給增材散熱散散熱，微軟芯片散熱新技術(shù)與3D打印無(wú)關(guān)

AM易道深度快訊

昨天我們看到財(cái)聯(lián)社發(fā)了條消息，說(shuō)微軟芯片散熱技術(shù)突破。

在文章結(jié)尾處提到3D打印廠商有望受益。

我們第一反應(yīng)當(dāng)然是興奮：我們關(guān)注許久的散熱應(yīng)用場(chǎng)景要起飛了？

但仔細(xì)調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，自己給自己散熱了。

微軟這次的微流控散熱技術(shù)，跟3D打印沒(méi)有半毛錢關(guān)系。

今天就跟大家聊聊這個(gè)技術(shù)到底是什么，為什么會(huì)被誤解，以及它真正的商業(yè)價(jià)值在哪里。

技術(shù)真相：微蝕刻，不是3D打印

先說(shuō)清楚微軟到底做了什么。

熟悉數(shù)據(jù)中心的朋友都知道，現(xiàn)在主流的GPU散熱方案是冷板（cold plates）。

你可以把它想象成一個(gè)貼在GPU上的金屬散熱塊，里面有管道走冷卻液。但這套方案有個(gè)天生缺陷：

冷卻液和芯片的發(fā)熱核心之間，隔著好幾層封裝材料。

而微軟這次玩的微流控，思路就非常直接粗暴了：

既然隔著東西散熱效率低，那干脆把中間層全去掉，直接在芯片背面開(kāi)刀。

具體來(lái)說(shuō)，他們?cè)诠栊酒谋趁嬷苯?strong>蝕刻出寬度和人頭發(fā)絲差不多的微米級(jí)溝槽。

這些溝槽構(gòu)成了復(fù)雜的管網(wǎng)，冷卻液可以直接流過(guò)芯片最熱的區(qū)域。

這事兒聽(tīng)起來(lái)簡(jiǎn)單，但工程挑戰(zhàn)很高。

溝槽的深度必須恰到好處。

太淺了，流不過(guò)去足夠的液體，容易堵；

太深了，又會(huì)削弱硅片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，一不小心就把昂貴的芯片給干碎了。

微軟的團(tuán)隊(duì)光是在過(guò)去一年里，就迭代了四個(gè)設(shè)計(jì)版本。

更有意思的是，這些溝槽的布局不是簡(jiǎn)單的橫平豎直。

微軟跟一家叫Corintis的瑞士初創(chuàng)公司合作，用AI來(lái)優(yōu)化溝槽的設(shè)計(jì)。

最終的設(shè)計(jì)方案，看起來(lái)就像樹(shù)葉的脈絡(luò)或者蝴蝶的翅膀，充滿了仿生學(xué)的美感。

大自然早就告訴我們了，這種結(jié)構(gòu)在輸送物質(zhì)方面效率是最高的。

AI要做的，就是找到最適合特定芯片熱力圖的那個(gè)葉脈方案。

微軟在一個(gè)模擬Teams會(huì)議的服務(wù)器上成功驗(yàn)證了這套系統(tǒng)。

結(jié)果顯示，它不僅散熱效率比冷板高出三倍，還能將GPU內(nèi)部硅片的最高溫升降低65%。

這數(shù)據(jù)相當(dāng)能打了。

小結(jié)一下：

他們這次用的是微流控技術(shù)，核心工藝是在硅芯片背面直接蝕刻出微米級(jí)的溝槽網(wǎng)絡(luò)。

注意，是蝕刻，不是3D打印。

這個(gè)過(guò)程用的是傳統(tǒng)半導(dǎo)體制造工藝，跟我們熟悉的光刻、蝕刻、沉積這套流程是一脈相承的。

整個(gè)過(guò)程沒(méi)有增材制造的參與。

為什么容易被認(rèn)為和3D打印有關(guān)？

AM易道認(rèn)為，主要是因?yàn)檫@種三維立體的管道結(jié)構(gòu)，確實(shí)像是某種精密的3D打印件。

另外就是3D打印確實(shí)在散熱方面的研究有很多，我們也大量分享過(guò)。

但過(guò)去我們分享的3D打印散熱最多是冷板這個(gè)層面，如果是一體化散熱，3D打印很難直接做芯片級(jí)的散熱。

真正的商業(yè)價(jià)值在哪里

技術(shù)再牛，最終也要落到商業(yè)價(jià)值上。

Microsoft 365 核心管理技術(shù)研究員Jim Kleewein用了一個(gè)非常生動(dòng)的例子，把這背后的商業(yè)賬算得明明白白。

