随着人工智能算力需求快速攀升，AI芯片正朝着大面积、高功耗、高集成方向演进。传统风冷已难以满足高功率芯片散热需求，液冷技术正从冷板式、浸没式向近结区冷却演进；面对2.5D/3D Chiplet芯片带来的热流分布不均、导热路径长、热界面材料厚等新挑战，亟需发展更高效、更可靠、更易规模化的液冷方案。
一、研究背景：算力提升背后的“热瓶颈”
文章指出，AI芯片功耗在过去十年急剧攀升。英伟达2025年发布的GB300芯片热设计功耗已达1400W。数据中心用电量随之快速增长，2024年美国、中国和欧洲数据中心用电量分别达180、100、70TWh。散热是数据中心除服务器计算外最大的能耗来源：传统风冷数据中心散热能耗占比高达43%，液冷数据中心可降至9%；冷却方式从风冷、自然冷发展到液冷后，数据中心PUE可从2逐步降至1.1以下。
与此同时，芯片热管理压力持续加大。统计表明，55%的电子产品失效由热问题引起；芯片最大热流密度已超过100W/cm²，最高工作温度通常在85～95℃。文章称，风冷难以在小空间内高效冷却大量芯片，单芯片功率达到300～400W时逐渐过渡到液冷方案。液冷因液体导热系数和热容远高于空气，成为高功率芯片散热的重要方向。
更严峻的是，Chiplet技术通过2.5D/3D异质集成，将CPU、GPU、HBM等多模块集成在一起，虽提升了计算性能和良品率，却带来大面积、高发热功率、三维空间多热源、热流分布不均、多层芯片导热路径长、热界面材料较厚等散热难题。Chiplet型芯片的高效热管理，已成为AI发展的关键挑战之一。
二、六类液冷路线：各有优势，也各有“短板”
文章按冷却架构将液冷分为冷板式、近结区、浸没式，并按是否发生相变分为单相和两相。不同路线分条来看：
1. 单相冷板式液冷：兼容现有架构，重在流道优化。
单相冷板通过强迫对流带走芯片热量，芯片顶部经热界面材料与冷板接触。研究重点包括矩形、三角形、梯形等截面微通道，蛇形、波浪形三维流道，以及扰流微柱、多层微通道、分形微通道等设计，以强化传热、降低压降。文章还提到多冷板串并联回路优化和风液融合方案，例如将61.4%热量通过液冷散热，冷却功耗可降低约48.5%。该路线与现有封装和风冷架构兼容性好，适合数据中心改造；但复杂流道往往带来更高流阻、泵功和制造成本。
2. 近结区单相液冷：把冷却液送到热源附近。
该路线在芯片背面或内部刻蚀微通道、针翅，或采用射流冲击，去除热界面材料和盖板热阻，使冷却更靠近PN结热源。文章举例，在FPGA芯片背面刻蚀圆形针翅阵列，可实现0.07K/W热阻；嵌入式微通道冷却只需0.57W/cm²泵功即可冷却超过1700W/cm²热流，COP超过10000；双H型歧管方案在417W芯片上实现平均温升22.2K、压降35.0kPa。其优势是热阻低、温度均匀性好，但芯片内刻蚀微通道会增加制造复杂性和成本，目前大规模推广仍受限制。
3. 单相浸没式液冷：低PUE，工质黏度是关键。
单相浸没将芯片与基板浸入冷却液，依靠自然对流或强制对流换热。泵驱强迫对流、芯片翅片热沉、热管和均温板均可强化传热。文章指出，动力黏度是影响单相浸没冷却最重要的物性参数之一；低黏度、高导热介电流体的开发是推广关键。该路线与现有芯片封装兼容、稳定可靠，已在一定规模数据中心落地，但存在服务器机柜改造成本、液冷工质成本，以及长期浸没带来的溶解、腐蚀、膨胀、流体老化等可靠性问题。
4. 两相冷板式液冷：小流量高换热，但需驯服流动不稳定性。
两相冷板利用低沸点氟化液、制冷剂等工质的流动沸腾或射流沸腾换热，可在较小过冷度和流量下获得高换热性能。文章提到，R515B等中压制冷剂在复合热源工况下，两相液冷热阻相比单相液冷明显降低；但氟化液和制冷剂汽化潜热较低，换热性能仍低于水。流动不稳定性是应用关键问题，可能引起流型、压降、壁温振荡，导致临界热流密度提前和热疲劳。纳米结构表面、分布式进出口射流沸腾等被用于抑制不稳定，但低成本、长寿命、大规模制备仍是难点。
