隨著晶體管數(shù)量的持續(xù)增長，我們越來越接近硅的物理和熱極限。隨著晶體管尺寸的縮小，漏電流不斷增大，每平方毫米產(chǎn)生的熱量也越來越難以消散。近年來，業(yè)界已轉(zhuǎn)向先進(jìn)的封裝技術(shù)(例如小芯片、3D堆疊和中介層)，以突破這些限制，而不是強(qiáng)行突破。如今，性能提升不再僅僅依賴于縮小晶體管尺寸，而更多地依賴于巧妙的架構(gòu)、互連和熱設(shè)計(jì)策略。

　　為了對這些涉及熱量和計(jì)算機(jī)在納米尺度上工作方式的物理問題給出適當(dāng)?shù)拇鸢福�本文將涉及熱量的基本科學(xué)、熱量在電子器件中產(chǎn)生的方式和原因，以及我們?yōu)榭刂茻崃慷�開發(fā)的各種方法。

　　熱的基礎(chǔ)知識

　　如果你還記得高中物理，熱量其實(shí)就是構(gòu)成我們世界的原子和分子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)一個(gè)分子的動(dòng)能高于另一個(gè)分子時(shí)，我們說它更熱。當(dāng)兩個(gè)物體接觸時(shí)，熱量會(huì)從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體，持續(xù)傳遞直到兩者達(dá)到平衡。這意味著較熱的物體會(huì)將部分熱量傳遞給較冷的物體，最終溫度會(huì)介于兩者之間。

　　傳熱所需的時(shí)間取決于相關(guān)材料的熱導(dǎo)率。熱導(dǎo)率衡量的是材料傳導(dǎo)熱量的能力。

　　像泡沫塑料這樣的絕緣體具有相對較低的熱導(dǎo)率，約為 0.03，而像銅這樣的導(dǎo)體具有較高的熱導(dǎo)率，約為 400。在兩個(gè)極端下，真正的真空具有 0 的熱導(dǎo)率，而鉆石具有已知的最高熱導(dǎo)率，超過 2,000。

　　要記住的一件重要事情是，熱量總是流向較冷的區(qū)域，但從技術(shù)上講，并不存在“冷”這種東西——只有當(dāng)某物的熱量低于周圍環(huán)境時(shí)，我們才會(huì)感覺到它的“冷”。

　　需要記住的一點(diǎn)是，熱量總是流向較冷的區(qū)域，但嚴(yán)格來說，并不存在所謂的“冷”——只有當(dāng)物體的熱量低于其周圍環(huán)境時(shí)，我們才會(huì)感覺到它的“冷”。我們需要的另一個(gè)關(guān)鍵定義是熱質(zhì)量，它代表了物體對溫度波動(dòng)的慣性。使用相同尺寸的暖氣爐，加熱一個(gè)房間比加熱整棟房子要容易得多。這是因?yàn)橐粋�(gè)房間的熱質(zhì)量比整棟房子的熱質(zhì)量小得多。

　　我們可以用燒水這個(gè)簡單的例子來概括所有這些概念。當(dāng)你打開爐子時(shí)，熱的火焰會(huì)與較冷的鍋接觸。由于鍋的材質(zhì)是良好的熱導(dǎo)體，火的熱量會(huì)傳遞到水中，直到水沸騰。

　　燒開水所需的時(shí)間取決于加熱方式、鍋的材質(zhì)和水量。如果你嘗試用小打火機(jī)燒開一壺水，比用爐子的大火燒開要花很長時(shí)間。這是因?yàn)闋t子的熱輸出(以瓦特為單位)比小打火機(jī)高得多。

　　其次，如果鍋的導(dǎo)熱系數(shù)更高，水沸騰的速度也會(huì)更快，因?yàn)楦�多的熱量�?huì)被傳遞到水中。如果你足夠有錢，一口鉆石鍋*是你的夢想!最后，我們都知道，小鍋比大鍋燒水更快。這是因?yàn)樾″佇枰�加熱的熱質(zhì)量更小。

