人工智能（AI）正以持續(xù)加快的速度進(jìn)化，但其澎湃算力的背后，是一場(chǎng)日益嚴(yán)峻的“高燒”危機(jī)。散熱，已成為制約AI性能持續(xù)突破的關(guān)鍵瓶頸。要理解這場(chǎng)“熱戰(zhàn)”，我們需從芯片發(fā)熱的第一性原理說(shuō)起。 

01芯片為何會(huì)發(fā)熱？

圖1.晶體管演進(jìn)：體硅平面晶體管；絕緣體上應(yīng)變硅/鍺技術(shù)；多柵/鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件

現(xiàn)代芯片的核心是數(shù)以百億計(jì)的CMOS晶體管，它們通過(guò)快速的“開(kāi)關(guān)”動(dòng)作來(lái)處理二進(jìn)制信號(hào)（0和1）。然而，物理規(guī)律決定了這一過(guò)程無(wú)法實(shí)現(xiàn)100%的能量轉(zhuǎn)換：

導(dǎo)通損耗： 電流流經(jīng)構(gòu)成晶體管的半導(dǎo)體和金屬材料時(shí)會(huì)遇到電阻，產(chǎn)生焦耳熱。 

漏電損耗： 晶體管在關(guān)閉狀態(tài)下，存在微量的漏電流，同樣導(dǎo)致能量損耗。 

開(kāi)關(guān)損耗： 在狀態(tài)切換的瞬間，會(huì)出現(xiàn)短暫的短路電流。

圖2.半導(dǎo)體硅中能量轉(zhuǎn)移過(guò)程的圖示與特征時(shí)間尺度

伴隨著芯片正常運(yùn)行，這些能量最終幾乎全部以熱量的形式釋放，成為芯片發(fā)熱的根本原因。

02高溫的破壞力：從性能衰減到壽命折損 

圖3.底層封裝功率器件產(chǎn)熱與散熱示意圖

如果熱量無(wú)法被及時(shí)帶走，芯片溫度將急劇上升，引發(fā)惡性循環(huán)，對(duì)芯片造成即時(shí)和長(zhǎng)遠(yuǎn)的雙重傷害： 

→ 即時(shí)影響：性能暴跌與可靠性下降 

性能降級(jí)： 高溫會(huì)使晶體管開(kāi)關(guān)速度變慢，并導(dǎo)致漏電流呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。這不僅增加了額外功耗，還會(huì)使信號(hào)模糊，降低計(jì)算可靠性。 

惡性循環(huán)：高溫→漏電增加→功耗與熱量再升高→溫度進(jìn)一步攀升。此過(guò)程一旦開(kāi)始便難以自止。 

為防止芯片因過(guò)熱而永久損壞，系統(tǒng)會(huì)主動(dòng)觸發(fā)降頻、降功耗的“過(guò)熱保護(hù)”，這正是手機(jī)或電腦發(fā)燙時(shí)運(yùn)行卡頓的直接原因。

→ 長(zhǎng)期影響：物理?yè)p傷與壽命銳減 

高溫會(huì)加速電子遷移，侵蝕芯片內(nèi)部微細(xì)的金屬結(jié)構(gòu)，可能導(dǎo)致電阻激增甚至斷路。 

高溫還會(huì)引發(fā)熱載流子注入、柵極氧化層降解等結(jié)構(gòu)性損傷，直接破壞晶體管的核心功能。 

這些物理?yè)p傷是累積且不可逆的，將顯著縮短芯片壽命。對(duì)于需要長(zhǎng)期高負(fù)載運(yùn)行的AI芯片而言，熱管理直接關(guān)系到其使用壽命和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。 

數(shù)據(jù)來(lái)源：[6-8]

