3C王者

說到臺積電，經常關註消費電子領域的朋友想必不會感到陌生，作為當前全球規模最大、產能最開放的半導體生產商，其同時承擔著包括蘋果、AMD、聯發科等多個巨頭的芯片代工生意。而他們的生產工藝，更是直接影響著這些廠商旗下芯片產品的發佈周期、出貨量、性能，甚至是質量水平。

正因如此，當臺積電方面近日突然公佈瞭一系列關於“片上水冷”芯片的實驗成果時，自然也就引發瞭我們的好奇。

什麼是片上水冷？它將散熱結構做進芯片裡

眾所周知，如今的半導體芯片在工作時基本上都會帶來不小的發熱，因此這就需要使用散熱器來對其進行散熱。那麼問題就來瞭，散熱器是如何散掉芯片所帶來的熱量的呢？

可能有人會說，這還不簡單。在芯片上塗一層導熱矽脂、然後把散熱器裝上去，導熱矽脂將CPU表面的熱量傳遞到散熱器底部，然後再被熱管或水冷管把熱量傳遞到鰭片，最後風扇吹走鰭片或冷排上的熱量，這不就是散熱的過程嗎？

一塊高端臺式機CPU，金屬頂蓋下方還有一層導熱材料，然後才是真正的核心矽片

的確如此，但這裡面其實存在一個誤區，那就是我們通常所認為的芯片“頂部”，其實大多數情況下都隻是一個起到保護作用的金屬蓋。在它下面還有一層導熱材料，然後再下面才是真正的半導體矽晶片。換而言之，熱量實際上要經過矽晶片-內部導熱材料-CPU金屬蓋-外部導熱材料（導熱矽脂）的好幾重傳導，才能傳遞到散熱器上。

不僅如此，即便是對於像顯卡、筆記本電腦CPU這類不帶金屬保護蓋的芯片來說，其發熱部位實際上也不能直接接觸到散熱器。因為矽晶片頂部的一層光滑的矽材料本質上其實也是個“蓋子”，它保護著下方的電路結構，但同時也阻隔瞭熱量的傳遞。

明白瞭這一點，就不難理解臺積電“片上水冷”設計的原理瞭。簡單來說，臺積電實驗瞭三種不同的“片上水冷”設計。第一種是直接在芯片表面的矽覆蓋層上蝕刻瞭許多凹槽，讓導熱液體從這些凹槽中流過，從而帶走熱量。臺積電將這種設計稱為“DWC”，應該就是Direct Water Contact（直接水流接觸）的縮寫。

而剩下的“片上水冷”設計，則相對保守一些。它們是在芯片制造的過程中，在光滑的、帶有覆蓋層的矽晶片表面，再加一層有水路蝕刻的矽材料，從而相當於讓芯片出廠時頂部就自帶瞭一個散熱水路。與第一種設計相比，這種設計因為需要在矽芯片表面再加一層矽結構，所以需要用導熱材質粘接兩層矽片，並且根據導熱材料的不同，也演化出瞭OX TIM（矽氧體導熱材質）和LMT（液態金屬導熱材質）兩種不同的方案。

很顯然，與傳統的、需要用戶（或設備生產廠商）在芯片表面塗抹矽脂，再安裝上散熱器的設計相比，臺積電的“片上水冷”方案原理其實是沒有任何區別的。它本質上其實就是將芯片表層做得更薄、讓芯片發熱部位與散熱結構之間的距離更近、同時通過直接在芯片生產步驟中加入更高級、也更薄的導熱材質，讓熱量能夠更好地從芯片內部傳達到表面、傳達到散熱結構上而已。

當然，它同時也表明，臺積電方面或已非常清楚，未來的半導體芯片必然會在發熱上更加嚴重，需要使用更加靠近“熱源”的新散熱設計。那麼問題就來瞭，為什麼未來的芯片發熱會越來越嚴重呢？

首先，芯片設計和半導體制程確實走入瞭瓶頸

盡管半導體廠商總是說，摩爾定律從未失效。但無論是從產品設計思路、功耗數據，還是從真實的能效比測試結果來看，如今的整個消費電子芯片產業，實際上都已經走入瞭一個“性能大幅提高、但功耗也快速上漲”的怪圈。

就拿大傢熟悉的PC端CPU來說，前幾年無論Intel還是AMD的旗艦產品，大多都還維持在95W的功耗水平上。然後從9代酷睿開始，Intel率先將CPU的典型功耗放寬到瞭125W，然後就有瞭後續10代、11代酷睿睿頻時超過200W的功耗表現。更不要說在高端工作站領域，2014年的Xeon 2699V3功耗還僅145W，到瞭2017年就出現瞭默認功耗300W的E5-2699P V4，而如今最高端的Xeon 9282 56核處理器，設計功耗甚至已經來到瞭400W之巨。