5. 近结区两相液冷：面向热点与超高熱流。
该路线采用更小尺寸微通道、针翅、歧管供液、径向扩张通道等，强化热点散热并调控汽液两相流。以水为工质时，微通道与微柱复合毛细结构结合歧管供液，在2.0g/min流量下实现770W/cm²临界热流密度，压降38kPa，COP达105；采用R1234ze的嵌入式径向扩张通道，可在核心区实现350W/cm²散热；R134a在微间隙和针翅微间隙结构中分别实现4kW/cm²和4.75kW/cm²热流。其挑战在于小尺寸结构压降大、局部干涸风险高，需要复杂供液和相变调控设计。
6. 两相浸没式液冷：沸腾换热强，成核与热扩是关键。
两相浸没利用低沸点介电流体沸腾传热，但介电流体表面张力低、润湿性强，汽泡有效成核位点少，需要更高起始过热度，易发生无序爆沸。文章介绍，通过高导热均温板、热扩增大传热面积，可提升两相浸没性能；例如HFE-7100中均温板热扩实现100.45W/cm²最大热流和0.05K/W最小热阻；CoWoS封装芯片使用均温板热扩时，过热度50K下实现200W/cm²热流密度。另有研究采用Parylene C绝缘涂层实现水工质浸没冷却，小器件热流达562W/cm²。该路线瓶颈在于池沸腾临界热流密度受汽泡脱离限制，大面积竖直芯片上汽泡合并会导致热流密度随面积增大而下降。
三、Chiplet芯片：液冷方案需“量体裁衣”
文章强调，Chiplet型芯片的冷却不能简单套用传统冷板。2.5D/3D集成使不同功能模块形成高功率热点，底部芯片热量需逐层通过焊点、硅通孔、芯片向上传导，传热路径长、热阻大；多个芯片和HBM厚度不匹配还会降低散热性能。
在冷板式路线上，使用高导热热界面材料、定制封装盖板是减少热阻的重要方案。文章举例，液态金属作为热界面材料时，热阻可比硅脂方案降低24.8mm²·K/W；针对3D堆叠改进盖板几何形状，可使最大热阻从0.82K/W降至0.23K/W。对于2.5D Chiplet，可在芯片上方构建歧管射流冷却、刻蚀微通道；在芯片底部构建嵌入式微通道或射流器件，则是另一条思路。文章列举，嵌入式微针翅加3D打印歧管可使FPGA核心在约107W功耗下保持约30℃，热阻0.074K/W，远低于原装散热器；单相射流冷却装置实现1.86kW热设计功率冷却，逻辑芯片热流252W/cm²，表面温差在3℃以内；两相射流系统实现612.8W冷却性能。
对于3D Chiplet，基于硅通孔工艺的嵌入式微通道冷却受到关注，已有研究在3层堆叠芯片上实现250W/cm²热点、50W/cm²背景热流散热。但文章指出，这类方案与芯片制备高度集成，目前仍需要在不改变芯片内部结构的前提下，在芯片表面或外部封装实现易于改造的普适高效散热方案。
四、应用与展望：近期靠冷板，远期看近结区
从应用看，冷板式液冷与现有封装、风冷架构兼容性好，可基于现有数据中心改造，适合近期规模化部署；浸没式液冷能实现更低PUE，多用于新建数据中心；近结区液冷热阻低、散热能力强，是应对超高功率密度芯片的重要方向，但制造复杂性和成本仍需突破；两相液冷换热性能高，但工质、流动不稳定性和长期可靠性仍是工程化关键。
文章提出，未来仍需解决若干共性问题：一是保证液冷工质长期工作稳定性，防止溶解、腐蚀、膨胀和老化；二是开发单相低黏度高导热工质，以及两相高汽化潜热、沸点适配电子器件工作温度的工质；三是提升两相液冷性能预测能力，抑制两相流不稳定性。对于Chiplet型AI芯片，还需针对高功率、大面积、多热源堆叠耦合、不均匀产热和复杂几何形貌，发展定制化、可规模化、与封装工艺兼容的液冷方案。
在“双碳”目标和算力需求持续增长的背景下，液冷已不只是“可选方案”，而是高功率AI芯片和数据中心绿色发展的关键基础设施。从冷板到近结区，从单相到两相，技术路线的多元化将为不同场景提供梯度化选择，而可靠性、工质和规模化制造，将决定下一阶段液冷技术能走多快、走多远。
