到底什么是趨膚效應？

前段時間小棗君介紹光通信CPO技術的時候，很多讀者問：為什么一定要用光替代銅？為什么光通信的傳輸損耗比電通信低？

其實，這背后的關鍵，就是一個重要的物理學效應——趨膚效應。

不僅是光通信，在射頻天線設計、半導體封測等各個領域，趨膚效應都在產生重要的影響。

今天這篇文章，小棗君就和大家解讀一下這個概念。

█什么是趨膚效應

趨膚效應，簡單來說，就是當交流電在導體（電線）中傳輸時，電流會集中在導體的表層流動，而導體中心的電流極小。

而且，交流電的頻率越高，電流會越靠近導體的表面。

不同頻率下，導體上的電流密度分布

（從左到右，隨著頻率增加，電流更靠近表面）

有一個叫“趨膚深度”的概念，是指趨膚效應下，電流密度衰減到表面值的約37%（1/e）時，所對應的導體深度。

舉個例子，銅導體在常規50Hz頻率（家里交流電的頻率）下，趨膚深度是9.2毫米。而在100MHz頻率下，趨膚深度縮小至約6.6微米（0.0066毫米），相當于人類頭發直徑（約0.07毫米）的1/10。

家里普通電線（1.5平方）的直徑是1.38毫米。傳輸50Hz交流電，趨膚效應影響不大。但對于100MHz交流電（電信號），電流都集中在電線表面非常非常淺（0.0066毫米）的那層。

這就導致：導體的有效通流面積減小、導體材料浪費、等效電阻升高、發熱量增加、輸電損耗增加、信號衰減增加、傳輸距離縮短。

反正都不是好事。所以，業界很討厭趨膚效應，都希望盡量消除它的影響。

█趨膚效應的產生原因

我們簡單說說趨膚效應的產生原因。（這部分的內容，稍微有點復雜。但是，只要有一點中學物理的基礎，就能看懂。實在看不懂，就跳過。）

在導體上通電，就有電流，電流會產生磁場。交流電是方向和電流循環變化的電，電流變大時，磁場也跟著變大。

根據楞次定律（感應電流的效果，總是反抗引起感應電流的原因），導體內部會感應出反向磁場，阻礙原磁場增大。

這個反向磁場，由一個個感應小渦流產生。渦流在導體內側，與原電流方向相反，從而削弱內層電流；而在導體表面，渦流與原電流方向一致，反而增強表層電流。

這就形成了電流“擠”向導體表面的奇特現象。交流電頻率越高，效應就越明顯。

直流電，電流大小和方向不變，磁場穩定，所以不會產生額外的感應效應，電流能均勻分布在整個導體截面，沒有趨膚效應。

█趨膚效應產生的影響

趨膚效應是電能輸送和電信號傳輸的主要障礙。

通常來說，對抗趨膚效應，有幾個方法：

一、采用多根獨立絕緣導體絞合或編織而成的利茲線結構。

大家會發現，我們幾乎很少看到那種很粗的純金屬線，反而經常看到那種像麻花一樣擰在一起的細銅絲。之所以搞這么復雜，就有一部分原因是為了對抗趨膚效應。一根導線變成多根導線，總的表面積會增加。

二，將導體表面鍍銀或其它低電阻率材料。

銀的導電率比銅高約5%。既然電流都擠在表面，那就在表面鍍一層銀，相當于把最活躍的電流通道“升級”為更優導體。

三，使用空心導管替代實心導線。

反正中間也沒什么電流。這樣的話，既減輕重量又節省材料，同時保持足夠表面積。

以上三種方法，是對抗趨膚效應的常規操作。例如，在高壓輸電線路中，經常會采用鋼芯鋁絞線?。外層用的是鋁，導電性好、成本低。中心是鋼芯，機械強度高，可以承擔承重拉力。

電能輸送場景，交流電頻率不高。但是，電通信場景，情況就不一樣了。

現在為了提升通信速率和容量，都會采用高頻電信號，頻率MHz起步，甚至達到GHz。這種高頻，就意味著會帶來非常強烈的趨膚效應。

目前，業界單通道數據速率已經狂飆到224Gbps，下一代甚至將要達到448Gbps。有數據指出，如果按448Gbps來算，趨膚深度將壓縮至0.2微米。

這是極為恐怖的薄度，是頭發直徑的1/350。海量的電子，要擁擠在如此狹窄的空間里運動，難度可想而知。這時，導體表面的氧化層、微觀粗糙度，甚至晶界散射，都將成為不可忽視的影響因素。