　　烹飪完成后，你可以讓水自然冷卻。冷卻過程中，水中的熱量會(huì)釋放到較冷的房間。由于房間的熱質(zhì)量遠(yuǎn)高于鍋具，因此其溫度不會(huì)有太大變化。

　　芯片中的三大熱源

　　既然我們了解了熱量的工作原理以及它在物體之間的傳遞方式，那么我們首先來談?wù)勊�的來��。所有�?shù)字電子設(shè)備都由數(shù)百萬甚至數(shù)十億個(gè)晶體管組成。本質(zhì)上，晶體管是每秒數(shù)十億次開關(guān)的電控開關(guān)。通過將它們連接在一起，我們可以構(gòu)成計(jì)算機(jī)芯片的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

　　這些晶體管工作時(shí)，會(huì)從三個(gè)來源耗散功率：開關(guān)、短路和漏電。開關(guān)功率和短路功率都被視為動(dòng)態(tài)熱源，因?yàn)樗鼈儠?huì)受到晶體管導(dǎo)通和關(guān)斷的影響。另一方面，漏電功率被視為靜態(tài)，因?yàn)樗�保持恒定，不受晶體管工作狀態(tài)的影響。

　　兩個(gè)晶體管連接在一起形成一個(gè)非門。nMOS(底部)導(dǎo)通時(shí)允許電流通過，pMOS(頂部)關(guān)斷時(shí)允許電流通過

　　我們先從開關(guān)電源說起。要打開或關(guān)閉晶體管，我們必須將其柵極接地(邏輯 0)或 Vdd(邏輯 1)。但這并非像撥動(dòng)開關(guān)那么簡單，因?yàn)檫@個(gè)輸入門的電容非常小。我們可以把它想象成一個(gè)微型可充電電池。為了激活柵極，我們必須將電池充電至超過某個(gè)閾值。當(dāng)我們準(zhǔn)備再次關(guān)閉柵極時(shí)，我們需要將電荷釋放到地。雖然這些柵極非常微小，但在現(xiàn)代芯片中卻有數(shù)十億個(gè)這樣的柵極，它們每秒開關(guān)數(shù)十億次。

　　每次柵極電荷釋放到地時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生少量熱量。為了計(jì)算開關(guān)功率，我們將活動(dòng)因子(即在任何給定周期內(nèi)晶體管開關(guān)的平均比例)、頻率、柵極電容和電壓的平方相乘。

　　現(xiàn)在我們來看一下短路功率�，F(xiàn)代數(shù)字電子技術(shù)采用一種稱為互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 的技術(shù)。晶體管的排列方式使得電流永遠(yuǎn)不會(huì)直接流向地。在上面的非門示例中，有兩個(gè)互補(bǔ)晶體管。當(dāng)上面的晶體管導(dǎo)通時(shí)，下面的晶體管截止，反之亦然。這確保輸出為 0 或 1，并且與輸入相反。

　　然而，當(dāng)我們開關(guān)晶體管時(shí)，兩個(gè)晶體管同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)間非常短。當(dāng)一組晶體管關(guān)閉而另一組晶體管導(dǎo)通時(shí)，它們會(huì)在到達(dá)中間點(diǎn)時(shí)同時(shí)導(dǎo)通。這是不可避免的，并為電流直接流向地面提供了一條臨時(shí)路徑。我們可以嘗試通過加快晶體管在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)之間的切換來限制這種情況，但無法完全消除它。

　　隨著芯片工作頻率的提高，狀態(tài)變化和瞬時(shí)短路也會(huì)增多。這會(huì)增加芯片的發(fā)熱量。為了計(jì)算短路功率，我們將短路電流、工作電壓和開關(guān)頻率相乘。

　　這兩個(gè)都是動(dòng)態(tài)功耗的例子。如果我們想降低動(dòng)態(tài)功耗，最簡單的方法就是降低芯片頻率。但這通常不太實(shí)際，因?yàn)樗鼤?huì)降低芯片的性能。另一個(gè)選擇是降低芯片的工作電壓。以前的芯片工作電壓為 5V 及以上，而現(xiàn)代 CPU 的工作電壓約為 1V。

