBO后我们甚至测得过300W+的瞬时功耗。而在定位更高的锐龙线程撕裂者平台上，初代的1950X“只有”180W，到了2990WX就上涨到250W，而目前最新的Ryzen Threadripper PRO 3995WX，则更是已经成为了常规散热器难以降服的280W“怪物”。

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