隨著半導體晶片逐漸朝向高性能、超薄、微型化發展─體積越來越小,電晶體密度越來越高,電子元件散熱的空間越來越小,單位面積內所產生的熱能卻越來越高,無論是手機、電腦發熱密度皆呈現指數級增長。
晶片效能越強 解熱難度越高
此外,加密貨幣挖礦場、大型伺服器與資料中心,高階CPU、GPU產生的熱能更為驚人,如果熱能不能快速有效散出,輕則影響效能,嚴重會導致電腦或手機產生「電子遷移效應」,導致當機無法工作。
台積電未雨綢繆超前部署
今年七月台積電在超大型積體電路(VLSI)研討會上,展示晶片水冷研究結果,採用水通道直接引導到晶片,藉此提高晶片散熱效率。聽起來覺得不可思議,為什麼突然做這項研究?傳統晶片散熱,是在晶片上塗導熱矽脂,將熱量傳到散熱器底部,導熱管、水冷管再將熱量導到鰭片,最後風扇將鰭片的熱量吹走,完成散熱。
但是,若未來晶片採用3D堆疊技術,最新的SoIC先進封裝可以任意組合各種不同製程的晶片,除了記憶體,甚至還能直接將感測器一起封裝在同一顆晶片裡面,線路的密度將是2.5D的一千倍,散熱就會遇到大瓶頸。
3D堆疊晶片設計更複雜,更小的微縮製程,把晶片一層一層的堆疊起來,中間部分難以有效散熱,所以台積電的研究人員認為,解決方法就是讓水在夾層電路間流動,讓水直接從晶片內帶走熱量,這是最有效的方案,這裡指的水並非一般純水,而是不會導電的介電液,實際上操作起來非常複雜且昂貴,目前處於研究階段,這顯示出解決晶片散熱問題,將是半導體產業未來重要發展趨勢之一。
我們從上面描述可以知道新晶片設計只會更小、更複雜、更熱,而伺服器產業面臨的問題會更大,試想大型資料處理中心,裡面有多少伺服器?多少高階CPU、GPU都是二十四小時不斷電持續運作,龐大的熱能如何處理?當處理器的瓦數越來越高,一般來說,處理器的熱設計功耗超過240W就很難用風扇(氣冷)來解決,偏偏霸主Intel或是AMD新一代處理器動輒超過270W甚至280W,現在馬上面臨到需要液冷散熱來帶走熱量。
跟著產業霸主的方向走準沒錯
Intel在伺服器市場主流解決方案以x86架構為主,全球CPU市占率約92%左右。未來Intel仍將保持產業龍頭的地位,圍繞它的CPU平台的升級仍是影響伺服器硬體產業鏈周期性變化的關鍵因素。
二○二一年第一季開始,Intel最新的 Whitley Ice Lake的處理器已向資料中心業者小量出貨,第二季開始放量,到第四季預估將占總出貨量的40%,滲透率將大幅且快速提升,下一步,Intel預計二○二二年初量產支援PCIe Gen5的Eagle Stream平台,將會加速升級資料傳輸速度。