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淺析GPU/CPU領(lǐng)域散熱工藝的發(fā)展與路徑

智能計(jì)算芯世界 ? 來源:智能計(jì)算芯世界 ? 2023-07-20 09:17 ? 次閱讀

CPU/GPU 算力、功率的提升持續(xù)拉動(dòng)散熱相關(guān)需求,且有加速態(tài)勢(shì)。

根據(jù) PassMark 評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù),2001 年 2020 年,Intel/AMD 的 CPU 芯片單核/多核性能均持續(xù)提升。

同時(shí)根據(jù) Techspot 的相關(guān)研究,CPU 和 GPU 的算力(或處理能力)大部分由它們的晶體管密度決定,而每個(gè)晶體管都會(huì)在電流通過時(shí)產(chǎn)生熱量,因此晶體管密度的提升帶來了熱量的提升;

同時(shí)市場(chǎng)上大多數(shù)的 CPU都能以高于其基本頻率的速度運(yùn)行。

另一方面,由于 AI 算力需求的快速提升,相關(guān) CPU/GPU 的功率提升也呈現(xiàn)加速態(tài)勢(shì)。

以 GPU 為例,主要用于游戲等領(lǐng)域的攜帶圖像處理能力的 GPU,從 2004 年的 G70 至 2022 年的 AD102,18年期間功率提升近 5x 至約 450W;

對(duì)比看用于 AI 領(lǐng)域的 V100/A100/H100,2017-2023 年每間隔 3 年功率提升 1.6x/1.75x 至 700W

芯片級(jí)散熱材料與工藝的演變,風(fēng)冷走向液冷。

散熱器最先以風(fēng)冷方式出現(xiàn),早期為一體成型的擠鋁下壓式散熱器,鋁材便宜易加工,但導(dǎo)熱效率(237W/(M·K))只有銅的二分之一(401W/(M·K)),因此出現(xiàn)了塞銅式散熱器。

就散熱器形態(tài)而言,早期為下壓式散熱器,更新的塔式散熱器能夠通過側(cè)吹的方式提高散熱效率

隨 CPU 功率提高,散熱器開始與熱管、鰭片等器件搭配組成性能更高的散熱模組,并且出現(xiàn)散熱效率風(fēng)高的水冷散熱器。

芯片類散熱(包含 CPU/GPU)主要有風(fēng)冷和水冷兩種解決方案,相同規(guī)格功耗下,水冷散熱能力更強(qiáng),但價(jià)格昂貴,高端市場(chǎng)使用多。

AI芯片、服務(wù)器、邊緣域和Chiplet共舞(2023)

隨 CPU 功率提高,散熱器開始與熱管、鰭片等器件搭配組成性能更高的散熱模組,并且出現(xiàn)散熱效率風(fēng)高的水冷散熱器。

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風(fēng)冷和水冷散熱方式對(duì)比

芯片類散熱(包含 CPU/GPU)主要有風(fēng)冷和水冷兩種解決方案,相同規(guī)格功耗下,水冷散熱能力更強(qiáng),但價(jià)格昂貴,高端市場(chǎng)使用多。

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水冷散熱器零部件及工作原理

水冷散熱模組主要包含冷排、水管、風(fēng)扇、冷頭等零部件,分為一體式水冷與分體式水冷,二者工作原理相同,但零部件組裝方式存在不同。以一體式水冷為例,冷頭內(nèi)部含有泵機(jī),工作時(shí)冷頭一面直接接觸 CPU 表面,另一面采用CNC 工藝敲出的大量凹槽(微水道),冷水流經(jīng)微水道被 CPU 產(chǎn)生的熱量加熱,經(jīng)過泵機(jī)帶動(dòng)水流,流經(jīng)水管進(jìn)入冷排,冷排內(nèi)部有很多水路,水路之間鑲嵌有大量鰭片,熱量傳遞給鰭片后經(jīng)由冷排上方風(fēng)扇散熱,降溫后的冷水再次回流,經(jīng)水泵循環(huán)的冷液,帶走冷頭上從核心吸收的熱量。冷排的尺寸很大地影響散熱效率,目前市面常見尺寸有 120mm,240mm 和 360mm。

目前 CPU 冷頭和顯卡冷頭主要都適用銅底導(dǎo)熱,市面 CPU 水冷冷頭設(shè)計(jì)主要有兩種,一種是普通銅柱型,另一種是噴射式,噴射式冷頭在銅柱基礎(chǔ)上能夠?qū)⑺ㄟ^狹小的噴嘴快速噴射到不銅板底部,提升局部流速并且形成亂流,使水冷液的吸熱效率大為提高,噴射式冷頭水阻較大,對(duì)水泵揚(yáng)程要求更高。顯卡冷頭分為單核心、半覆蓋和全覆蓋式冷頭。

風(fēng)冷散熱模組零部件及工作原理

風(fēng)冷散熱模組的工作原理為,CPU/GPU 工作時(shí)產(chǎn)生的大量熱量傳遞給散熱器,導(dǎo)致散熱器升溫,在風(fēng)扇作用下散熱器與周圍空氣進(jìn)行熱傳遞,當(dāng)散熱器散發(fā)的熱量與 CPU 最大功耗時(shí)產(chǎn)生的熱量相等時(shí),溫度達(dá)到平衡穩(wěn)定狀態(tài)。風(fēng)冷散熱模組主要包含三個(gè)組成部分:

1)熱管(Heat Pipes)或均熱板(Vapor Chamber);2)散熱鰭片(Fins);3)散熱風(fēng)扇或渦輪。

這三個(gè)部分之間常搭配導(dǎo)熱材料和焊接等工藝加速熱量傳導(dǎo)。熱管與鰭片的接觸方式主要有兩種,一種為“穿 Fin”,熱管直接插入鰭片;另一種為金屬焊接。熱管與CPU/GPU 核心的接觸方式主要有兩種,一種是直觸,直接把熱管加工到大概形狀后對(duì)底面進(jìn)行打磨并貼在核心上,這種加工方法成本低,但容易發(fā)生形變,主要用于中低端;中高端采用銅底更多,加工中把熱管穿插焊接在一個(gè)銅塊內(nèi),或用帶凹槽的銅塊將熱管夾在中間,熱量先由銅底吸收再傳遞到熱管上,這種方式使用壽命長(zhǎng)、傳熱均勻,成本更高。





審核編輯:劉清

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原文標(biāo)題:GPU/CPU領(lǐng)域散熱工藝的發(fā)展與路徑演繹

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