
透過將單晶鑽石直接整合到晶片基板中,可驅動兩相蒸發冷卻直接在晶片背面發生,從而將冷卻性能暴增100 倍,同時水流量需求驟降55 倍。
這絕非實驗室裡的紙上談兵,而是基於紮實熱力學模型的工程級解決方案。
為此,要理解這項突破,首先要看清目前高功率晶片散熱鏈路的「熱阻堵點」。
根據白皮書第2 頁的詳細計算,以一顆Nvidia H100 等級、光罩面積約858mm² 的晶片為例,採用最先進的冷板液冷方案時,總熱阻堆疊高達約55mm²·K/W。
同時,在這個堆疊中,約800μm 厚的矽基板自身貢獻了超過5mm²·K/W 的熱阻,加上界面材料(TIM)和銅冷板的本徵熱阻,溫度「瀑布」在晶片內部急劇跌落。最後的結果便是-當晶片熱點溫度控制在105°C 時,傳到冷板背面的液體側溫度僅剩69°C(第2頁原文)。
而這個溫度遠低於水的常壓沸點,根本無法驅動蒸發相變。
唯一能讓水在這個溫度下沸騰的辦法,是將系統壓力降至0.3 bar 以下的深亞大氣壓力——這意味著巨大的蒸汽體積、高昂的真空泵功耗和復雜的密封工程,使晶片級兩相冷卻長期停留在學術論文裡。
為此,白皮書一針見血地指出-冷卻性能不僅由總熱阻決定,也由熱阻的分佈方式決定(第1頁)。
同時,Diamond Foundry 的方案也顛覆了傳統熱管理邏輯。
他們不是簡單地用鑽石取代矽作為導熱層,而是透過重建整個熱阻堆棧,把原本耗散在晶片內部的溫降「搬」到了冷卻界面上。
具體製程上,將矽晶片減薄至僅20–30μm,並在其背面鍵結600μm 的單晶鑽石(SCD)。
眾所周知,鑽石的熱傳導率高達約2,200W/m·K,是矽的15 倍。
所以,根據其(第3頁)計算,此組合的等效熱阻驟降至少於1mm²·K/W,即便是功率高達2,500W 的晶片,晶片熱點到鑽石背面的溫降也僅有約3°C。
那麼,溫度的躍升為什麼如此關鍵? 這就牽涉到了兩相冷卻的物理門檻。
換言之,鑽石為冷卻液創造了一個無需複雜低壓系統就能自然相變的"熱表面"。而有了可供沸騰的熱表面,兩相蒸發冷卻的恐怖效率便得以釋放。
傳統單相冷板方案依靠水的顯熱升溫(假設溫升10°C),每分鐘需要泵送710mL冷卻水;兩相蒸發方案僅依靠水的蒸發潛熱,每分鐘只需蒸發13mL水即可帶走同等熱量。
兩者相差整整55 倍,這是整個熱力學論證中最具說服力的一組數據。
同時,兩相噴霧或噴射冷卻的臨界熱流密度(CHF)可達500–1,000W/cm²,而單相冷闆對流傳熱能力通常僅10–100W/cm²。
由此,白皮書在第1頁給出了「10–100 倍冷卻性能提升」的結論。
可以說,55 倍節水是精確的算術結果,100 倍性能是區間上限的工程預期。
此外,白皮書還在第8–9頁專門對比了不同操作壓力下的工程代價,並給出了一個極富工程洞察的結論——0.7 bar 是兩相冷卻的「甜點區」。
如果壓力降至0.25 bar(對應65°C 沸騰),雖然結溫更低,但蒸氣體積將暴增2.6 倍,真空幫浦壓縮比從1.7 飆升至4.0,導致泵浦寄生功耗佔比從3–8% 激增至12–24%,得不償失。
正是鑽石將背面溫度推高至100°C,才使0.7 bar 這一溫和工況成為可能。
更值得注意的是,鑽石也解決了兩相冷卻中的兩個固有問題。
一是其橫向導熱能力有效消除了噴霧冷卻中的局部乾涸熱點(第1 頁);二是鑽石與矽的熱膨脹匹配緩解了大尺寸晶片的翹曲問題,免去了傳統方案中又厚又低效的TIM 填充層。
當蒸發冷卻從建築級的冷卻水塔直接壓縮到指甲蓋大小的晶片背面時,那些動輒需要數千噸冷卻水、巨型水泵和複雜管網的AI 數據中心,或許將迎來一場從根基上「做減法」的革命。

而100倍性能與55倍節水,或許正是這場變革最響亮的開場哨。

