淺析GPU/CPU領(lǐng)域散熱工藝的發(fā)展與路徑

CPU/GPU 算力、功率的提升持續(xù)拉動(dòng)散熱相關(guān)需求，且有加速態(tài)勢(shì)。

根據(jù) PassMark 評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)，2001 年 2020 年，Intel/AMD 的 CPU 芯片單核/多核性能均持續(xù)提升。

同時(shí)根據(jù) Techspot 的相關(guān)研究，CPU 和 GPU 的算力（或處理能力）大部分由它們的晶體管密度決定，而每個(gè)晶體管都會(huì)在電流通過(guò)時(shí)產(chǎn)生熱量，因此晶體管密度的提升帶來(lái)了熱量的提升；

同時(shí)市場(chǎng)上大多數(shù)的 CPU都能以高于其基本頻率的速度運(yùn)行。

另一方面，由于 AI 算力需求的快速提升，相關(guān) CPU/GPU 的功率提升也呈現(xiàn)加速態(tài)勢(shì)。

以 GPU 為例，主要用于游戲等領(lǐng)域的攜帶圖像處理能力的 GPU，從 2004 年的 G70 至 2022 年的 AD102，18年期間功率提升近 5x 至約 450W；

對(duì)比看用于 AI 領(lǐng)域的 V100/A100/H100，2017-2023 年每間隔 3 年功率提升 1.6x/1.75x 至 700W

芯片級(jí)散熱材料與工藝的演變，風(fēng)冷走向液冷。

散熱器最先以風(fēng)冷方式出現(xiàn)，早期為一體成型的擠鋁下壓式散熱器，鋁材便宜易加工，但導(dǎo)熱效率(237W/(M·K))只有銅的二分之一(401W/(M·K))，因此出現(xiàn)了塞銅式散熱器。

就散熱器形態(tài)而言，早期為下壓式散熱器，更新的塔式散熱器能夠通過(guò)側(cè)吹的方式提高散熱效率

隨 CPU 功率提高，散熱器開(kāi)始與熱管、鰭片等器件搭配組成性能更高的散熱模組，并且出現(xiàn)散熱效率風(fēng)高的水冷散熱器。

芯片類散熱（包含 CPU/GPU）主要有風(fēng)冷和水冷兩種解決方案，相同規(guī)格功耗下，水冷散熱能力更強(qiáng)，但價(jià)格昂貴，高端市場(chǎng)使用多。

AI芯片、服務(wù)器、邊緣域和Chiplet共舞（2023）

隨 CPU 功率提高，散熱器開(kāi)始與熱管、鰭片等器件搭配組成性能更高的散熱模組，并且出現(xiàn)散熱效率風(fēng)高的水冷散熱器。

風(fēng)冷和水冷散熱方式對(duì)比

芯片類散熱（包含 CPU/GPU）主要有風(fēng)冷和水冷兩種解決方案，相同規(guī)格功耗下，水冷散熱能力更強(qiáng)，但價(jià)格昂貴，高端市場(chǎng)使用多。

水冷散熱器零部件及工作原理

水冷散熱模組主要包含冷排、水管、風(fēng)扇、冷頭等零部件，分為一體式水冷與分體式水冷，二者工作原理相同，但零部件組裝方式存在不同。以一體式水冷為例，冷頭內(nèi)部含有泵機(jī)，工作時(shí)冷頭一面直接接觸 CPU 表面，另一面采用CNC 工藝敲出的大量凹槽（微水道），冷水流經(jīng)微水道被 CPU 產(chǎn)生的熱量加熱，經(jīng)過(guò)泵機(jī)帶動(dòng)水流，流經(jīng)水管進(jìn)入冷排，冷排內(nèi)部有很多水路，水路之間鑲嵌有大量鰭片，熱量傳遞給鰭片后經(jīng)由冷排上方風(fēng)扇散熱，降溫后的冷水再次回流，經(jīng)水泵循環(huán)的冷液，帶走冷頭上從核心吸收的熱量。冷排的尺寸很大地影響散熱效率，目前市面常見(jiàn)尺寸有 120mm，240mm 和 360mm。

目前 CPU 冷頭和顯卡冷頭主要都適用銅底導(dǎo)熱，市面 CPU 水冷冷頭設(shè)計(jì)主要有兩種，一種是普通銅柱型，另一種是噴射式，噴射式冷頭在銅柱基礎(chǔ)上能夠?qū)⑺ㄟ^(guò)狹小的噴嘴快速噴射到不銅板底部，提升局部流速并且形成亂流，使水冷液的吸熱效率大為提高，噴射式冷頭水阻較大，對(duì)水泵揚(yáng)程要求更高。顯卡冷頭分為單核心、半覆蓋和全覆蓋式冷頭。

風(fēng)冷散熱模組零部件及工作原理

風(fēng)冷散熱模組的工作原理為，CPU/GPU 工作時(shí)產(chǎn)生的大量熱量傳遞給散熱器，導(dǎo)致散熱器升溫，在風(fēng)扇作用下散熱器與周圍空氣進(jìn)行熱傳遞，當(dāng)散熱器散發(fā)的熱量與 CPU 最大功耗時(shí)產(chǎn)生的熱量相等時(shí)，溫度達(dá)到平衡穩(wěn)定狀態(tài)。風(fēng)冷散熱模組主要包含三個(gè)組成部分：

1）熱管（Heat Pipes）或均熱板（Vapor Chamber）；2）散熱鰭片（Fins）；3）散熱風(fēng)扇或渦輪。

這三個(gè)部分之間常搭配導(dǎo)熱材料和焊接等工藝加速熱量傳導(dǎo)。熱管與鰭片的接觸方式主要有兩種，一種為“穿 Fin”，熱管直接插入鰭片；另一種為金屬焊接。熱管與CPU/GPU 核心的接觸方式主要有兩種，一種是直觸，直接把熱管加工到大概形狀后對(duì)底面進(jìn)行打磨并貼在核心上，這種加工方法成本低，但容易發(fā)生形變，主要用于中低端；中高端采用銅底更多，加工中把熱管穿插焊接在一個(gè)銅塊內(nèi)，或用帶凹槽的銅塊將熱管夾在中間，熱量先由銅底吸收再傳遞到熱管上，這種方式使用壽命長(zhǎng)、傳熱均勻，成本更高。

審核編輯：劉清