AI資料中心的隱形戰場：千瓦級晶片功耗下的晶片層散熱關鍵

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芮嘉瑋╱財團法人中技社 科技暨工程研究中心主任

隨著生成式AI與大型語言模型（LLM）算力需求呈指數級增長，AI 加速器晶片正式邁入「千瓦級（Kilowatt-scale）」功耗時代。當前先進製程晶片的局部熱流密度（Heat Flux Density）正逼近1kW/cm²的物理極限，傳統氣冷方案已無法將結溫（Junction Temperature, Tj）維持於安全範圍，成為制約摩爾定律延續與 HPC系統穩定性的最大瓶頸。本文將聚焦於資料中心分層熱管理(Hierarchical Thermal Management, HTM)中最底層的晶片層級（Chip Level），從熱阻網絡微觀分析出發，探討直接液體冷卻、微流體散熱與相變材料緩衝等結構性變革。

晶片層 (Chip Level)：結溫控制與熱流密度移除

晶片層作為熱源起點，其散熱效率直接決定晶片的可靠性與運算壽命。此層級管理重點在於單一處理器（如CPU、GPU）或AI加速器內部的局部熱點（Hot Spots）控制。核心目標在於即時移除極高熱流密度，將矽晶體結溫穩定維持於製造商規範的上限（Tj,max）以下，避免因過熱導致效能降頻、可靠度劣化或元件失效。

晶片層熱傳導路徑分析

在微觀層級，熱量必須從晶片接面依序傳導經過多層材料與介面，最終傳遞至外部系統。此一由多個介面所構成的熱傳導路徑，如圖1所示，共同形成關鍵的熱阻（Thermal Resistance）網絡。該熱阻網絡主要由三個核心組成：其一為晶片與整合式散熱蓋(Integrated Heat Spreader, HIS)[1]之間的熱介面材料TIM1，其熱阻以θTIM1表示；其二為IHS 本體所貢獻的熱阻θheat spreader；其三則為IHS與最終散熱模組之間的熱介面材料 TIM2，其熱阻以θTIM2表示。在極端熱流密度條件下，這些熱阻的總和直接決定了結溫（Tj）是否能維持於安全操作範圍內，因而成為晶片層熱管理的關鍵限制因素。

以下詳實描述熱量(Heat Flow)從晶片(最高溫Tj）傳遞到外部散熱系統的連續介面路徑，說明TIM1和TIM2在整個熱阻網絡中的層級與功能定位：

一、TIM1介面（位於晶片和整合式散熱蓋IHS之間）

• 位置：位於發熱核心的晶片裸片(Silicon Die)和IHS之間，是熱量離開晶片後首先接觸的關鍵介面。
• 作用：負責將晶片產生的極高熱流密度（1 KW/cm²級別）傳遞給IHS進行初步擴散。
• 目標：降低θ_TIM1是直接晶片液冷(Direct-to-Chip Liquid Cooling, D2C)架構中最關鍵的第一步，也是晶片層散熱效能的基礎。

二、TIM2介面（位於整合式散熱蓋IHS和最終散熱模組之間）

• 位置：位於IHS與外部散熱模組之間，後者可為液冷冷板或氣冷散熱器(Heat Sink)。
• 作用：負責將IHS擴散後的熱量傳遞給最終散熱模組（如冷板或散熱器）。
• 目標：降低θ_TIM2有助於提高整個散熱模組的效率。

極端熱流密度下的散熱典範轉移

當前高階GPU與AI加速器的熱流密度已達甚至超過1 kW/cm²，遠高於傳統CPU。隨著單晶片功耗攀升至700W以上（如NVIDIA H100、AMD MI300X、Google TPU），氣冷方案在高密度部署情境下已難以負荷。在此背景下，液體冷卻技術已成為應對極端熱負載、支持新一代AI資料中心的主流發展方向。

