行業(yè)風(fēng)向突變！英偉達牽頭全鏈路重構(gòu)，AI算力賽道迎來新拐點

這些消息密集地出現(xiàn)，并非巧合。當(dāng)單顆AI加速器的功耗逼近1000W、單個機架的功率接近1兆瓦時，空氣冷卻的物理極限已經(jīng)到了。施耐德電氣總裁的判斷很直接："一旦單芯片功耗超過某個閾值，液冷就不再是可選項，而是必需品。"

圍繞"散熱"這件事，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正在經(jīng)歷一次從芯片內(nèi)部到數(shù)據(jù)中心外墻的全鏈路重構(gòu)。

在芯片級散熱領(lǐng)域，傳統(tǒng)的外部液冷方案正面臨流體阻力大、泵送能耗高以及溫度分布不均的瓶頸。6月16日，KAIST研究團隊發(fā)表了一項突破性研究，展示了一種從芯片內(nèi)部進行冷卻的超高效液冷技術(shù)。

KAIST團隊沒有依賴昂貴的合成金剛石等特種導(dǎo)熱材料，而是將"歧管微通道"（manifold microchannel）結(jié)構(gòu)直接雕刻在硅半導(dǎo)體芯片內(nèi)部。這種設(shè)計類似于一個高效的物流網(wǎng)絡(luò)，通過在芯片上均勻分布多個微型入口和出口，大幅縮短了冷卻流體的傳輸距離，從而顯著降低了流阻和所需的泵送壓力。

該技術(shù)的核心優(yōu)勢體現(xiàn)在三個維度：第一，極高的冷卻效率——在實驗中，該系統(tǒng)實現(xiàn)了106,000的冷卻性能系數(shù)（COP），這一指標是2020年《Nature》所記錄的世界紀錄的10倍，意味著芯片制造商只需十分之一的泵送功率就能移除同等數(shù)量的熱量。第二，極限熱負荷下的穩(wěn)定性——即使在每平方厘米2000瓦的極端熱負荷下，該系統(tǒng)仍能使用普通的室溫水將芯片溫度控制在100°C的安全閾值以下。第三，與現(xiàn)有工藝的兼容性——整個微通道的制造工藝在350°C以下完成，完全兼容現(xiàn)有的商業(yè)半導(dǎo)體晶圓代工生產(chǎn)線，無需耗資數(shù)十億美元采購新設(shè)備。

KAIST教授Sung Jin Kim指出，隨著AI半導(dǎo)體和先進電子封裝的性能越來越受熱量限制，這項技術(shù)有望成為未來高性能計算系統(tǒng)的基礎(chǔ)冷卻解決方案。微流控芯片冷卻技術(shù)的商業(yè)化前景廣闊，據(jù)Fact.MR的報告預(yù)測，全球微流控芯片冷卻市場將從2025年的3.843億美元激增至2036年的28.6億美元，復(fù)合年增長率（CAGR）高達20%。

在AI計算系統(tǒng)中，計算核心（GPU/ASIC）與高帶寬內(nèi)存（HBM）之間的數(shù)據(jù)傳輸是性能的關(guān)鍵。隨著HBM從HBM3E向HBM4E甚至HBM5演進，堆疊層數(shù)預(yù)計將達到20層左右，熱量積聚已成為限制性能和可擴展性的核心瓶頸。存儲芯片三巨頭SK海力士、三星和美光的競爭焦點，已從單純的容量和帶寬比拼，轉(zhuǎn)向了封裝級熱管理技術(shù)的較量。

5月27日，SK海力士率先發(fā)布了"iHBM"熱解決方案，宣布將其應(yīng)用于包括HBM5在內(nèi)的下一代產(chǎn)品中。傳統(tǒng)的HBM設(shè)計依賴于通過基礎(chǔ)裸片散熱，而SK海力士的iHBM方案則從結(jié)構(gòu)上進行了顛覆。該技術(shù)將冷卻元件直接集成到HBM堆棧與GPU之間的D2D PHY接口中。ICE是一種硅基材料，具備高導(dǎo)熱性但電絕緣，在封裝內(nèi)部構(gòu)建了一條額外的散熱通道。SK海力士官方數(shù)據(jù)顯示，該設(shè)計可將熱阻降低30%，同時顯著提升系統(tǒng)在高負載下的運行穩(wěn)定性。

