三政鴻、王志耀、彭奐森 / 工研院電光所
隨著AI技術普及與晶片算力暴增，晶片操作功耗迅速攀升，傳統氣冷散熱極限（約750 W）已無法滿足需求，驅動數據中心加速轉向液冷架構。冷板式與浸沒式液冷逐步成為市場主流，液冷市場亦呈現強勁成長趨勢。然而，面對未來邁向2,000 W至4,000 W以上的極致高功耗晶片，封裝上蓋（Lid）與介面熱阻（TIM）成為主要熱傳瓶頸。微流體冷卻（Microfluidic Cooling）技術透過「晶片直接整合（Direct-on-chip）」與「歧管式微通道（MMC）」設計，直接將微流道刻蝕於晶片背面，消除了TIM介面熱阻，並大幅降低壓降與總熱阻。該技術能在約3.0 L / min的低流量下提供高達6,100 W以上的理論解熱極限，兼具減薄、輕量化與高能源效率，成為突破下一代高算力晶片熱瓶頸的核心關鍵。
【內文精選】
隨著AI應用的日益普及，以及需求日益升高的趨勢下，晶片廠商在晶片端的快速積極布局，目的在提供大量的算力資源來滿足使用者的技術要求。因此，在晶片高功率的發展趨勢下，散熱技術不但日益顯得重要，技術需求門檻的挑戰也逐步增加。
晶片散熱技術演進
當前主要AI伺服器晶片的散熱技術分類架構（如圖八），主要依據「散熱接觸形態」與「冷卻介質是否發生相變」兩大維度，延伸出四大核心液冷技術。首先在流道式（水冷板）技術方面，伺服器晶片表面安裝金屬水冷板，透過管路輸送冷卻液帶走熱量；其中「單相流道」指冷卻液在循環傳熱過程中始終保持液態，而「雙相流道」則利用冷卻液吸收高熱後沸騰氣化的相變過程，借助蒸發潛熱實現更高的熱傳導效率。
圖八 目前主要AI伺服器晶片散熱技術
其次，在浸沒式技術方面，為將伺服器直接浸泡於不導電的絕緣冷卻液中；其中「單相浸沒」依靠液體自身的自然對流或強制循環將熱量帶走，而「雙相浸沒」則是讓低沸點冷卻液在接觸高熱元件後沸騰氣化，上升至水槽頂部經冷凝器重新凝結成液體滴落，形成極高散熱效率的封閉循環系統。隨著人工智能算力暴增，AI晶片功耗（TDP）急劇上升，傳統風冷已難以滿足解熱需求，這四大液冷架構正逐步成為推動高密度數據中心轉型關鍵。
「冷板式液冷（Cold Plate / Direct-to-Chip）」與「浸沒式散熱（Immersion Cooling）」兩大主流AI伺服器散熱技術的特點比較（如表一）。冷板式液冷具備散熱效率高、元件維護性較佳及能精準控制散熱區域等優點，目前以80%的市占率成為液冷市場主流，主要應用於高階AI伺服器；但其結構較為複雜且存在漏液風險，部分零件仍需搭配氣冷。相對地，浸沒式散熱則能實現全域散熱，具備最佳的能源效率（PUE），且不需要額外做環境溫度控制，適合超大型資料中心佈署；然而，其建置初始成本較高、維護上較不便，並受限於重量與空間要求。整體而言，兩者各具優劣，分別滿足了高算力密度與極致節能的不同應用場景需求。
圖十一 主流冷板式液冷散熱技術發展
接續介紹主流冷板式液冷技術在AI伺服器架構演進下的發展趨勢（如圖十一），呈現出朝向「高散熱、減薄、輕量化」演進的技術路徑。針對NVL 72 / 144架構，傳統的冷板散熱（CPC）採用5層結構，包含GPU、TIM 1、金屬蓋板、TIM 2及銅合金微流道，整體熱阻與厚度較大。隨後演進至微流道蓋板（MCL）技術，精簡為3層結構，省去了金屬蓋板與一層TIM界面，使厚度縮減為CPC的二分之一 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》478期，更多資料請見下方附檔。