角逐芯片级散热

近日，博主 @数码闲聊站 爆料，为了配合先进国产工艺，芯片端同步在测试「MEMS主动散热风扇」，可以紧贴处理器的芯片级主动散热方案，相较传统内置风扇，厚度是毫米级，几乎无噪音，传导效率更高，技术同样会领先行业。 

这一爆料不只是一款新产品的技术验证，更意味着在芯片性能持续飙升、电子设备集成度越来越高的今天，散热能力已成为关键技术。

一方面，随着电子设备小型化和高性能的发展趋势，芯片集成度要求越来越高，芯片在工作时的热流密度也随之不断升高。功率芯片产生的热量不能及时散发，设备长期在高温工况下工作，会直接影响器件的工作寿命，甚至直接失效。随着温度的升高，电子设备的可靠性和平均故障时间（mean time between fail ures，MTBF）急剧下降，其失效概率呈指数增长趋势。因此如何提升芯片散热能力是学者们研究的重点问题。

另一方面，今年华为提出韬定律，芯片实现逻辑折叠，散热压力更大，这也迫使企业必须采用更高效的散热解决方案。韬”是希腊字母τ（tau）的音译。在电路理论中，τ代表时间常数——信号从一种状态切换到另一种状态需要的时间。τ越小，电路切换越快。韬定律核心是“时间缩微”。它不再单纯追求尺寸的极限缩小，而是转向系统性降低时间常数（τ），即压缩信号在芯片内部传输的延迟。在工程实现上以逻辑折叠为原则，通过芯片架构创新、3D堆叠、软硬件协同以及系统级协同优化等手段，来实现芯片单位晶体管密度的等效提升。

然而，这也直接催生了散热危机。此前，AMD便在X3D系列处理器的CPU核心上方堆叠了3D缓存芯片，堆叠缓存设计使得热量需先通过缓存层才能传导到散热模组。缓存层增加了热阻，使热量难以快速散发，导致 CPU 内部温度升高，形成积热。3D堆叠芯片的性能提升依赖垂直集成，但散热路径却被层层阻断。在传统2D芯片中，热量可直接从硅片背面传导至散热器；而在3D结构中，底层芯片的热量必须穿透上层硅片、TSV（硅通孔）、微凸点和底部填充胶才能抵达外部，每增加一层，热阻就显著上升。这也是业界寻求更有效散热方案的根本原因。

MEMS风扇，全称微机电系统风扇，是一种采用压电MEMS技术制造的芯片级主动散热器件。它通过在硅片上集成微米级机械结构，利用压电材料的逆压电效应产生高频振动来驱动空气流动，从而实现高效散热，具有静音、体积小等特点。该技术源自MEMS扬声器技术，通过将振膜振动频率提升至超声波范围（通常超过40kHz）来实现静音运行。

与传统的机械风扇相比，MEMS风扇具有静音、小体积、高能效、高集成度与高可靠性等优势，可以在紧凑的空间中针对具有高热流密度的处理芯片（例如AI芯片）进行风冷散热。自2024年以来，多款代表性MEMS风扇产品相继问世，并展示出在智能手机、笔记本电脑、可穿戴设备及各种边缘AI设备方面的应用潜力。以Frore Systems、xMEMS为代表的MEMS企业竞相研发压电MEMS风扇技术并推动商业化产品落地。

全球玩家与商业化竞速

商业化进度最快的是美国的Frore Systems和xMEMS，已有明确产品规格和客户应用案例。

2024年8月20日，xMEMS公司推出了XMC-2400 μCooling主动式微风扇冷却芯片。这颗芯片的封装尺寸仅为9.26x7.6x1.08 mm，这颗芯片可以实现最高每秒39cc的风量以及1000Pa的背压；以散热风扇常见的标准衡量，风量约为0.08CFM。在3D打印的风道之中，XMC-2400已经可以成功推动风扇叶片转动，而其功耗仅为30 mW。由于其全硅解决方案的特性，这颗散热芯片还拥有IP58级防尘防水、高耐用性的特点。并且，这颗芯片利用的是压电效应原理，其所有机械可动部分都以超声波频率工作，因此并没有可闻噪音。为了满足移动设备不同结构设计的需要，xMEMS公司还设计了两个版本的XMC-2400芯片：侧出风的XMC-2400-S与顶部出风的XMC-2400。

另一家公司也推出了类似原理的固态散热产品，这就是Frore Systems 公司推出的 AirJet 系列。其中，体积最小、厚度最薄的产品便是 AirJet Mini Slim。AirJet Mini Slim 的尺寸为 41.5 x 27.5 x 2.5 mm，体积比XMC-2400 大了几十倍，自然也拥有更强的性能。据称这款散热芯片可以在达成1750Pa 的背压，0.21 CFM 的风量，最高消耗1W功耗，其能够在21dBA的噪音下实现5.25W的解热能力。而且，AirJet目前已经走出实验室，成功实现商业化。索泰推出的 ZBOX PI430AJ with AirJet 便是全球首款采用固态主动散热技术的迷你主机产品。