三星電子不甘示弱，在隨后的COMPUTEX 2026展會上展示了其搭載HPB技術(shù)的HBM5模型。三星DS部門首席技術(shù)官Song Jae-hyuk確認，HPB技術(shù)已在HBM4E中實施，其可靠性得到了驗證。與SK海力士類似，三星也瞄準了D2D PHY這一主要熱源區(qū)域。HPB技術(shù)在D2D PHY區(qū)域引入了獨立的硅基熱路徑，以改善熱傳導(dǎo)。三星此前已將銅基HPB結(jié)構(gòu)應(yīng)用于其Exynos 2600應(yīng)用處理器中，實現(xiàn)了高達16%的熱阻降低。而在HBM應(yīng)用中，三星正致力于將HPB集成到整個內(nèi)存堆棧的全局設(shè)計中，優(yōu)化基礎(chǔ)裸片和核心裸片的布局。

美光科技則采取了不同的技術(shù)路線。美光將重點放在低功耗HBM設(shè)計上，主要通過其硅通孔（TSV）溝槽冷卻技術(shù)來實現(xiàn)。該技術(shù)在AI加速器芯片的硅片內(nèi)部蝕刻微觀溝槽，并循環(huán)冷卻液以減少內(nèi)部熱量積聚。此外，美光在2025年獲得的一項美國專利揭示了一種基于電氣被動冷卻TSV的垂直熱管理結(jié)構(gòu)。這些專門的散熱TSV與信號TSV位于同一封裝引腳內(nèi)，不占用額外的裸片面積，形成了一條低阻力的垂直散熱通道。

HBM廠商在熱管理上的激烈角逐表明，先進封裝技術(shù)已經(jīng)超越了單純的電氣互連范疇，將熱傳導(dǎo)路徑作為架構(gòu)設(shè)計的核心要素。這一轉(zhuǎn)變將深刻影響未來AI芯片的封裝良率和制造成本。

Rubin平臺是全球首個100%全液冷AI計算平臺。在Rubin服務(wù)器中，不僅是GPU和CPU，所有的網(wǎng)絡(luò)組件也都完全由閉環(huán)液冷系統(tǒng)進行冷卻，徹底消除了系統(tǒng)內(nèi)的風(fēng)扇。這種設(shè)計的核心突破在于其冷卻液（75%水和25%丙二醇的混合物）的運行溫度。傳統(tǒng)的冷卻液入口溫度通常在30°C左右，而Rubin系統(tǒng)將冷卻液入口溫度推高至45°C，流出服務(wù)器時的溫度達到約55°C。

提高冷卻液溫度是基于一個基本的物理學(xué)原理：熱量從高溫物體流向低溫物體。冷卻液到達室外散熱器時溫度越高，無源室外干式冷卻器就越容易在不依賴機械冷水機或蒸發(fā)冷卻塔的情況下帶走熱量。據(jù)行業(yè)估計，冷水機組溫度每提高1度，冷卻能耗成本可降低約4%。

英偉達數(shù)據(jù)中心冷卻與基礎(chǔ)設(shè)施總監(jiān)Ali Heydari表示："DSX參考設(shè)計實現(xiàn)了零水消耗。除了在某些氣候條件下可能有1%的時間需要冷水機組外，這幾乎是一個無需蒸發(fā)冷卻的閉環(huán)系統(tǒng)。" 對于一個50兆瓦的超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心而言，轉(zhuǎn)向這種液冷基礎(chǔ)設(shè)施每年可節(jié)省超過400萬美元的冷卻能源和水資源成本。此外，全液冷架構(gòu)大幅提升了機架密度，原本占用6個機架單元的系統(tǒng)現(xiàn)在只需2個單元，同時消除了傳統(tǒng)風(fēng)冷服務(wù)器高達85分貝以上的噪音。

英偉達的這一舉措具有強大的產(chǎn)業(yè)號召力。由于Rubin平臺采用全液冷設(shè)計，所有為該平臺構(gòu)建系統(tǒng)的云服務(wù)提供商（CSP）和數(shù)據(jù)中心運營商都必須完成向液冷技術(shù)的過渡。戴爾和Supermicro等服務(wù)器制造商已迅速響應(yīng)。戴爾推出了無風(fēng)扇、直接液冷的PowerEdge XE8812服務(wù)器，單機架可容納144個GPU，功率超過300kW。Supermicro則與?？松梨诤献?，驗證基于NVIDIA B300 AI服務(wù)器的浸沒式冷卻技術(shù)，并交付了端到端的Rubin NVL4液冷機架解決方案。

隨著液冷技術(shù)成為剛需，資本市場對該領(lǐng)域的關(guān)注度空前高漲。近期，液冷初創(chuàng)公司頻頻傳出巨額融資消息。

Accelsius宣布完成6500萬美元的B輪融資，由建筑技術(shù)巨頭江森自控（Johnson Controls）領(lǐng)投。該公司的NeuCool兩相直接到芯片液冷平臺采用無水設(shè)計，據(jù)稱與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比可節(jié)省高達50%的能源，每個插槽的冷卻能力超過4500W。

