AI/HPC处理器的功耗演进与先进封装的散热核心挑战

2025 年 12 月，国际电子器件会议（IEDM）短期技术解说课程上，全球硅制造龙头台积电（TSMC）发布了最新封装技术动态。本次演讲主题为《面向人工智能与高性能计算（AI/HPC）的先进封装及芯片技术》，演讲者为台积电 NCED（先进封装工程部门）软件集成事业部研发总监 Adva James Chen，其分享聚焦 AI/HPC 处理器的功耗演进与先进封装的散热核心挑战。

AI/HPC 处理器 TDP 的爆发式增长

回顾近十年 AI/HPC 处理器的最大功耗（TDP）演变，其增长速度远超行业预期：2016 年，NVIDIA GP100 处理器的 TDP 约 250 瓦；2018 年，AMD MI50 将这一数值提升至 300 瓦；2021 年 AMD MI250 的 TDP 跃升至 560 瓦，2023 年 AMD MI300 进一步突破至 700 瓦；2024 年，NVIDIA GB200 在强制空冷条件下 TDP 达到 1000 瓦；而到 2025 年，AMD MI355X 在液冷方案支持下，TDP 已急剧增长至 1400 瓦。值得注意的是，作为 AMD MI355X 的强制空冷版本，MI350X 的 TDP 为 1000 瓦，这也印证了当前技术体系下，空冷方案的功耗极限约为 1000 瓦。

AI/HPC 处理器最大功耗（TDP）演进（2016-2025）。来源：台积电（TSMC）IEDM 2025

热阻对封装温升的核心影响

对于 CoWoS（晶圆级系统集成）等先进封装技术而言，其核心结构是将系统级芯片（SoC，含 GPU 或 AI 处理器）与高带宽内存（HBM）集成于中介层（中间基板）之上，如何高效散逸这两大核心元件产生的热量，成为决定封装性能与可靠性的关键。

定量描述热传递阻力的核心指标是 “热阻（单位：°C/W）”，其物理意义为单位功耗（W）所引发的元件温升（°C），热阻值越低，散热效率越高。在实际工程设计中，单位面积热阻（单位：mm²・°C/W）同样被广泛应用，用于精准评估不同区域的散热能力。

CoWoS 封装的散热设计需综合考量全链路热阻：包括作为热源的硅芯片本身热阻、连接硅芯片表面与金属散热盖的导热界面材料（TIM1）热阻、金属散热盖自身热阻、连接散热盖与外部散热器的导热界面材料（TIM2）热阻，以及散热器的热阻。散热设计的核心原则是将硅芯片的 PN 结温度控制在阈值以下（行业通用标准约 70°C）：假设环境温度为 25°C，可允许的最大温升（温差）为 45°C；而在数据中心等专业场景中，通过环境控温将室温降至 20°C 以下的情况十分普遍，此时可允许的温升范围可扩展至 50°C 以上，为散热设计提供更多余量。

先进封装（CoWoS）的冷却机制与元件热阻构成。来源：台积电（TSMC）IEDM 2025

随着 AI/HPC 处理器 TDP 向 1400 瓦级突破，传统散热方案已逐渐逼近物理极限。一方面，空冷方案在 1000 瓦以上功耗场景中，难以通过单纯增大散热器体积或提升风扇转速实现有效散热，还会引发噪音超标、能耗效率下降等问题；另一方面，现有导热界面材料（如传统硅脂、相变材料）的热阻已无法满足高功率密度下的散热需求，TIM1 与 TIM2 的热阻损耗在全链路热阻中占比逐渐升高，成为制约散热效率的关键瓶颈。

针对这一挑战，台积电在 CoWoS 封装技术中推出了多项创新优化：

• 新型低阻导热界面材料（TIM）应用：研发高导热率纳米复合材料 TIM1，将热阻显著降低，同时优化材料的界面浸润性，减少芯片与散热盖之间的接触间隙，降低接触热阻；
• 集成式金属散热盖优化：采用高导热系数的铜合金或金刚石增强铜材料制作散热盖，并通过精密锻造工艺提升散热盖的表面平整度，同时在盖体内部设计微通道结构，增强热量在盖体内部的横向传导效率；
• 中介层热阻优化：在 CoWoS 中介层中引入局部加厚铜布线与散热通孔（Thermal Via）阵列，将 HBM 与 SoC 产生的热量快速传导至散热盖，缩短热传导路径，中介层单位面积热阻较前代产品降低约三成；
• 液冷协同设计方案：针对 1000 瓦以上的高功耗场景，台积电推出 CoWoS 封装与液冷散热器的一体化设计规范，通过优化散热盖的流道接口与安装精度，使液冷散热器的冷板与散热盖紧密贴合。

未来技术演进：面向更高功率密度的封装散热方向

未来 AI/HPC 处理器的 TDP 有望在 2027 年前突破 2000 瓦，这将对封装散热技术提出更高要求。为此，台积电正在推进三大技术研发：

• 无界面层散热集成：探索将散热器直接与硅芯片表面键合的技术，消除 TIM1 的热阻损耗；
• 中介层材料革新：研发碳化硅（SiC）或氮化铝（AlN）基中介层，其导热系数较传统硅基中介层提升 5-8 倍，可大幅降低中介层的热阻贡献；
• 封装级主动冷却技术：在 CoWoS 封装内部集成微型蒸汽室或微型泵驱动的液冷回路，实现热量的主动传导与散逸，配合外部高效散热器，满足 2000 瓦级功耗的散热需求。

台积电强调，先进封装的散热技术已不再是单一的材料或结构优化，而是需要与芯片设计、系统冷却方案深度协同的系统性工程。通过封装与散热的一体化设计，将为 AI/HPC 领域的算力持续突破提供核心支撑。