文章核心观点 - 随着芯片制程演进至纳米片与CFET时代，晶体管密度和功率密度持续攀升，热管理问题已成为制约芯片性能释放和算力发展的核心瓶颈，行业竞争焦点从尺寸微缩转向“谁能更有效地搬运热量” [2] - 传统的远端散热方案已无法满足高功率密度芯片的需求，行业正积极探索从芯片级、封装级到系统级的多种先进散热技术路径，包括近芯片冷却、芯片内嵌冷却、高性能热管理材料及背面供电等架构革新 [12][13][29] - 解决未来芯片的热挑战无法依赖单一技术，需要跨材料、设计、封装、架构等多领域的系统级协同优化（如STCO/TDA），散热已从辅助工程演变为定义算力天花板的核心变量 [48][49][75] 宏观危机：热通量爆炸与“暗硅”困局 - 摩尔定律推动晶体管数量翻倍的同时，Dennard缩放定律在2000年代中期失效，导致功率密度随逻辑密度同步攀升，热量积聚成为严重问题 [10] - 当前处理器上的热点功率密度已达1 kW/cm²，超过火箭喷嘴内部的温度，发热限制导致芯片中无法同时运行的“暗硅”比例已从10%升至20%甚至更高 [10] - 高温会减缓电信号传播、导致芯片性能永久退化并加剧晶体管漏电流，最终削弱整体能效，为完成相同计算任务需消耗更多电能 [6][7] 路径探索：芯片级散热技术途径 - 芯片级散热技术分为主动式（如强制对流、热电制冷）与被动式（如热管冷却），并根据热量传导路径分为远端冷却、近芯片冷却和芯片内嵌冷却三种架构，其中内嵌冷却通过微通道直接内部散热，是应对高功率密度的先进方案 [12][13] - 微型嵌入式液冷通过在芯片或基板刻蚀微流体通道实现，例如在硅层背面刻蚀200微米高通道可使FPGA温度降低60%以上，并可嵌入三维堆叠芯片之间 [15] - 高性能热管理材料不断涌现，如碳纳米管、银-金刚石复合材料、碳化硅等，其中金刚石薄膜导热系数高达1000–2200 W/m·K，远超硅的约150 W/m·K，但面临成本高和工艺复杂等挑战 [20][22][59] - 其他技术包括在微流控通道使用可蒸发制冷剂、动能冷却引擎（将风扇与散热鳍片合一使效率提高50%）、芯片内TSV散热以及推进混合式热界面材料（TIM）架构等 [17][19][22][24][25] 架构革命：纳米片与背面供电（BSPDN）的技术博弈 - 晶体管架构从FinFET转向GAA（纳米片）和CFET，例如三星已宣布量产全球首款2nm GAA工艺的手机芯片，而CFET量产时间点预计提前至2026年Q2-3 [30][32] - 架构演进带来新的热挑战，例如A5 CFET节点相比前代功率密度提高12%15%，在相同电压下结温将上升约9°C，在数据中心密集环境中可能引发热失控 [34] - 背面供电（BSPDN）通过将电源线移至芯片背面以降低电阻和实现低压运行，但需要将硅基底从750微米减薄至约1微米，这削弱了横向导热能力，仿真显示可能使80核心服务器SoC的热点温度升高高达14°C [35][38][40][41] - 行业正在为“CMOS 2.0”新范式做准备，通过引入先进晶体管架构、专用逻辑层以及系统与工艺协同优化（STCO）来整体优化性能、功耗和散热 [42][48] 未来散热终极方案：台积电与英伟达的战略路线 - 芯片功耗持续飙升，英伟达Blackwell B300的TDP已达1400W，未来Rubin架构功耗预计逼近2000W-5000W [51] - 在复杂封装（如CoWoS）和液冷方案中，热流通路需穿越多个功能层和界面，任何一层导热性能不匹配都可能导致局部热点和热阻叠加，限制芯片性能 [53][55][57] - 解决热管理的核心方向之一是缩短热路径并降低界面热阻，例如引入高导热材料如SiC衬底（导热系数370–490 W/m·K）、金刚石薄膜/CVD金刚石以及铜-金刚石复合材料 [57][59][66] - 另一方向是增加热交换的有效表面积，业界探索的方案包括微通道盖（MCL）、直接液体冷却（DLC）以及TIM材料的持续演进（从导热硅脂向纳米级直接键合发展） [68][70][72] - 台积电与英伟达的战略趋同于降低热阻和增加有效散热面积，台积电侧重发展TIM、硅集成微流控及SiC/金刚石衬底，而英伟达强调MLCP和系统级液体冷却，双方均将散热视为设计技术协同优化（DTCO/STCO）的核心组成部分 [73][74]