除了这两家美国公司外，总部位于瑞典斯德哥尔摩的科技初创公司Myvox专注于硅片上的薄膜压电驱动技术。公司开发的超紧凑型微风扇，能够在组件层面产生气流。通过批量MEMS处理，该器件实现了6.5×7.5×1.2毫米的紧凑封装，并完全兼容SMT实现自动化PCB组装。目前微风扇现已进入产品层面，工程样品计划于2026年发布。

而在国内企业中，传音（Transsion）旗下Infinix品牌在今年的CES上正式推出NOTE 60系列智能手机，全球首发搭载锐盟半导体MagicCool系列压电风扇的主动式散热微系统解决方案，这也是压电风扇技术首次在智能手机上的应用案例。该系列首发静音振动压电风扇，采用仅0.1毫米厚的振动片（相当于人类头发厚度的一半），每秒脉冲25000次，无叶片的固态设计可产生高压气流，控温效果相比传统旋转叶片大幅提升，能在长时间游戏或重型AI任务中持续保持机身凉爽，且运行过程近乎静音。

另一家企业瑞声科技也宣布，基于MEMS压电薄膜关键技术的CoolFan系列主动散热芯片已完成研发试制，进入小批量试产阶段，预计2027年初实现大批量产并出货。该产品瞄准端侧AI终端的散热痛点，为AI手机、智能手表、XR眼镜等设备提供高效散热解决方案。该产品薄至1mm，相比普通压电陶瓷风扇和微型离心风扇，厚度降低50%以上。

整体来看，商业化进度最快的是美国的 xMEMS 和 Frore Systems，已有明确产品规格和客户应用案例。而国内利用MEMS工艺技术路线做微型压电风扇的厂家还并不是很多，大部分可能还都在样品研发阶段。

除了MEMS风扇的方案外，业界也在开发其他的解决方案。 

微流道液冷技术便是其中之一。液体工质具有良好的换热系数和稳定的流动特性。但在多种液冷技术中，由于毛细作用的限制，液冷热管的极限冷却能力只有200 W/cm²。相比之下，微流道具备小体积的优势，可以实现电子器件在有限空间内的高效散热。D. B. Tuckerman等在1981年首次提出微通道散热器的设计思路，研究设计了平行直流道的微通道散热器，在芯片上可实现790 W/cm2的散热量。表明微通道散热器可解决高功率热流密度器件的散热问题，为电子芯片的散热提供新思路。在此之后，国内外学者对微通道散热进行了更加全面、系统的研究，聚焦于微通道的结构、尺寸、形状的优化设计等诸多方面，如多孔介质、分形网络等微流体散热系统装置。研究目的主要为两方面：一是不断提高系统的散热能力，二是尽可能减小热阻。使电子元器件的温度始终在其运行工作范围内，确保其工作的稳定性和可靠性。

芯片内嵌微流道是微流道液冷技术的更进一步。这是最接近"芯片级散热"本质的路线，目标是消除热界面材料（TIM）的热阻，让冷却液直达热源。

位于韩国的KoolMicro自研的IMMC集成微流道液冷技术，区别于传统外置散热方案。该技术可将散热结构布置在芯片裸片与封装层之间，进阶版本能够直接在晶圆内部集成散热结构。该方案现阶段以纯水作为冷却介质，冷却液顺着分流结构流入细微流道，吸收芯片热量后从周边通道回流。简易的流通结构可以降低压力损耗，使芯片温度分布更加均匀。能效方面，该方案散热效率约为传统微通道冷板的十倍。

2025年，微软CEO也宣布，其团队已成功开发出微流体冷却技术——通过细如发丝的微小通道，直接将冷却液输送到芯片内部。技术的难点在于芯片内部通道设计，其既需要确保通道深度足够保证冷却液在循环的过程中不会堵塞，又不能过分刻蚀硅料以致其破裂。

值得注意的是，即使采用MEMS压电风扇的设计，也是贴装在芯片表面。如果芯片采用逻辑折叠的方式，混合键合的两块Die之间，如同被两张电热毯包裹，仍然很容易积累热量。在此情况下，如果能采用内嵌微流道技术，将散热结构布置在晶圆内部，理论上才可能将内部热量导出。

华为"韬定律"所提出的逻辑折叠与3D堆叠，将使芯片热流密度飙升；而国产先进制程短期内受限于先进半导体设备管制难以突破和追赶国际先进水平，这使得"非摩尔补摩尔"的路径必须依赖更高效的散热方案来释放性能。研究更先进高效的散热方案是当前业界的当务之急。未来芯片级散热技术或将成为国产先进制程芯片的标配，将直接影响国产高性能芯片在全球的竞争力。

未来高性能芯片的散热架构很可能走向"混合散热"（Hybrid Cooling）：在芯片内部（DIE之间）嵌入微流道处理三维热流，在芯片表面或封装顶部部署MEMS风扇，在系统层面保留传统液冷或风冷处理宏观排热。这样通过每一层解决每一层的问题，而不是让单一技术承担所有压力。对于国产芯片而言，提前布局这种分层散热架构，可能比单纯追求制程节点更有性价比。