當然，AMD方面其實也並沒有好太多。初代的銳龍7 1700X同樣隻有95W，到瞭Zen2的3800X上，典型功耗就上漲至105W，解鎖PBO後我們甚至測得過300W+的瞬時功耗。而在定位更高的銳龍線程撕裂者平臺上，初代的1950X“隻有”180W，到瞭2990WX就上漲到250W，而目前最新的Ryzen Threadripper PRO 3995WX，則更是已經成為瞭常規散熱器難以降服的280W“怪物”。

不僅如此，根據目前已經曝光的消息顯示，Intel的下一代酷睿將會引入“大小核”的設計來降低日常功耗，但它同時也可能會帶來更高的峰值性能和峰值功耗。而AMD的下一代CPU也將再次大幅增加緩存容量，然而不幸的是，緩存本身也是高功耗器件，所以據說下代傢用版銳龍中的高頻型號熱設計功耗將達到170W，從而創下傢用CPU史上默認TDP的新紀錄。

頂級的CPU、高端的CPU和中低端的CPU的面積對比

並且功耗日漸增長的情況或許還不僅僅發生在PC CPU領域，顯卡領域近日有海外網友統計瞭NVIDIA和AMD兩傢過去數代產品的性能和功耗表現。結果發現，從多年前的DX11時代開始，兩傢的GPU單位晶體管/頻率性能指標幾乎是一直在走下坡路。換而言之，也就是說這些年來的顯卡性能提升，基本都是靠著堆更多的核心、拉更高的頻率來實現，但在最底層的晶體管結構設計、計算架構設計上反而都在退步。

然而，這可能還不是最糟糕的情況。根據臺積電發佈的一份報告顯示，在他們看來，未來一些面積大於500平方毫米（也就是差不多2cm*2.5cm以上）的“大芯片”，目標設計功耗可能會高達2000W以上。雖然通常中低端CPU/GPU不太可能這麼大，但大傢要知道，諸如線程撕裂者這樣的發燒級產品，目前芯片面積都已經達到瞭1000平方毫米以上，因此臺積電的這番預測自然不可能是毫無依據的。

除此之外，軟件思路的變化也導致瞭功耗上漲

差不多二十多年前，當我們接觸最早的一批PC軟件時，它們給我們留下的最深刻印象往往就是“慢”。這不隻是因為當時PC性能糟糕，也因為對於那個年代的軟件而言，“盡可能地降低對電腦的性能消耗，哪怕為此犧牲執行速度”可以說是非常突出的一個設計特征。

正因如此，對於當時來說，諸如殺毒軟件掃描一次需要數小時、Windows系統更新從下載到安裝耗時一整個下午這種事，可以說是非常司空見慣的。雖然說這種“低耗低速”的軟件設計，確實讓更多性能糟糕的PC也可以避免光開啟一個應用軟件就陷入卡頓的尷尬，但從另一方面來說，也確實造成瞭對那些高性能硬件的浪費，同時不利於硬件技術的發展。

所以差不多從Windows Vista時代開始，各大軟件廠商都逐漸轉變瞭開發思路，盡可能地針對新型硬件進行充分優化，盡可能將電腦的性能“吃”到極限，並借此實現更快的運行速度。

Chrome對老電腦很不友好，但在新電腦上它實在是太快瞭

就拿殺毒軟件為例，如今Windows所集成的Defender殺毒軟件不僅會消耗CPU的算力，還會用上顯卡的通用計算能力來加速掃描過程；又比如說，如今占據瀏覽器行業絕對主流地位的Chrome，其實是一款對內存和CPU消耗都非常厲害的軟件，但誰也不能否認，高硬件占用的設計的確使得其渲染速度、頁面加載速度，比起其他競爭對手要快瞭很多。除此之外，在辦公軟件方面，Office更是從好幾年前的版本開始就已經用上GPU進行字體渲染和界面加速，這也是為什麼很多人會感覺Office明明軟件體積不小，但運行起來的界面流暢度卻反而比許多輕量級辦公軟件反而更快的原因。

不止如此，在遊戲領域，如今DirectX 12從一開始就是以“能更好地利用超多核CPU的算力”為前提開發的。在最新的Windows 11裡，微軟更是專為頂級PC提供瞭一系列遊戲增強功能，讓用戶可以體驗到比其他電腦更快的遊戲加載速度、更好的遊戲畫面效果、更出色的屏幕顯示質量。當然，這些也會消耗更多的硬件算力、從而帶來更高的功耗，並對散熱提出更高的要求。

真有好硬件用，誰會在乎功耗（圖中為一臺56核心的雙路PC+雙RTX3090）

換而言之，無論是硬件還是軟件，如今整個PC行業其實都呈現出一種“以功耗換性能”的大趨勢。雖然對於環保人士而言，大概會覺得這是非常糟糕的情況，但作為受惠於這種大幅性能上漲的用戶來說，卻未必會對這種功耗、發熱的增加感到不適。

畢竟誰叫現在的PC，用起來比過去快瞭太多太多呢。

【本文圖片來自網絡】