　　通過設(shè)計(jì)晶體管以較低的電壓工作，我們可以減少動(dòng)態(tài)功耗造成的熱量損失。動(dòng)態(tài)功耗也是超頻時(shí) CPU 和 GPU 發(fā)熱的原因。超頻不僅會(huì)增加工作頻率，通常還會(huì)提高電壓。工作頻率越高，每個(gè)周期產(chǎn)生的熱量就越多。

　　數(shù)字電子產(chǎn)品中產(chǎn)生的最后一種熱量是漏電功率。我們通常認(rèn)為晶體管要么完全導(dǎo)通，要么完全關(guān)閉，但實(shí)際情況并非如此。即使晶體管處于非導(dǎo)通狀態(tài)，也總會(huì)有微弱的電流流過。這是一個(gè)非常復(fù)雜的公式，而且隨著晶體管尺寸的不斷縮小，其影響只會(huì)越來越嚴(yán)重。

　　當(dāng)它們變得更小的時(shí)候，當(dāng)我們想要它們關(guān)閉時(shí)，阻擋電子流動(dòng)的材料就越來越少。這是限制新一代芯片性能的主要因素之一，因?yàn)槁╇姽β实谋壤�每一代都在不斷增加�?/p>

　　物理定律將我們逼入了絕境，而且這個(gè)困境正在加劇。正因如此，像 NPU 和 TPU 這樣的 AI 加速器(它們將海量計(jì)算封裝在極小的空間內(nèi))帶來了全新的重大散熱設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。這些芯片通常部署在氣流和功率預(yù)算有限的數(shù)據(jù)中心，這使得高效的散熱策略比以往任何時(shí)候都更加重要。

　　除了性能之外，可持續(xù)性也正成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。數(shù)據(jù)中心正越來越多地探索液浸式冷卻、熱回收和低全球變暖潛能值 (GWP) 制冷劑，以在滿足環(huán)保目標(biāo)的同時(shí)控制高耗能硬件。綠色冷卻技術(shù)已不再僅僅是未來的目標(biāo)——它正在現(xiàn)代基礎(chǔ)設(shè)施中積極部署。

　　熱電冷卻，又稱珀耳帖 (Peltier) 設(shè)備，目前仍屬于小眾市場，但近年來重新引起了人們的興趣。一些制造商嘗試了 AIO + TEC 的混合解決方案，以提升冷卻性能，超越傳統(tǒng)的空氣或水冷。雖然這些裝置仍然效率低下且耗電，但熱電材料的改進(jìn)最終可能會(huì)使其在特定應(yīng)用中更加實(shí)用。

　　同樣，蒸汽壓縮式制冷機(jī)和相變系統(tǒng)仍然主要用于數(shù)據(jù)中心和極端超頻環(huán)境。但目前，人們正在研究使用先進(jìn)制冷劑和新型壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的緊湊、高效的冷卻解決方案，這些解決方案有朝一日可能會(huì)將亞環(huán)境冷卻技術(shù)引入更主流的設(shè)備。

　　如何保持芯片冷卻

　　我們知道了電子產(chǎn)品的熱量從何而來——但我們該如何處理它呢?我們需要消除熱量，因?yàn)槿绻麥囟冗^高，晶體管就會(huì)開始發(fā)生故障并損壞。

　　熱節(jié)流是芯片內(nèi)置的冷卻機(jī)制，用于在散熱不足時(shí)進(jìn)行自我冷卻。如果內(nèi)部溫度傳感器檢測到溫度過高，芯片會(huì)自動(dòng)降低工作頻率以減少產(chǎn)生的熱量。然而，這種情況并非我們所希望的，而且還有更好的方法來處理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中多余的熱量。

　　有些芯片實(shí)際上并不需要復(fù)雜的散熱方案�？纯茨愕闹靼澹�你��(huì)看到幾十個(gè)沒有散熱器的小芯片。它們是如何避免過熱損壞的呢?原因很可能是它們本身就不怎么發(fā)熱。大型、強(qiáng)大的 CPU 和 GPU 可以耗散數(shù)百瓦的功率，而小型網(wǎng)絡(luò)或音頻芯片的功耗可能只有幾分之一瓦。