他拿Microsoft Teams舉例。一場(chǎng)Teams會(huì)議，背后是大約300個(gè)不同的微服務(wù)在協(xié)同工作。

比如，有個(gè)服務(wù)負(fù)責(zé)把你接入會(huì)議，另一個(gè)負(fù)責(zé)處理音視頻流，還有一個(gè)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄。

這些服務(wù)的負(fù)載是脈沖式的。

大部分Teams會(huì)議都約在整點(diǎn)或半點(diǎn)開(kāi)始， Kleewein說(shuō)，所以在這些時(shí)間點(diǎn)前后幾分鐘，負(fù)責(zé)連接的服務(wù)器會(huì)忙到飛起，而其他時(shí)間又很閑。

怎么應(yīng)對(duì)這種波峰波谷？

傳統(tǒng)辦法就一個(gè)字：堆。

多上服務(wù)器，用冗余的硬件資源去扛住高峰。

但這很不經(jīng)濟(jì)，因?yàn)榇蟛糠謺r(shí)間里，這些昂貴的服務(wù)器都在摸魚(yú)。

另一個(gè)辦法是超頻（overclocking），在高峰期讓服務(wù)器跑得更快。

但超頻的代價(jià)就是急劇升溫，很容易把芯片干燒了，所以沒(méi)人敢玩得太過(guò)火。

微流控的出現(xiàn)，改變了這個(gè)游戲規(guī)則。

極高的散熱效率讓數(shù)據(jù)中心可以放心大膽地動(dòng)態(tài)超頻，用更少的硬件處理同樣的負(fù)載。

這直接降低了資本支出，提升了硬件利用率。

這筆賬算下來(lái)，微流控帶來(lái)的不僅是技術(shù)上的突破，更是實(shí)打?qū)嵉纳虡I(yè)利益。

從平面到立體，解鎖3D芯片架構(gòu)

如果我們把視野再拉高一點(diǎn)，微流控技術(shù)甚至可能成為解鎖下一代芯片架構(gòu)的鑰匙。

現(xiàn)在的芯片都是平面的，但業(yè)界一直夢(mèng)想著能像蓋樓一樣把芯片堆疊起來(lái)，做成3D芯片。

這樣一來(lái)，芯片內(nèi)部不同功能單元之間的通信距離可以縮短到微米級(jí)，延遲會(huì)大大降低，性能將實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍。

但這個(gè)夢(mèng)想最大的攔路虎，依然是熱量。

把這么多發(fā)熱大戶堆在一起，散熱是難題。

微軟Azure副總裁Ricardo Bianchini設(shè)想，未來(lái)可以在堆疊芯片層之間構(gòu)建微小的冷卻通道，讓冷卻液在夾層里流動(dòng)。

一旦解決散熱瓶頸，數(shù)據(jù)中心的計(jì)算密度和能源效率都會(huì)實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍。

有了微流控，服務(wù)器可以更緊密地排列，數(shù)據(jù)中心可以在不增加建筑面積的情況下，塞進(jìn)更多的算力。

這對(duì)于土地和能源都極其寶貴的今天，意義非凡。

其次是能源效率。

由于冷卻液直接接觸熱源，它的溫度不需要像傳統(tǒng)冷板那樣被降得很低，就能達(dá)到很好的冷卻效果。

這樣用于制冷的能耗會(huì)大幅下降，數(shù)據(jù)中心的PUE（電源使用效率）指標(biāo)會(huì)變得非常漂亮，運(yùn)營(yíng)成本（OpEX）也會(huì)隨之降低。

