半導體示意圖，非文中所述水冷晶片。
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。
DWC、OX TIM、LMT 的結構差異。圖片來源：台積電
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。
DWC、OX TIM、LMT 的散熱性能。圖片來源：台積電
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）