　　在這種情況下，主板本身或芯片的外殼可以充當(dāng)足夠的散熱器，保持芯片冷卻。不過，一般來說，一旦功耗超過 1 瓦，就需要開始考慮適當(dāng)?shù)臒峁芾砹恕?/p>

　　一塊老款主板上有很多小型芯片，沒有散熱片——它們不需要主動(dòng)散熱，因?yàn)樗鼈儺a(chǎn)生的熱量很少。北橋和南橋芯片采用被動(dòng)散熱，它們被鋁制散熱片覆蓋

　　這里的關(guān)鍵在于盡可能降低材料之間的熱阻。我們希望創(chuàng)建一條最短、最高效的路徑，讓熱量從芯片傳導(dǎo)到周圍空氣。正因如此，CPU 和 GPU 芯片頂部都配備了集成式散熱器 (IHS)。芯片內(nèi)部的實(shí)際硅片尺寸遠(yuǎn)小于封裝尺寸，但通過將熱量分散到更大的區(qū)域，我們可以更有效地冷卻芯片。在芯片和散熱器之間使用優(yōu)質(zhì)的導(dǎo)熱硅脂也至關(guān)重要。如果沒有這條高導(dǎo)熱性的路徑，熱量從 IHS 傳導(dǎo)到散熱器就會(huì)更加困難。

　　冷卻主要有兩種形式：被動(dòng)冷卻和主動(dòng)冷卻。被動(dòng)冷卻使用一個(gè)簡單的散熱器連接到芯片上，依靠周圍的氣流帶走熱量。這種材料導(dǎo)熱系數(shù)高，表面積大，能夠有效地將芯片的熱量傳遞到周圍的空氣中。

　　電壓調(diào)節(jié)器和內(nèi)存芯片通常不需要被動(dòng)冷卻，因?yàn)樗鼈儺a(chǎn)生的熱量較少。通常只有高端 DDR5 模塊和服務(wù)器內(nèi)存才需要主動(dòng)冷卻。

　　同樣，大多數(shù)手機(jī)處理器都是被動(dòng)冷卻的，盡管某些小眾或游戲智能手機(jī)有時(shí)會(huì)使用蒸汽室或微型有源風(fēng)扇來管理更高的熱負(fù)荷。

　　芯片性能越高，產(chǎn)生的功率就越大，所需的散熱片尺寸也就越大。這就是為什么手機(jī)處理器的性能不如桌面級處理器：根本無法提供足夠的散熱能力來維持性能。

　　一旦功耗達(dá)到幾十瓦，您很可能會(huì)開始考慮主動(dòng)冷卻。這需要使用風(fēng)扇或其他方法強(qiáng)制空氣流過散熱器，使其能夠承受高達(dá)幾百瓦的功率。然而，為了充分利用如此強(qiáng)大的冷卻能力，我們需要確保芯片產(chǎn)生的熱量能夠有效地?cái)U(kuò)散到散熱器的整個(gè)表面。如果沒有有效的散熱方式，那么即使擁有巨大的散熱器也毫無意義。

　　這時(shí)，液冷和熱管就派上用場了。兩者都執(zhí)行相同的基本任務(wù)：將盡可能多的熱量從芯片傳遞到散熱器或散熱器。在液冷裝置中，熱量通過高導(dǎo)熱性導(dǎo)熱膏從芯片傳遞到水冷頭。水冷頭通常由銅或其他高導(dǎo)熱材料制成，它會(huì)加熱液冷。液體會(huì)儲存熱量并將其輸送到散熱器，然后散發(fā)到空氣中。對于筆記本電腦等無法安裝完整液冷裝置的小型系統(tǒng)，熱管非常常見。與基本的銅管相比，熱管裝置將芯片熱量傳導(dǎo)出去的效率可提高 10 到 100 倍。