這對(duì)于致力于可持續(xù)發(fā)展的科技巨頭來(lái)說(shuō)，是一個(gè)無(wú)法抗拒的誘惑。

3D打印為什么目前干不了3D芯片級(jí)散熱？

看到微軟這個(gè)3D芯片散熱方案，很多3D打印從業(yè)者可能會(huì)想：

這種復(fù)雜的三維冷卻通道結(jié)構(gòu)，不正是增材制造的強(qiáng)項(xiàng)嗎？

為什么微軟不用3D打印來(lái)做？

AM易道仔細(xì)分析后發(fā)現(xiàn)，這背后有幾個(gè)根本性的技術(shù)壁壘。

精度要求太苛刻了。

微軟在芯片背面蝕刻的溝槽寬度只有幾微米，相當(dāng)于人頭發(fā)絲的幾十分之一。

而目前最先進(jìn)的工業(yè)化應(yīng)用的金屬3D打印技術(shù)，能做到的最小特征尺寸差的還比較遠(yuǎn)。

未來(lái)看看雙光子進(jìn)行間接制造，或者飛秒SLM有沒(méi)有機(jī)會(huì)。

另外材料兼容性問(wèn)題。

3D打印要么是粉末燒結(jié)/粘結(jié)，要么是聚合物固化。

你沒(méi)法用3D打印在現(xiàn)有的硅芯片上直接加工出微流道，這在工藝流程上就說(shuō)不通。

3D打印能干哪些散熱？AM易道觀點(diǎn)

但這不意味著3D打印在芯片散熱領(lǐng)域完全沒(méi)機(jī)會(huì)。

AM易道認(rèn)為，真正的機(jī)會(huì)可能在系統(tǒng)集成層面。

比如，未來(lái)的3D芯片可能需要復(fù)雜的外部散熱器比如水冷板、均熱板，這些散熱器要求內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，但精度要求沒(méi)有芯片級(jí)那么苛刻。

傳統(tǒng)機(jī)械加工很難做出這種內(nèi)部帶有分叉、匯合、變截面的復(fù)雜流道，而3D打印正好擅長(zhǎng)這個(gè)。

另一個(gè)潛在機(jī)會(huì)在于封裝級(jí)散熱。

3D芯片堆疊后，整個(gè)模塊的外殼散熱器可能需要非常復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)匹配不同芯片層的熱點(diǎn)分布。

這種定制化的復(fù)雜散熱器，傳統(tǒng)制造方法成本極高，而3D打印的優(yōu)勢(shì)就在于復(fù)雜結(jié)構(gòu)不增加成本。

關(guān)鍵是要認(rèn)清技術(shù)邊界。

芯片級(jí)的微米精度加工，目前還是半導(dǎo)體工藝的天下。

但在毫米級(jí)、厘米級(jí)的系統(tǒng)散熱器制造上，增材制造的春天可能才剛剛開(kāi)始。

技術(shù)發(fā)展有其客觀規(guī)律，急不得，但也不能錯(cuò)過(guò)真正屬于自己的賽道。

在AI算力需求爆炸的當(dāng)下，傳統(tǒng)的散熱方式已經(jīng)快頂不住了。

散熱技術(shù)直接決定了下一代AI芯片能跑多快、數(shù)據(jù)中心能建多密、能省多少電。

微軟云運(yùn)營(yíng)與創(chuàng)新高級(jí)技術(shù)項(xiàng)目經(jīng)理 Sashi Majety表示：

如果五年后你仍然嚴(yán)重依賴傳統(tǒng)的冷卻板技術(shù)，那你就陷入困境了。

微軟也明確表示，他們希望把微流控做成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，而不是自己的獨(dú)門(mén)秘籍。

散熱這件事背后牽扯到的，是整個(gè)AI基礎(chǔ)設(shè)施的戰(zhàn)略布局和商業(yè)邏輯。

回到我們3D打印行業(yè)，AM易道必須要提醒的是，不是所有的微細(xì)結(jié)構(gòu)制造都需要增材制造。

而3D打印在散熱領(lǐng)域的真正機(jī)會(huì)也將逐步被發(fā)掘。

AM易道認(rèn)為，需要復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)但對(duì)最小特征、精度和一致性要求相對(duì)寬松的場(chǎng)景，才是增材制造散熱器的真正戰(zhàn)場(chǎng)。

技術(shù)的邊界很重要，認(rèn)清邊界才能找到真正的機(jī)會(huì)。

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