晶片層常見關鍵技術

面對AI晶片與GPU日益攀升的極端熱流密度挑戰，傳統散熱模式已達瓶頸。晶片層的熱管理技術正經歷結構性轉變，核心策略聚焦於近源、高效、低熱阻三大方向。當前產業的關鍵發展，主要圍繞直接液體冷卻(DLC)和封裝層面的熱傳導優化兩大技術主軸展開，共同構築起下一代高效能運算的散熱核心。

一、直接液體冷卻技術 (Direct Liquid Cooling, DLC)

這類技術聚焦於將冷卻液直接導向晶片，大幅縮短熱傳導路徑。

直接晶片液冷(Direct-to-Chip, D2C)

這是當前產業主流的解決方案。它利用冷板 (Cold Plate) 直接覆蓋晶片整合式散熱蓋 (IHS) 或裸晶 (Bare Die)，透過冷卻液（如去離子水或介電液）的強制循環，將熱量直接從熱源移除。D2C 模式為高功耗元件提供了基礎且可靠的散熱保障[2]。

微流體散熱(Microfluidic Cooling)與微通道冷卻(Microchannel Cooling)：D2C模式的極致結構

微流體散熱(Microfluidic Cooling)代表了晶片級散熱的未來趨勢。它旨在應用微流體學原理，透過微米級流體的精確控制，實現對極高熱流密度的移除。其中，微通道冷卻(Microchannel Cooling)是微流體散熱的核心實施方式，這項技術專為應對未來更高熱流密度而設計，要求將微米級流體通道直接內嵌或蝕刻到矽晶片表面或其底層封裝中。這樣做能夠讓冷卻液（如水或特殊冷媒）直接流經晶片核心附近，從而將熱源與冷卻介質極致靠近，最大程度縮短熱傳導路徑並實現極低的熱阻。微通道冷卻與傳統冷板方案不同，它能精確針對局部熱點，有效降低晶片表面溫度，提供傳統氣冷3倍以上的散熱效能，並支援超過2000W熱功率。微軟已展示在晶片背面蝕刻微通道，並使用 AI 引導流體精準至熱點的技術。台積電的矽整合微冷卻器（IMC-Si）在CoWoS封裝中實現3000W散熱，熱點溫度低於70°C，熱阻<0.1 K·cm²/W。這些進展確認了微通道冷卻是高功率AI加速器與GPU散熱的關鍵發展方向。儘管微軟、台積電和Google等領先企業已驗證此技術，該技術仍需克服封裝整合、壓降管理和長期可靠性等挑戰。

此外，微通道技術正持續進化，發展出結合毛細結構的雙相冷卻(Phase-Change Cooling)方案。雙相冷卻的原理是利用冷卻液在微通道中蒸發（液態變氣態）時，吸收巨大的潛熱 (Latent Heat) 進行散熱，這能極大化散熱效率，遠高於單純利用液體溫差的顯熱吸收。為了維持穩定運行，這種進階的微通道雙相冷卻方案加入了毛細結構(Capillary Structures)。這些微細結構（如微柱或粉末燒結層）能夠產生毛細力，將蒸發後的蒸汽冷凝回液體，並自動將液體回流至熱點區域。此機制確保了冷卻液的連續供應，有效解決了微通道在高熱流密度下容易出現的局部乾涸(Dry-out)問題，進一步提升散熱效能，是應對更高功耗AI晶片的下一代關鍵方向。

二、封裝集成與熱傳導路徑優化

這類技術聚焦於優化晶片熱傳導路徑上的材料和結構，以支持高效液冷。

高效熱界面材料(TIM)：

由於TIM1和TIM2的熱阻在整個網絡中佔據關鍵地位，業界正持續研發新型超低熱阻材料。採用這類低熱阻的高階材料，例如液態金屬(Liquid Metal)或高導熱複合聚合物，用於降低晶片與整合式散熱蓋(IHS)與最終散熱模組（如冷板或散熱器）之間的接觸熱阻，提升熱傳效率。

相變材料 (Phase Change Materials, PCM)

