熱管理不斷發展以應對人工智能高能耗需求

長期以來，熱管理一直是設計工程師面臨的關鍵挑戰。幾十年來，工程師們一直面臨著試圖從密集的電子設備中散熱的問題，這些電子設備在增加更多功能的同時不斷縮小尺寸。現在，龐大的數據中心也加入了其中，其中一些運行人工智能服務器，配備功能強大、熱運行的 GPU 和 CPU。

無論大小，工程師都發現他們必須在空間和性能方面進行權衡，以達到可接受的冷卻水平并防止敏感電子設備過熱。幸運的是，仿真和分析工具的出現使工程師能夠在設計周期的早期，甚至在組裝原型之前，將熱管理設計到電子產品或系統中。

多年來，風扇和散熱器一直被用來冷卻電子產品。但它們的冷卻能力不足以應對 AI 處理器的更高功耗。

“隨著人工智能工作負載推高功率密度，散熱器和風扇等傳統冷卻方法正在達到極限，”Rambus 研究員兼杰出發明家 Steven Woo 說。“這些方法很難有效地從密集封裝的高性能芯片中去除熱量，從而導致熱瓶頸，從而限制性能并降低可靠性。”

液體的優缺點

處理數據中心巨大冷卻問題的一種方法是使用液體冷卻，這帶來了一系列問題。“液體冷卻提供了卓越的熱性能，但它給系統設計帶來了復雜性，”Rambus 的 Steven Woo 說。“對泵、管道和冷卻劑分配基礎設施的需求增加了空間需求，并可能使維護復雜化，尤其是在改造或空間受限的數據中心。然而，鑒于人工智能的巨大價值創造潛力，以及為人工智能提供動力所需的快速增長的電力需求，盡管復雜性增加，但液體冷卻的采用率將越來越高。

例如，英偉達開發了機架級液冷系統，旨在處理萬億參數大型語言模型推理的艱巨任務。據該公司稱，冷卻系統架構針對測試時擴展精度和性能進行了優化，使其成為運行人工智能推理模型同時有效管理能源成本和熱量的理想選擇。

風機和鼓風機不斷發展

電子應用中使用的傳統風扇和鼓風機雖然存在噪音和占用空間等缺點，但仍然是一種久經考驗的冷卻方法。

根據 Verified Market Reports 上的一篇博客文章，風機和鼓風機受益于智能和物聯網技術的結合，這些技術允許它們進行遠程控制并優化能源效率。該博文還指出，可以使用更多能夠在高溫下運行的高溫風扇。而且，改進的葉片設計、隔音材料和減振技術等功能有助于降低風扇噪音水平。

與多年來的情況一樣，風扇有軸流和離心兩種配置。軸流風機平行于風扇軸線移動空氣，其葉片在旋轉時產生壓差來產生氣流。離心風機，也稱為電動葉輪或徑向鼓風機，垂直于風機軸線移動空氣。它們的旋轉動作將空氣吸入風扇的中心，然后通過管道或外殼將其向外推。

軸流風機往往在計算機和服務器等電子應用中更為普遍，而離心風機往往進入暖通空調和工業應用。

也不要放棄散熱器

另一種長期冷卻選擇，即散熱器，也仍然是一個可行的選擇。在某些情況下，散熱器受益于制造和設計的進步。“增材制造通過解鎖復雜的幾何形狀（如晶格結構和內部微通道（如 3DEO 的純銅散熱器）將熱性能提升到新的水平，”首席運營官 Rajan Ramaswamy 說。據該公司稱。這種方法可以實現更好的設計調整、更輕的組件和傳統制造無法實現的性能。

散熱器（照片）由純銅制成，據報道，純銅具有無與倫比的導電特性，對下一代電力電子、半導體冷卻、射頻系統和儲能至關重要。3DEO 的智能分層技術能夠生產具有機械穩定性的全致密、高精度銅部件。據該公司稱，散熱器采用復雜的幾何形狀，如晶格結構和內部微通道，以更好地設計調整、更輕的組件和傳統制造無法實現的性能。

