1 kW/cm² 之后，AI 芯片散热往哪走

编译自 MDPI Energies 2026, 19(14), 3304《Advanced Chip-Level Thermal Management Technologies for High-Power Integrated Processors: A Review》

AI 加速器的功耗增长已经跳出了过去几十年的经验曲线。Dennard 缩放（Dennard scaling，即功耗随尺寸等比下降的规律）在 22 nm 节点失效之后，芯片功耗不再随特征尺寸缩小而同步下降。

单颗训练芯片的热设计功耗（TDP）演进是这样的：A100 约 400 W，H100 700 W，AMD MI300X 约 750 W。到了 NVIDIA Blackwell 架构，单颗 GPU 超过 1000 W，如果算上 HBM 模块，热载荷接近 1200 W。

热流密度这个指标更直观。主流训练芯片的局部高密度计算区超过 300 W/cm²，而基于 chiplet 的 AI 加速器，局部峰值热流密度已经超过 1 kW/cm²。作为对比，硅衬底的导热率约 150 W/(m·K)，在 10⁷ W/m² 这个量级的热流下，温度梯度会非常陡。

风冷为什么走到头了

换热能力上，强制风冷的对流换热系数 h 大约在 50 至 250 W/(m²·K)，液冷在 10³ 至 10⁴ 量级，两者相差一到两个数量级。落到系统层面，差距被进一步放大：

· 风冷的单机架散热上限约 15 至 20 kW，而高功率 AI 机架已经超过 50 kW，单芯片功耗在 700 至 1500 W

· 风冷下芯片热点温差大于 25 K，液冷可以控制在 5 K 以内

· 风扇功耗随风速的三次方增长

· 冷却能耗占服务器总功耗的比例，风冷约 43%，液冷约 9%

· PUE 方面，风冷集群普遍高于 1.5，浸没液冷可以低于 1.1

从热阻模型看，整条路径是串联的：R_total = R_jc（结到壳）+ R_TIM（界面材料）+ R_ca（壳到环境）。液冷主要压缩的是最后一段。风冷的实用极限热流大约在 100 W/cm²，这个门槛早就被越过了。

图 1 风冷与液冷在四个关键指标上的对比　数据来源：MDPI Energies 2026, 19(14), 3304

四条技术路线

微通道液冷。单相对流的 h 在 10³ 至 10⁴，两相可到 10⁴ 至 10⁵。努塞尔数可用 Dittus-Boelter 关联式计算（Nu = 0.023 · Re^0.8 · Pr^0.4），层流下压降与水力直径的平方成反比。具体分支包括直通道、肋化、歧管式、嵌入式以及两相微通道。论文提到的一种钻石复合多孔微槽结构，可以处理中心 1.3 kW/cm²、背景 1 kW/cm² 的热点。

射流冲击。技术路径从单喷嘴发展到硅基微喷阵列，再到 3D 打印整体式结构。一个具体案例是：64 mm² 芯片、额定 50 W 的 3D 打印集成模块，散热能力达到 78 W/cm²。分区进出口的分布式射流可以从机理上抑制横流干扰，适合大尺寸、热分布不均匀的超高功率芯片。

冷板液冷。这是目前高功率 AI 芯片稳态散热的主流方案，难点在于流道结构设计。论文把四种流道讲得很透：

· 连续蛇形流道：完整的 S 形弯通道贯穿整个换热面，弯头持续扰动近壁面的流体边界层，缓解轴向温升。但连续弯头会产生持续的涡流损耗，沿程压力损失大，循环泵功耗高。工艺最简单，成本最低，适合中小功率通用服务器。

· 内倾肋强化流道：内部布置倾斜肋阵列，破坏连续边界层、扩大有效换热面积，低流速下也能提升换热系数。但肋的角度和布局固定，缺乏自适应调节能力，与大尺寸芯片配合时远端供液不足，容易在角落形成持续热点。适合标准的中等功率加速卡。

· 格栅分流流道：一进多出，平行分支均匀覆盖整个换热面，温度均匀性表现突出，缓解释远端供液不足和局部过热，与 chiplet 多 die 异构封装的热分布特性天然契合。难点在制造：细密网格用传统铣削钻孔很难加工，周期长、良率低、成本高。

· 拓扑优化纯铜增材流道：通道密度按热负荷自适应布置，高热流区加密，低热流区简化。对比传统针翅冷板，整体热阻降低 30%，流动压降降低 68%，综合热液压性能在四种方案里最好。代价是高精度拓扑仿真叠加特种金属增材制造，技术壁垒高、单价极高，目前只用于高端定制超算设备。

图 2 四种冷板流道结构的多维度定性对比（依据原文描述整理）

浸没式液冷。演进路径是从单相矿物油（效率低）到两相氟化液（HFE-7100、Novec 7100），再到机柜布局优化后 PUE 低至 1.037。论文还提到把 FC-40 与 T 型结构、热管基板结合的方案，单芯片被动散热能力做到 1200 W。在结构上，加装挡板可以使多芯片的温度均匀系数改善 63.08%。

容易被忽略的界面材料

传统聚合物热界面材料（TIM）在热流超过 300 W/cm² 时失效。界面温升由 ΔT_int = R_int · q 决定，其中界面热阻是关键项，而且它串联在整条散热路径里，前面几个环节做得再好，界面没处理好也会被拖累。

改进方向有三条：液态金属胶体化以解决泄漏；梯度改性钻石复合；以及金属柱加聚合物的混合架构，在高导热和工艺兼容性之间取得平衡。

· 超过 1 kW/cm² 的超高热流能否长期稳定维持

· 封装工艺兼容性，例如嵌入式微通道与 CMOS 工艺不兼容

· 流体泄漏风险，涉及液态金属和微通道冷却液

· 多层界面热阻串联，包括 Kapitza 界面阻力

架构与冷却协同设计。把 chiplet 的水平热串扰、垂直堆叠的热阻网络放进系统级多物理场里一起优化，而不是先定架构再补散热。

近结与跨尺度集成。嵌入式、歧管微通道、射流与芯片流道集成，目标是消掉键合界面带来的附加热阻。热源和冷却结构越靠近，串联热阻环节越少。

被动与主动融合。浸没方案配合均温板可以做到单芯片 1200 W 的被动散热；固态热泵与动态栅极调温结合，后者在相关研究中已显示可以把热循环幅度降低超过 30%。

材料界面工程。思路正在从追求体材料的高导热率，转向通过梯度改性和混合架构把界面热导最大化，这比单纯堆导热系数更有效。