台积电公布浸入式散热设计：不怕温度压不住

  【天极网DIY硬件频道】英伟达在4月发布面向专业计算领域的Hopper架构GPU——H100，性能是上代安培A100的3倍，伴随性能一起到来的还有功耗暴涨，SXM版本从A100的400W提升至700W，PCIe版本也从300W提升到350W。事实上，GeForce显卡也从RTX 3090的350W提升至450W，甚至部分非公产品峰值可达560W。

  虽然单个晶体管功耗降低，芯片制造商显然不会放弃性能的提升，但GPU的整体功耗并没有跟随晶体管的缩小而降低。在面对显卡越来越高的功耗，电源供电和散热已然成为保证性能的瓶颈。另外，小芯片技术虽然为构建更强的芯片铺平道路，但将芯片3D封装会让核心间的积热问题更严重。 

  台积电在年度技术研讨会上表示，计算领域的每个芯片和机架单元功耗，不会受到传统风冷散热的限制。台积电拥有CoWoS和InFO等先进封装技术，允许芯片制造商突破传统标线限制，集成更多系统级封装(System in a Packet，简称SiP)。通过将四个标线大小的芯片结合到一起，让每个SiP芯片拥有超3000亿个晶体管，以带来更强的系统性能。作为代价，这些芯片的功耗和发热也非常巨大。

  SXM版本的英伟达H100加速卡拥有超过700W的峰值功耗，在单封装系统里使用多个GH100芯片的难度可想而知。如果找不到更好的办法，未来只能为系统带来超1kW的功耗、散热设计。虽然RTX 3090 Ti混合式散热可以一定程度上解决发热问题，但传统水冷散热方案也有局限性。 

  台积电方面认为，当芯片封装功率超过1000W时，数据中心需要为AI或HPC处理器准备浸没式的液冷散热系统，带来的结果就是需要彻底改造数据中心的结构。台积电方面曾在2021年透露其尝试过片上水冷方案，甚至说可应对2.6kW的SiP散热需求。

  虽然这项技术面临短期和持续性挑战，不过英特尔等科技巨头相当看好浸没式液冷散热方案，并希望推动该技术走向主流。对于愿意为此买单的客户(比如超大规模云数据中心的运营商们)来说，他们有望推动究极AI、HPC解决方案的发展，但缺点是技术复杂性和成本都相当高昂。

  编辑点评：虽然半导体技术在最近几年不断进步，但微缩技术并没有让芯片的功耗得到控制，芯片设计商在权衡功耗于性能之后，都选择后者，其中显卡的趋势非常明显。2017年发布的GTX 1080Ti的热设计功耗为250W、2018年的RTX 2080Ti达到285W，但2021年发布的RTX 3080Ti达到350W，厂商基本以功耗换性能。

  在更大面积芯片和更高功耗下，供电和散热已经成为芯片设计商最头疼的问题。消费级显卡还能用也冷+风冷的双散热设计，更高端的3D封装芯片就只能选择散热效率更高的浸入式散热，或者之前台积电在芯片内部预留散热管道一样，藉此提高散热效率，减少积热等一系列问题，让高性能HPC能够充分释放性能，为未来浸入式水冷产品打好基础。