“我們將 DfAM（增材制造設計）與熱建模相結合，以快速迭代和優化銅散熱器等設計，”Ramaswamy 說。這使客戶能夠共同設計符合其特定系統要求的先進散熱解決方案。

穩壓器

工程師們還試圖通過在發熱芯片附近放置穩壓器來優化芯片設計，以改善散熱。

Empower Semiconductor全球營銷和歐洲、中東和非洲地區銷售高級總監Eric Pittana表示：“直接在芯片上或芯片附近集成電壓調節可以顯著降低功率損耗，改善瞬態響應，并最大限度地減少寄生效應，這對于高帶寬AI和HPC工作負載尤其重要。

Empower 提供垂直供電技術，將供電穩壓器放置在處理器正下方的 SoC 下方位置，能夠移動到接近并最終在封裝中進行功率轉換。“這種方法消除了高達 20% 的高電流橫向配電損耗：在 1000V 供電的典型 54W 數據中心機架式服務器上，這相當于系統效率提高了 5%，”Pittana 說。“更高效的配電意味著更少的冷卻要求和復雜性。”

Empower 最近與 Marvell Semiconductor 合作，展示用于冷卻下一代 AI 處理器的 Crescendo 技術。

片上冷卻風扇也在一些冷卻應用中得到了更仔細的研究。一個例子是 AR/VR 耳機和眼鏡，它們緊密包裝的電子設備提出了令人生畏的冷卻要求。

“AR/VR 眼鏡帶來了產品設計挑戰，”xMEMS 營銷和業務發展副總裁 Mike Housholder 說，該公司開發了包括微型音頻揚聲器在內的非常小的電子設備。更多的計算和其他電子設備正在被納入其中。

利用其壓電MEMS技術，xMEMS開發了一種版本的μCooling片上風扇解決方案，以適應VR眼鏡的框架。風扇尺寸小至 9.3 x 7.6 x 1.13 毫米，使用超聲波頻率產生氣流和氣壓。據 Householder 稱，μCooling 片上風扇目前正在向客戶提供樣品。

不過，并非所有公司都同意片上冷卻的好處。

Empower Semiconductor 的 Eric Pittana 表示：“然而，片上冷卻風扇提供的好處有限;雖然新穎，但它們在規模上的影響有限，似乎微不足道，并增加了復雜性和可靠性風險。我們相信，一條更具可擴展性的道路是共同設計電源和熱解決方案，以全面解決電源和熱問題。

模擬的作用

無論選擇哪種冷卻方法，實現所需最佳冷卻量的關鍵是準確計算散熱，而散熱又取決于存在的電子元件、它們在開啟和關閉狀態下的性能，以及印刷電路板和外殼等機械因素。為了準確計算所需的冷卻量，設計工程師越來越多地求助于計算機輔助仿真和熱分析工具。

MathWorks 的 Simscape 系列建模工具中可以找到這樣一套熱分析工具。Simscape 使設計工程師能夠對包括電機、執行器、制冷系統和其他組件在內的物理系統進行建模，并考慮電氣和熱特性的影響。

“無論您是被動冷卻、主動冷卻、使用空氣還是液體，都可以在模擬中考慮，”MathWorks 顧問產品經理 Graham Dudgeon 說。Dudgeon 補充說，模擬電氣特性的能力也會影響熱特性，例如，無論半導體是打開還是關閉，傳導和開關損耗都會受到影響。

MathWorks 提供了一個用于對設計物理屬性進行建模的仿真平臺，稱為 SimScape，該平臺考慮了熱和電氣特性等因素。

Ansys半導體分析產品產品營銷經理Marc Swinnen補充道，熱建模的重要性不容小覷，因為熱問題還與產品設計中的其他物理問題有關，包括電氣特性、屏蔽和機械問題。

“在電子系統中節省電力的最佳方法是降低電壓。但這樣你就會帶來電壓下降的風險，“Swinnen 說。他補充說，隨著系統設計繼續傾向于更高的頻率，降低電壓也具有挑戰性。

Swinnen 指出，該公司的多物理場仿真和分析工具旨在對系統的熱特性進行建模，考慮電氣和機械行為的動態變化。