因此，均衡性能和損耗，將AI芯片的工作溫度穩(wěn)定在合理區(qū)間（如60℃-85℃），是保障其算力與壽命的關(guān)鍵。 

03為何散熱挑戰(zhàn)日益嚴(yán)峻？ 

圖4.三維集成電路中的典型熱點(diǎn)分布示意圖

過(guò)去，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)時(shí)間遵循“登納德縮放定律”，晶體管尺寸縮小后，其功耗也會(huì)同步降低，使得摩爾定律下芯片的功耗密度（單位面積發(fā)熱量）也整體可控，風(fēng)冷、熱管等技術(shù)足以應(yīng)對(duì)。然而，當(dāng)晶體管尺寸逼近物理極限（如2nm及以下），量子隧穿等效應(yīng)使得“縮放紅利”消失，摩爾和登納德定律同時(shí)失效。為了持續(xù)提升性能，行業(yè)轉(zhuǎn)向了3D堆疊（Chiplet）、多核架構(gòu)等創(chuàng)新技術(shù)，這反而使得熱量在更小的空間內(nèi)高度集中。尤其是在AI大模型的驅(qū)動(dòng)下，單芯片功耗已突破1400瓦，傳統(tǒng)散熱方案已力不從心，散熱由此成為性能提升的主要現(xiàn)實(shí)約束。（數(shù)據(jù)來(lái)源：[8]）

04破局之路：AI散熱的新技術(shù)與金剛石材料的潛力

圖5.微流體電子協(xié)同冷卻設(shè)計(jì)器件

面對(duì)挑戰(zhàn)，散熱技術(shù)本身也在經(jīng)歷革命： 

芯片級(jí)集成散熱： 將微流道等冷卻結(jié)構(gòu)直接集成到芯片內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)“內(nèi)生”散熱，效率遠(yuǎn)高于外部散熱。 

智能熱管理： 通過(guò)在芯片內(nèi)布設(shè)大量傳感器，并利用AI算法預(yù)測(cè)溫度變化，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)、精準(zhǔn)的散熱控制。 

多模態(tài)融合散熱： 結(jié)合液冷、相變材料等多種技術(shù)，形成協(xié)同散熱方案。 

而在眾多前沿材料中，金剛石展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。其熱導(dǎo)率高達(dá)2000-2200 W/(m·K)，是銅的5倍以上，且具備優(yōu)異的電絕緣性，是高功率芯片的理想散熱材料。目前，金剛石的應(yīng)用形式日趨多樣： 

散熱基板： 直接貼合芯片核心，快速導(dǎo)出高熱流密度熱量。 

熱界面材料（TIM）： 填充芯片與散熱器間的微觀空隙，顯著降低接觸熱阻。 

復(fù)合材料： 如銅-金剛石復(fù)合材料，兼具高導(dǎo)熱和易加工特性。 

復(fù)合散熱方案： 例如“金剛石熱沉 + 微流道”技術(shù)。 

隨著化學(xué)氣相沉積（CVD）等人造金剛石技術(shù)的成熟和成本降低，這一“散熱王者”有望在不久的將來(lái)，為AI算力的持續(xù)飛躍提供堅(jiān)實(shí)的“冷卻”基石。

沃爾德

Advanced Diamond Thermal Management Solutions

致力于AI、通信、高端電子器件的高效熱管理方案

單晶/多晶金剛石熱沉片

超高熱導(dǎo)率，支持超平整加工與精準(zhǔn)尺寸定制，適配晶圓級(jí)直接鍵合等高端應(yīng)用場(chǎng)景

金剛石導(dǎo)熱硅/碳化硅基復(fù)合晶圓

兼具Si/SiC的半導(dǎo)體兼容性與金剛石的超高熱導(dǎo)率，適配晶圓級(jí)批量加工需求

金剛石銅 / 鋁復(fù)合材料

高功率、輕量化需求場(chǎng)景提供高性?xún)r(jià)比適配的散熱解決方案

參考文獻(xiàn)和數(shù)據(jù)來(lái)源

[1]E. Pop, S. Sinha and K. E. Goodson, "Heat Generation and Transport in Nanometer-Scale Transistors," in Proceedings of the IEEE, vol. 94, no. 8, pp. 1587-1601, Aug. 2006, doi: 10.1109/JPROC.2006.879794.

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