摘要:算力提升带来更高的芯片散热需求,在液冷技术成为主流散热技术的同时,高性能芯片的导热界面材料亦成为解决问题的关键。

种种迹象表明,ChatGPT推动AI等高算力场景,并催生散热技术需求爆发。

ChatGPT技术的推广进一步催生了AI算力等大功率应用场景的普及,通过连接大量的语料库来训练模型,做到人机交互等场景功能,背后需要大量的算力作为支撑,随着摩尔定律变缓,芯片算力与功耗同步大幅提升,风冷散热技术面临极大的挑战。

芯片散热需要做到“内外兼修”,在液冷技术逐渐受到重视的同时,芯片自身散热也成为关注的焦点。国内众多企业在高导热材料方面做出了诸多探索,西安天和防务技术股份有限公司(以下简称“天和防务”)的“秦膜”系列高性能介质胶膜产品,成为解决方案之一。

天和防务有“爆款”

算力的持续增加,使得芯片功耗和热流密度也在持续攀升,产品每演进一代功率密度攀升30~50%。当代X86平台CPU最大功耗300~400W,业界最高芯片热流密度已超过120W/cm2;芯片功率密度的持续提升直接制约着芯片散热和可靠性,传统风冷散热能力越来越难以为继。

据CDCC数据,液体的导热性能是空气的15-25倍,随着热密度的提升,液冷有望替代风冷实现更高效散热。市场人士表示,ChatGPT发展有望对算力带来爆发式的增长需求,算力提升带来更高的芯片散热需求,有望带来芯片级液冷需求爆发。

与此同时,中国电信等国内三大电信巨头集体入场,也使得液冷技术变得更受关注。近日三大运营商联合发布了《电信运营商液冷技术白皮书》,规划到2025年开展规模应用,50%以上数据中心项目应用液冷技术。

东方证券日前发表研报表示,对于数据中心领域,我国约有45%的能耗用于IT设备,43%用于散热冷却设备。目前,数据中心冷却仍以风冷为主,但随着数据中心数量增加、大型机架占比提升,以及人工智能应用爆发带来的高算力需求,数据中心高耗电的问题已不容忽视,液冷正逐步成为冷却可选方案之一。

此外,多家厂商也推出了液冷产品。2022年8月,在武汉高性能计算大会上,长江计算发布业界首款鲲鹏数据中心全液冷整机柜——长江计算 Acceler 5000 PoD。相较于传统方案,Acceler 5000 PoD 具有 2 倍能效比、支持全液冷技术和创新三总线等优势,解决传统数据中心建设部署周期长、散热难、能耗高等痛点。

算力提升带来更高的芯片散热需求,在液冷技术成为主流散热技术的同时,高性能芯片的导热界面材料亦成为解决问题的关键。天和防务在导热界面材料方面,推出了极具市场竞争力的产品。

温度可控制在40度左右

与此同时,国内企业在芯片自身散热性能的提升方面,也取得了重大突破。

芯片尺寸的不断减小也对热科学提出了巨大挑战。芯片的小型化和高度集成化,会导致局部热流密度大幅上升。可以说,散热问题已经成为阻碍芯片产业发展的关键难题,对于高功率芯片更是如此。

热导率是材料的一种性质,决定了材料的散热性能。由于半导体材料中普遍存在的三声子散射作用,材料热导率随着温度升高而下降,这意味着在大功率、高温升的工作条件会加速芯片的热失效。

为了解决上述难题,由天和防务子公司天和嘉膜生产和销售的“秦膜”系列高性能介质胶膜采用领先的无溶剂胶膜制备技术,其产品可用于生产高导热基板、导热型高速基板、玻璃基板和高频覆铜板等高性能覆铜板材料。

上述材料是近些年发展起来的新型电子行业所需要的基础材料,如导热基板材料用于电驱动市场、玻璃基板用于MINI-LED等新型显示行业、高频板用于无线通讯领域、高速材料应用于终端和计算领域等,具有广阔的市场空间。特别是对标IC载板关键的ABF材料,天和“秦膜”系列无溶剂介质胶膜正在提供极具竞争力的解决方案,并有望在IC封装胶膜领域展现出强大的竞争力。

主板温度过高会产生怎样的后果?最典型的例子,经常碰到电脑死机的情形,有一部分是因为电脑主板温度过高产生的。

一般情况下,电脑CPU在普通室温下,正常运行温度会在45度到65度之间。但是,如果电脑运行大型游戏,那么CPU温度可能会升到70度到85度。“秦膜”产品的更具优势。据测算,采用秦膜产品,能够把主板的温度控制在40度左右,让死机的成为历史。

天和防务研究团队核心成员表示,除了控温效果好之外,包括信号失真、信号失灵以及信号传输滞后等问题,也能得到很好的解决。

导热性能提高约三倍

目前,散热设备越来越贴近芯片等核心发热源是重要趋势,未来散热预计将从房间级、机柜级、服务器级向芯片级演进,通过散热部件与芯片表面直接接触实现更好的芯片散热。

用于高性能芯片的导热界面材料成为解决问题的关键。随着电子设备不断将更强大的功能集成到更小组件中,温度控制已经成为设计中至关重要的挑战之一,即在架构紧缩,操作空间越来越小的情况下,如何有效地带走更大单位功率所产生的更多热量。设计者们一直致力于提高各类服务器的CPU速度和处理能力,这就需要微处理器不断地改善散热性能。

同时,在其他应用领域,诸如视频游戏控制台、图像设备以及需要更高性能支持高清晰图像的数字应用中,也有对更强的计算性能的需求。于是,芯片制造商比以往任何时候更关注导热材料(Thermally-Conductive Interface Materials,TIM)和其他能够带走多余热量的技术,这些热量对组件稳定性和寿命均有反作用。众所周知,接合处的操作温度对电路(晶体管)耐用性有极大影响,温度小幅降低(10℃-15℃)便能够使设备寿命增加两倍。

而“秦膜”产品的技术路线正是贴近这种发展路径。“使用我们的产品,因为良好的导热性能,能够在芯片堆积上面实现突破,比如做到二十层、三十层,也能保证一致性。”一位研究团队核心成员如是说。

就HDI板(高密度互连板)方面,此前通过层级堆叠方式,芯片内部结构可以实现二十层,甚至是三十层,受制于散热问题,算力水平有限。而采用“秦膜”产品之后,高层板之前散热性能不佳的问题迎刃而解,导热性提高三倍,芯片性能因此有了大幅提升,可以帮助芯片实现高速运转,从而让算力大幅提升。

另据了解,公司天和嘉膜、光速芯材面向新的市场机遇,完成了类 ABF膜的中试和小批量试产,正在进行成套设备的设计和制造,并计划于2023年下半年实现量产;HDI增层材料以及高导热金属基板、玻璃基覆铜板及透明显示模组等产品已经完成开发,进入市场推广阶段。

天和防务在2022年度年报中提到,天和嘉膜、光速芯材的产品采用自主研发的高性能有机材料制备,在HDI、载板及高性能导热基板等市场领域无论从成本、产品性能、环境友好性等方面均具有一定竞争力。

如成本方面,目前陶瓷底板的每平方米的成本在三、四千元左右,而天和防务高导热金属基板的成本只需要五、六百元,且导热性能比陶瓷底板还要好。

可以预见,随着天和嘉膜、光速芯材材料业务的不断拓展,将有望为公司打造新的利润增长点,成为公司再次腾飞的新增长极。文/艾文

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