散熱一直是晶片的頭號問題，隨著算力提升，晶片產生的熱能也愈來愈高。對此，台積電近期在 VLSI 研討會上發表「水冷晶片」的研究，提供散熱問題的解決方案。
台積電將水冷系統整合至晶片，直接降溫
關於晶片散熱，常見的做法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。但部分晶片頂部有用於保護的金屬蓋，下面才是晶片核心，因此晶片必須透過內部的導熱材料，先將熱量傳到金屬蓋，再透過晶片外的導熱矽脂帶走熱量。至於沒有金屬蓋的晶片（例如筆電 CPU），頂部也會有矽材料，它的功用是保護電路結構，但也阻絕了散熱。
隨著電晶體密度提升，產生的熱量也愈來愈多，因此台積電將水冷系統整合在晶片中，讓水直接從晶片內帶走熱量。台積電測試了三種水冷設計，一種是 DWC（直接水冷），直接在晶片表面的矽蝕刻凹槽，讓導熱液體流動並帶走熱量；另一種是在晶片頂部添加蝕刻水路的矽材料結構。由於需要使用導熱材質來接合這兩層結構，而根據導熱材質的不同，就衍伸出 OX TIM（矽氧體導熱材質）與 LMT（液態金屬導熱材質）兩種方案。
根據台積電的研究，DWC 的散熱效果最好，能帶走 2.6 kW 的熱量，產生攝氏 63 度的溫差；OX TIM 效果其次，帶走 2.3 kW 的熱量，溫差為攝氏 83 度；LMT 效果最差，僅帶走 1.8 kW 的熱量，溫差為攝氏 75 度。
趨勢：軟體以性能為重，加劇晶片的能量消耗
以原理來說，台積電的水冷晶片與傳統方法相同，都是藉由導熱來散熱。但是透過將水冷系統整合至晶片的方式，可以讓散熱介質更接近熱源，提升散熱的效能。
之所以需要提升晶片散熱能力，除了電晶體密度提升等硬體升級外，軟體設計思維轉變也是重要因素。在 2000 年代以前，軟體大多會選擇犧牲運作速度，來降低對硬體的資源消耗。但從 Windows Vista 後，軟體開始強調運作速度，並將硬體性能運用到極限。例如 Google Chrome，它經常佔據大量的 CPU 與記憶體資源；或者是 Microsoft Office，它會使用 GPU 來加速運行，以確保操作的流暢度。
因此，在晶片算力與軟體運作性能的提升下，晶片的功耗愈來愈高，自然需要更優秀的散熱方案。透過將水冷系統整合至晶片的方式，台積電期望提升晶片的散熱能力，以確保運作順暢，滿足使用者的需求，實現更高效能的運算。
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參考資料：Tom’s Hardware、三易生活
（本文提供合作夥伴轉載。首圖來源：Shutterstock）