相變材料(PCM)在晶片層散熱中扮演熱緩衝(Thermal Buffering)的關鍵角色。它利用材料在液化或凝固過程中吸收或釋放大量潛熱(Latent Heat)的特性，來緩解AI/HPC晶片在工作負載突變時產生的瞬時高熱負載（熱尖峰）。PCM的核心價值在於，當晶片功耗在極短時間內急劇升高時，PCM 能利用潛熱來吸收這些突發的熱能，爭取時間讓主動散熱系統（如冷板內的液體循環）有足夠的響應時間，從而有效穩定晶片的結溫(Tj)，確保高效能運算的穩定性。這使得 PCM的作用與熱界面材料(TIM)有所區別：TIM主要負責熱傳導（降低熱阻），而PCM則專責熱緩衝（管理瞬態熱負荷）。這兩者都是確保晶片結溫控制的重要手段。PCM本質上是一種功能性材料，它通常會被製成導熱墊、薄膜或與TIM材料複合，應用於TIM1或TIM2介面附近（例如晶片與IHS之間或IHS與散熱基板之間），以靠近熱源的方式發揮最佳的緩衝效果。

先進封裝技術

隨著 2.5D/3D 堆疊晶片技術的應用，散熱路徑變得更複雜。開發者開始將液冷微通道或均溫板等液冷管路直接整合到晶片、中介層(Interposer)或封裝基板中，從而實現垂直散熱，解決多層晶片堆疊的熱管理問題。

結語：次世代晶片熱管理的挑戰與展望

晶片層熱管理正從「被動氣冷」轉向「主動DLC與微流體技術」。隨著台積電IMC-Si與微軟雙相冷卻等技術驗證了將熱阻降至0.1 K·cm²/W以下的可行性，單晶片3000W級別的AI運算時代已然成形。展望未來，挑戰將由單純的「熱移除」轉向「系統整合」，包括微通道在封裝內的長期可靠性、冷卻液的防漏設計以及壓降管理。這場技術升級是定義次世代資料中心能源效率（PUE）與永續發展的關鍵。產業鏈必須加速跨域合作，從設計端導入熱流協同優化，方能支撐兆級參數AI模型的穩固基石。

責任編輯：吳碧娥

【本文僅反映專家作者意見，不代表本報及其任職單位之立場】

備註：

[1] IHS的定義：IHS是一塊金屬蓋（通常是銅或鍍鎳銅），在晶片封裝完成後，用來蓋住（保護）脆弱的晶片裸片(Silicon Die)和下層封裝的金屬保護蓋，業界常以Lid非正式、口語化簡化稱呼。它的主要功能是將晶片核心（面積很小）產生的集中熱量，均勻地擴散到一個更大的表面積，以便外部的散熱器（Heat Sink或Cold Plate）能更有效地移除熱量。因此稱為整合式散熱蓋(Integrated Heat Spreader, IHS)，即「整合在一起的散熱擴散器/蓋子」。

[2] Direct-to-Chip(D2C)業界慣用中文詞彙：直接晶片液冷、直接接觸式液冷(強調冷板與晶片的物理接觸機制)、直接晶片冷卻、直接對晶片液冷、晶片級直接液冷、晶片直液冷。

作者： 芮嘉瑋 現任： 中技社科技暨工程研究中心主任 學歷： 清華大學 奈米工程與微系統研究所 博士 中原大學 財經法律研究所 碩士 台灣科技大學 材料科學與工程研究所 碩士 經歷： 工研院技術移轉與法律中心執行長室 工研院電子與光電研究所專利副主委 光電產業智權經理 專長： 長期從事產業研究、專利智財與投資評估等工作，專注於能源、產業、環境、經濟等議題。擅長創新技術策略分析、科技預測及評估、專利分析與布局、產業分析、智慧財產權管理與經營策略、專利的商業化與貨幣化。熟捻產業技術發展趨勢，並常在各媒體平台發表文章、應邀演講，成功引領技術前瞻與產業關鍵議題。

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