　　Xbox 360 中使用了集成熱管的散熱器。熱管利用相變冷卻技術(shù)顯著改善熱傳遞，比單獨(dú)使用固體金屬更有效地將熱量從 CPU 或 GPU 等熱組件中帶走

　　熱管與液冷非常相似，但采用相變來增強(qiáng)熱傳遞。在熱管內(nèi)部，液體受熱后蒸發(fā)成蒸汽。蒸汽沿著熱管流動(dòng)，直到到達(dá)較冷的一端，在那里冷凝回液體。然后，液體通過重力或毛細(xì)作用返回到較熱的一端。

　　這種蒸發(fā)冷卻的原理與您在淋浴或游泳池出來時(shí)感覺寒冷的原理相同：液體在蒸發(fā)時(shí)吸收熱量，在冷凝時(shí)釋放熱量。

　　既然我們可以將芯片中的熱量傳遞到熱管或液體中，那么如何有效地將這些熱量釋放到空氣中呢?這時(shí)，散熱片和散熱器就派上用場了。一根簡單的水管或一根熱管會(huì)將一些熱量傳遞到周圍的空氣中，但熱量不會(huì)太多。為了真正降低溫度，我們需要增加暴露在溫度梯度下的表面積。

　　散熱器或散熱器中的薄翅片將熱量分散到較大的表面積上，使風(fēng)扇能夠有效地將熱量帶走。翅片越薄，在給定空間內(nèi)可容納的表面積就越大。但是，如果翅片太薄，它們就無法與熱管充分接觸，從而無法有效地將熱量傳遞到翅片中。

　　這是一個(gè)微妙的平衡——這就是為什么在某些情況下，較大的散熱器性能可能不如較小、更優(yōu)化的散熱器。Gamers Nexus制作了一張很棒的圖表(如下)，展示了典型散熱器的工作原理：

　　先進(jìn)且獨(dú)特的冷卻技術(shù)

　　到目前為止，我們討論的所有冷卻方法都是通過將熱量從熱芯片傳遞到周圍空氣來實(shí)現(xiàn)的。這意味著芯片的溫度永遠(yuǎn)不會(huì)低于其所在房間的環(huán)境溫度。如果我們想要將溫度降至環(huán)境溫度以下，或者需要冷卻像整個(gè)數(shù)據(jù)中心這樣龐大的物體，就需要運(yùn)用一些額外的科學(xué)技術(shù)。這時(shí)，冷卻器和熱電冷卻器就派上用場了。

　　熱電冷卻，也稱為珀?duì)柼�裝置，目前并不十分流行，但未來潛力巨大。這些裝置通過消耗電力將熱量從冷卻板的一側(cè)傳遞到另一側(cè)。它們使用特殊的熱電材料，可以通過電勢產(chǎn)生溫差。

　　當(dāng)直流電流流過該設(shè)備時(shí)，熱量從一側(cè)吸收并轉(zhuǎn)移到另一側(cè)，使“冷”側(cè)溫度降至環(huán)境溫度以下。目前，這類設(shè)備仍屬于小眾市場，因?yàn)樗鼈冃枰�大量能量才能�?shí)現(xiàn)顯著的冷卻效果。不過，研究人員正在努力開發(fā)更高效的版本，以實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。

　　正如狀態(tài)轉(zhuǎn)換可以傳遞熱量一樣，改變流體的壓力也可以用來傳遞熱量。這正是冰箱、空調(diào)以及大多數(shù)其他大型制冷系統(tǒng)背后的原理。

　　在這些系統(tǒng)中，一種特殊的制冷劑流經(jīng)一個(gè)閉合回路，最初是蒸汽，經(jīng)過壓縮、冷凝成液體、膨脹，然后蒸發(fā)回蒸汽。這個(gè)循環(huán)不斷重復(fù)，并在過程中傳遞熱量。壓縮機(jī)確實(shí)需要能量輸入，但這樣的系統(tǒng)可以冷卻到遠(yuǎn)低于環(huán)境溫度。這就是數(shù)據(jù)中心和建筑物即使在夏季最炎熱的日子也能保持涼爽的原因。