另一家備受矚目的初創(chuàng)公司是Omen AI。該公司在6月底完成了由Nava Ventures領(lǐng)投的3100萬美元A輪融資。隨著液冷系統(tǒng)的普及，冷卻液的健康狀況成為影響數(shù)據(jù)中心穩(wěn)定運行的隱患。Omen AI開發(fā)了一種微型光譜儀，利用人工智能實時監(jiān)測冷卻液的化學(xué)成分，在細菌爆發(fā)或設(shè)備磨損導(dǎo)致數(shù)百萬美元停機損失之前發(fā)出預(yù)警。目前，該公司已與包括TensorWave在內(nèi)的十多家數(shù)據(jù)中心客戶展開合作。

在資本市場的二級市場，投資者也用真金白銀對液冷趨勢投下了贊成票。在英偉達發(fā)布Rubin液冷細節(jié)后，傳統(tǒng)HVAC（供暖、通風(fēng)與空調(diào)）股票應(yīng)聲下跌。這反映出市場認為傳統(tǒng)風(fēng)冷設(shè)備在AI數(shù)據(jù)中心市場的份額將被液冷技術(shù)迅速侵蝕。同時，Vertiv、施耐德電氣等在液冷領(lǐng)域布局深厚的企業(yè)，其市值在過去一年中實現(xiàn)了顯著增長。BNP Paribas在6月的研報中將Vertiv和Eaton列為AI數(shù)據(jù)中心冷卻領(lǐng)域的首選標的。

盡管液冷技術(shù)在降低數(shù)據(jù)中心內(nèi)部能耗和水耗方面展現(xiàn)出巨大潛力，但它并非解決AI能源危機的"萬能藥"。

芝加哥大學(xué)計算機科學(xué)教授Andrew Chien指出，英偉達的45°C閉環(huán)系統(tǒng)確實是一項工程壯舉，但所謂的"零水消耗"僅僅是數(shù)據(jù)中心物理邊界內(nèi)的統(tǒng)計結(jié)果。根據(jù)Xylem和Global Water Intelligence的分析，到2050年，直接用于數(shù)據(jù)中心冷卻的水資源僅占AI新增水資源需求的約4%。相比之下，為數(shù)據(jù)中心供電的發(fā)電廠消耗了54%的水資源，而半導(dǎo)體制造環(huán)節(jié)則消耗了42%。這意味著，液冷技術(shù)雖然解決了"近水樓臺"的冷卻問題，但并未從根本上消除AI產(chǎn)業(yè)鏈對整體水資源和能源的龐大消耗。

此外，地理環(huán)境也是液冷技術(shù)普及的制約因素。英偉達的45°C系統(tǒng)在溫帶氣候可以實現(xiàn)無冷水機組運行，但在亞利桑那、得克薩斯或新加坡等炎熱地區(qū)，在最熱的日子里仍需依賴機械冷卻。而當(dāng)前大量規(guī)劃中的AI數(shù)據(jù)中心恰恰位于這些水資源緊張的地區(qū)。

在商業(yè)落地方面，浸沒式冷卻等先進技術(shù)仍面臨維護復(fù)雜性的挑戰(zhàn)。將服務(wù)器浸泡在介電液體中意味著硬件維護需要將設(shè)備從冷卻槽中吊出、排液并清潔，這大大增加了運維的時間和難度。日本電信巨頭KDDI與三菱重工合作，在大阪堺市部署了采用浸沒式冷卻的商業(yè)數(shù)據(jù)中心，將冷卻能耗降低了94%，PUE降至1.05。但這類部署的前期資本支出遠高于風(fēng)冷系統(tǒng)，且對現(xiàn)有老舊數(shù)據(jù)中心的改造難度極大。

芯片冷卻已經(jīng)從一個邊緣的工程支持環(huán)節(jié)，躍升為決定AI基礎(chǔ)設(shè)施成敗的核心戰(zhàn)略要素。從KAIST的微通道創(chuàng)新，到SK海力士與三星的封裝級熱防御，再到英偉達主導(dǎo)的機架級全液冷革命，一條清晰的技術(shù)演進路線已經(jīng)浮現(xiàn)：冷卻系統(tǒng)正在不斷向熱源（硅片）逼近。

在這個由算力驅(qū)動的新時代，誰能最有效地管理熱量，誰就能在性能、密度和運營成本上占據(jù)優(yōu)勢。熱管理不再僅僅是物理學(xué)問題，它已經(jīng)成為AI時代的"新摩爾定律"，定義著算力增長的物理邊界與商業(yè)天花板。對于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的參與者而言，掌握先進冷卻技術(shù)，就是在未來的AI算力版圖中握住了至關(guān)重要的入場券。