最强芯片液冷技术突破：冷却性能达此前纪录 10 倍

电子发烧友网报道（文/吴子鹏）


人工智能


算力竞赛，正演变为一场激烈的“散热战争”。随着芯片制程工艺逼近物理极限，


晶体管


密度持续攀升，芯片功耗与热流密度的上涨速度远超摩尔定律预期，散热已从配套成本项，转变为制约


AI


算力上限、决定数据


中心


TCO（总拥有成本）的核心约束条件。




近日，韩国科学技术院（KAIST）研究团队公布一项超高效芯片内嵌液冷技术：将常温清水直接通入芯片内部微米级流道实现散热，其制冷性能系数达到此前全球世界纪录的10倍。该成果刊发于《能源转换与管理》期刊，为行业长期难以解决的AI芯片散热瓶颈提供全新技术路线。

散热已成AI产业发展的“阿喀琉斯之踵”

行业数据显示，AI芯片功耗正呈爆发式增长：2022年主流高端AI芯片功耗约700W；2024—2025年旗舰芯片功耗突破1000W；2026年集成式算力整机模组功耗可达2300W；行业机构预测，2027年顶级算力模组功耗或将攀升至3600W。更棘手的是，芯片单位面积发热量同步暴涨，整体热流密度从86W/cm²飙升至160W/cm²以上，芯片局部热点热流密度甚至突破500W/cm²。




风冷曾是传统数据中心的主流散热方案。传统


IDC


以


CPU


为算力核心，单机柜功率密度仅6~8kW，风冷系统可完全满足散热需求。但进入AI算力时代，传统散热方案已全面触碰物理天花板：当机柜功率密度超过30~40kW时，风冷散热效率断崖式下滑，面对100kW及以上高密度AI机柜已完全无法适用。




数据中心能耗结构同样凸显散热痛点：传统风冷机房中，制冷系统能耗占机房总耗电的30%~43%，能耗占比仅次于服务器IT设备。国际能源署统计数据显示，2024年全球数据中心耗电量占全社会总用电量的1.5%，其中40%的电力消耗用于设备冷却。国内维度，2023年全国数据中心总耗电量达2668亿千瓦时，行业测算2030年该数值或将突破4000亿千瓦时。




集邦咨询（TrendForce）最新调研指出，AI数据中心液冷渗透率将持续快速提升：2024年渗透率14%，2025年升至33%，2026年进一步达到40%。


英伟达


Rubin平台是旗下首款全液冷算力平台；前代Bl


ac


kwell平台仍保留15%~20%风冷辅助散热。与此同时，谷歌TPU v7p、Meta M


TI


A T、AWS TRN3、微软MAIA 200、


AMD


MI400X等新一代AI芯片平台，均将液冷散热列为核心部署方案。




当前商用AI数据中心中，冷板式液冷依靠冷板贴合芯片表面导热，是落地最成熟的散热方案；进阶路线为浸没式液冷，将整机服务器浸泡在绝缘冷却液中降温。但面向未来单平方厘米上千乃至两千瓦级超高热流密度场景，散热结构必须进一步贴近芯片裸片（Die），甚至嵌入封装衬底内部——这也是封装级、芯片级微流道冷却（microfluidic/MMC）长期被行业视作终极散热方案的核心原因。

KAIST超高效液冷技术：从外部散热升级为芯片内置“冷却血管”

KAIST团队这项技术之所以具备革命性价值，核心逻辑是彻底重构传统散热思路：不再依靠芯片外部吹风、贴合冷板等外置散热手段，而是在硅片内部打造一套完整、原生的微型冷却流体管路，如同给芯片植入内置散热血管。




该技术由KAIST


机械


工程系金成镇（Sung Jin Kim）教授、AI计算学院李益镇（Ikjin Lee）教授联合课题组研发，三大核心创新点如下：





歧管微通道（Manifold Microchannel, MMC）结构优化



传统微通道散热结构中，冷却液需贯穿芯片整块流道，长距离管路会产生极大流体阻力。研究团队将物流分流网络设计思路引入芯片热管理：采用多入口同步分流、多出口统一汇流的布局，大幅缩短冷却液单程流动距离，显著降低循环泵所需驱动压力。





多保真度协同优化


仿真


框架



团队并未单纯缩小流体通道尺寸，而是对通道宽、高、数量、排布方式、冷却液流速全参数系统性优化；创新采用“一维快速计算模型+


高精度


三维流体动力学仿真”的多保真度


耦合




算法


，在海量设计参数空间中锁定最优方案，解决传统MMC结构冷却液分布不均、局部流道过热的行业痛点。





极端热流工况实测验证



研究基于5mm×5mm硅基测试芯片开展实验，在超2000W/cm²的极限热流密度条件下，仅使用常温清水作为介质，即可将芯片核心温度稳定控制在100℃以内，系统流体压降仅8kPa。




实测数据显示，该散热系统制冷性能系数（COP）高达106000，是2020年《自然》期刊刊载的全球最优纪录（约10000）的十倍。COP代表单位泵送输入功率可带走的热量，106000的数值意味着：每输入1瓦泵机功耗，就能带走106千瓦芯片发热量。该整套系统仅采用普通常温清水作为冷却液，无需特种导热介质、低温制冷机组配套，硬件配套成本大幅降低。




在2000W/cm²超高发热工况下，芯片核心温度稳定低于100℃，散热冗余足以覆盖未来十年全品类AI芯片散热需求，包含行业预计2030年前后商用的3000W级超高功耗算力芯片。

产业赋能：数据中心、先进边缘计算全产业链变革

若KAIST此项技术实现规模化商业化落地，将对全球


半导体


、AI算力产业产生颠覆性深远影响，价值覆盖全产业链多个环节。




首先，其将重构数据中心能效体系。相关数据显示，2020年全球数据中心平均PUE（能源使用效率）约1.5，即每消耗1度电用于算力计算，配套散热需额外消耗0.5度电；近年全球机房PUE优化进度已陷入瓶颈。团队已完成该技术适配标准数据中心冷板的测试，冷板综合冷却效率提升超30%。当前英伟达GB200、GB300等算力整机单机柜功率密度已达130~250kW，下一代Rubin平台机柜功耗将继续走高；仅30%的冷板散热效率提升，单座大型数据中心每年即可节省数亿元冷却电费开支。




其次，这项技术有望充分释放高端算力芯片性能。当前算力集群普遍存在芯片高温降频问题，直接造成算力损耗。该微流道散热方案具备尺寸可扩展性，能够适配7.5cm×7.5cm大尺寸AI裸片（


GPU


、TPU等）；未来可在芯片设计初期就内嵌微型冷却管路，实现芯片


电路设计


与热管理协同设计（Co-design），从源头消除高温降频约束。




此外，这项技术也将支撑2.5D/3D先进封装技术迭代。随着芯粒（Chiplet）、三维堆叠封装大规模普及，多层芯片叠加造成内部热源堆积、热量传导受阻。


嵌入式


硅基微流道液冷可直接在硅中介层、芯片背面刻蚀流体冷却通道，为高集成度2.5D/3D先进封装提供配套热管理解决方案。

结语

KAIST本次突破性研究印证一条核心产业趋势：AI算力的竞争重心，正从单纯比拼晶体管集成密度，转向热管理系统效率的比拼。当芯片制程逐步逼近物理极限，功耗墙带来的约束比摩尔定律放缓更为紧迫；每一次散热技术的跨越式突破，都将解锁算力性能阶跃式提升的全新空间。