　　對于電子產(chǎn)品來說，這樣的系統(tǒng)通常是二階冷卻系統(tǒng)：首先，芯片產(chǎn)生的熱量被排放到房間中，然后房間中的熱量通過蒸汽壓縮系統(tǒng)排放到外面。

　　然而，極限超頻玩家和性能愛好者可以將專用冷卻器直接連接到 CPU，以獲得額外的冷卻性能。也可以使用液氮或干冰等消耗品，臨時(shí)實(shí)現(xiàn)*冷卻。

　　MIT的解決方案

　　近日，MIT也提出了一個(gè)芯片冷卻方案。

　　麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一款專用芯片，用于測試和驗(yàn)證封裝芯片堆棧的冷卻解決方案。該芯片能夠消耗極高的功率，模擬高性能邏輯芯片，通過硅層和局部熱點(diǎn)產(chǎn)生熱量。然后，當(dāng)冷卻技術(shù)應(yīng)用于封裝芯片堆棧時(shí)，該芯片會(huì)測量溫度變化。當(dāng)芯片被嵌入芯片堆棧中時(shí)，研究人員可以研究熱量如何在堆棧層中移動(dòng)，并對保持芯片冷卻的進(jìn)展進(jìn)行基準(zhǔn)測試。

　　“如果你只有一塊芯片，你可以從上方或下方進(jìn)行冷卻。但如果你開始將多個(gè)芯片堆疊在一起，熱量就無處散發(fā)了。目前還沒有冷卻方法可以讓業(yè)界堆疊多個(gè)如此高性能的芯片，”Chenson Chen 說道，他與 Ryan Keech 共同領(lǐng)導(dǎo)了該芯片的開發(fā)，兩人都來自該實(shí)驗(yàn)室的 先進(jìn)材料和微系統(tǒng)組。

　　該基準(zhǔn)芯片目前正由波音公司和通用汽車共同擁有的研發(fā)公司HRL實(shí)驗(yàn)室使用，用于開發(fā)用于3D異質(zhì)集成(3DHI)系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)。異質(zhì)集成是指將硅芯片與非硅芯片(例如射頻(RF)系統(tǒng)中使用的III-V族半導(dǎo)體)堆疊在一起。

　　“射頻元件可能會(huì)變得非常熱，并且以非常高的功率運(yùn)行——這給 3D 集成增加了額外的復(fù)雜性，這就是為什么如此需要這種測試能力，”Keech 說。

　　美國國防高級研究計(jì)劃局 (DARPA) 資助了該實(shí)驗(yàn)室開發(fā)基準(zhǔn)測試芯片，以支持 HRL 項(xiàng)目。所有這些研究都源自 DARPA 的“用于 3D 異構(gòu)集成的微型集成熱管理系統(tǒng) ( Minitherms3D )”項(xiàng)目。

　　對于國防部而言，3DHI 為關(guān)鍵系統(tǒng)開辟了新的機(jī)遇。例如，3DHI 可以擴(kuò)大雷達(dá)和通信系統(tǒng)的探測范圍，使先進(jìn)傳感器能夠集成到無人駕駛飛機(jī)等小型平臺上，或者允許人工智能數(shù)據(jù)直接在現(xiàn)場系統(tǒng)(而非遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心)中進(jìn)行處理。

　　該測試芯片是由該實(shí)驗(yàn)室的電路設(shè)計(jì)師、電氣測試專家和微電子實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)人員合作開發(fā)的。

　　該芯片具有兩個(gè)功能：產(chǎn)生熱量和感測溫度。為了產(chǎn)生熱量，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了能夠在極高功率密度下運(yùn)行的電路，功率密度達(dá)到千瓦/平方厘米，與當(dāng)前及未來高性能芯片的預(yù)計(jì)功率需求相當(dāng)。他們還復(fù)制了這些芯片中的電路布局，使測試芯片可以作為逼真的替代品。