以表面粗糙度為例。

金屬導體表面不是絕對平整的，會有一些凹凸不平。我們肉眼完全看不出來，但是，對于高頻場景下的高速電子而言，無異于在崎嶇不平的山路奔跑，會轉化為極其恐怖的能量損耗與發熱。這意味著，信號根本傳不遠。

如果你真的把導體表面打磨至原子級平整，那么，又要面對缺乏附著力的問題。在很多場景（例如半導體封裝）中，銅是需要和樹脂基板等材料進行貼合的。太過光滑，會導致這些材料根本粘不上，直接脫落。

所以說，趨膚效應，在高頻通信與高速互連領域，已成為制約性能提升的關鍵物理瓶頸。

5G毫米波通信、數據中心通信、高速PCB設計及超導磁體等領域，都面臨這個問題。

最具代表性的，就是這個數據中心通信。

現在AI這么火爆，帶動了智算中心和智算集群。這些場景，對數據傳輸速率和帶寬需求呈指數級增長。從400G到800G，再到1.6T，甚至正在規劃3.2T互連方案。

如果采用電通信、銅連接，就會面臨嚴峻挑戰。現在業界拼了老命，才把（SerDes和ASIC交換芯片的）極限速率推進到224Gbps級別。在這個級別，電信號傳輸短短1厘米，就會產生高達幾個dB的衰減。

相比之，如果采用光纖通信，傳輸1厘米的損耗小于0.2dB。光通信的工作頻率，可是遠遠高于100GHz的，達到184~353THz（太赫茲，1THz=1000GHz）。

電信號對比光信號，在波的傳輸效率上差了1000倍，頻率差1000倍，傳輸距離差1000倍。換做是你，該怎么選？

顯然是選光通信。所以，這就是光進銅退的核心驅動力，也是發展CPO（共封裝光學）等技術的主要原因。

CPO技術，是將光引擎與交換芯片直接集成在同一封裝基板上，從而最大限度壓縮電信號在銅互連中的傳輸距離——從傳統可插拔光模塊的數米，壓縮至厘米級甚至毫米級，使電信號僅需在芯片封裝內部完成最后一段“沖刺”，以規避趨膚效應帶來的嚴重衰減與失真。

光信號完全取代電信號，目前還做不到。因為計算芯片仍然是電信號，光計算還很遙遠，光電轉換暫時不可避免，只能盡量壓縮整個通信過程中的電占比。

英偉達的NVL72超節點，采用銅連接和電信號，是迫不得已。一方面，光通信技術還未吃透，成本（光模塊）也比較高，另一方面，電通信勉強還能死撐。NVL72只有一個機柜，電信號的傳輸極限，無法支撐更遠距離（跨機柜）的互連需求。

華為的昇騰384超節點，采用光通信，所以可以實現跨機柜互聯，組成16個機柜的規模。但是，百米級（一個模塊化機房的范圍）也是極限了。再遠的話，難度也很大。

英偉達現在花了很大的資源在CPO技術上，還收購了光通信企業，就是希望打造頂級的Spectrum-X系列CPO交換機，解決AI算力集群通信問題和規模問題。

█最后的話

好啦，以上就是關于趨膚效應的介紹。看到這里，大家應該明白了，光通信爆炸式發展的底層邏輯，就藏在趨膚效應里。（當然了，電信號還包括信號串擾等其它缺陷。）

在當前的需求背景下，電信號往高頻發展是必然趨勢。而趨膚效應，是無法繞開的物理極限。因為克服不了這個物理極限，所以，我們才不得不轉向光通信與CPO等創新架構。

趨膚效應帶來的電阻劇增、信號衰減與相位畸變，在電芯片中也同樣存在。半導體封裝的很多關鍵環節，也受到趨膚效應的制約。

我們不得不好奇——如果趨膚效應是電信號無法克服的死結，而光信號是最優解，那么，未來，我們什么時候可以實現光計算的商業化？光計算會取代電計算嗎？還是說，會有別的什么量子計算、生物計算，抑或更底層的核心技術革命？