　　“我們調(diào)整了現(xiàn)有的硅技術(shù)，主要用來設(shè)計(jì)芯片級加熱器，”陳教授說道。他為該項(xiàng)目帶來了多年的復(fù)雜集成和芯片設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。21世紀(jì)初，他幫助實(shí)驗(yàn)室率先制造了雙層和三層集成電路，引領(lǐng)了3D集成的早期發(fā)展。

　　芯片的加熱器模擬了堆棧內(nèi)的背景熱量水平和局部熱點(diǎn)。熱點(diǎn)通常出現(xiàn)在芯片堆棧最隱蔽、最難以觸及的區(qū)域，這使得3D芯片開發(fā)人員難以評估冷卻方案(例如輸送冷液的微通道)是否能夠到達(dá)這些位置，并且是否足夠有效。

　　這就是溫度傳感元件的作用所在。芯片上分布著陳所比喻的“微型溫度計(jì)”，當(dāng)使用冷卻劑時(shí)，這些元件可以讀出芯片上多個(gè)位置的溫度。

　　這些溫度計(jì)實(shí)際上是二極管，或者說是開關(guān)，當(dāng)施加電壓時(shí)，電流會(huì)流過電路。隨著二極管升溫，電流電壓比會(huì)發(fā)生變化。“我們可以檢查二極管的性能，例如知道溫度是 200 攝氏度、100 攝氏度還是 50 攝氏度，”Keech 說。“我們創(chuàng)造性地思考了設(shè)備過熱失效的原因，然后利用這些特性設(shè)計(jì)出實(shí)用的測量工具。”

　　Chen 和 Keech，以及實(shí)驗(yàn)室其他設(shè)計(jì)、制造和電氣測試專家，目前正與 HRL 實(shí)驗(yàn)室的研究人員合作，將芯片與新型冷卻技術(shù)相結(jié)合，并將這些技術(shù)集成到 3DHI 堆棧中，以增強(qiáng)射頻信號功率。HRL 聯(lián)合首席研究員 Christopher Roper 在最近 宣布該項(xiàng)目的新聞稿 中表示：“我們需要冷卻相當(dāng)于 190 多個(gè)筆記本電腦 CPU(中央處理器)的熱量，但尺寸要與單個(gè) CPU 封裝相同。”

　　Keech 表示，快速交付芯片的時(shí)間表是通過芯片設(shè)計(jì)、制造、測試和 3D 異構(gòu)集成等各個(gè)階段的團(tuán)隊(duì)合作克服的挑戰(zhàn)。

　　他說：“堆疊架構(gòu)被認(rèn)為是微電子技術(shù)的下一個(gè)前沿。我們希望幫助美國政府找到有效整合這些架構(gòu)的方法，并讓這些芯片發(fā)揮出最高的性能。”

　　為什么冷卻比以往任何時(shí)候都重要

　　所有電子產(chǎn)品都需要散熱，但散熱方式多種多樣。散熱的目的是將熱量從發(fā)熱的芯片或系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到溫度較低的環(huán)境中。沒有辦法真正地散熱——我們能做的只是將熱量轉(zhuǎn)移到不會(huì)造成問題的地方。

　　所有數(shù)字電子設(shè)備都會(huì)因其內(nèi)部晶體管的運(yùn)行特性而產(chǎn)生熱量。如果這些熱量得不到妥善管理，半導(dǎo)體材料就會(huì)開始分解，損壞芯片并縮短其使用壽命。

　　熱量是所有電子設(shè)計(jì)師的敵人，也是制約性能提升的關(guān)鍵因素之一。我們不能簡單地把 CPU 和 GPU 做得更大，因?yàn)闆]有切實(shí)可行的方法來冷卻如此強(qiáng)大的設(shè)備。你根本無法足夠快地散熱。

　　隨著計(jì)算需求的持續(xù)增長，高效的熱量管理變得越來越重要——這不僅體現(xiàn)在單個(gè)芯片上，還體現(xiàn)在整個(gè)數(shù)據(jù)中心、AI計(jì)算集群，甚至未來的量子系統(tǒng)中。熱管理創(chuàng)新如今已成為擴(kuò)展技術(shù)本身的核心。